SF6充氣柜內(nèi)部電弧故障的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與防護(hù)措施

毛振塔

摘要：六氟化硫（SF6）充氣柜作為新型供電設(shè)備現(xiàn)在越來越普及，其作用也越來越重要。本文主要分析了SF6充氣柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并對其發(fā)生電弧故障做出了分析以及提供了幾點(diǎn)防護(hù)措施在保證生產(chǎn)的同時(shí)能進(jìn)行檢修，為處理同類故障提供參考。

關(guān)鍵詞：SF6充氣柜、電弧故障、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防護(hù)措施

SF6充氣柜作為新型供電設(shè)備現(xiàn)在越來越普及，SF6充氣柜雖然在出廠時(shí)會做設(shè)備檢測，但是隨著充氣柜的日積月累使用，其內(nèi)部電弧故障的時(shí)有發(fā)生給整個(gè)SF6充氣柜和用電設(shè)備的正常運(yùn)行帶來了安全隱患?，F(xiàn)針對于此做一些關(guān)于SF6充氣柜內(nèi)部電弧故障的分析，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并提出防護(hù)措施，以有效地減少電弧故障這種問題的發(fā)生。

一、SF6充氣柜簡介

SF6本身作為一種人為制造的惰性氣體，化學(xué)性能穩(wěn)定且無色無味無毒。SF6還具有強(qiáng)電負(fù)性，它的分子極易吸附自由電子而形成質(zhì)量大的負(fù)離子，SF6還具有較低的離解溫度、較好的耐電性能、強(qiáng)大的絕緣能力和強(qiáng)力的滅弧能力等[1]。

SF6充氣柜的結(jié)構(gòu)組成主要有母線，斷路器，負(fù)荷、隔離、接地開關(guān)及CT/PT等高壓電氣元件。將這些元件裝在密封箱體中，并充入SF6氣體，這個(gè)一體式封閉箱作為集成了各種元件和SF6氣體設(shè)備不僅具有開斷、隔離、接地等功能，還由于SF6氣體具備強(qiáng)大的絕緣能力、強(qiáng)力的滅弧能力和較好的耐電性能使得此充氣柜的安全性和可靠性大大提高[2]。

相較于空氣柜，SF6充氣柜體積相對較小、重量普遍較輕。SF6氣體的絕緣強(qiáng)度較空氣高，這導(dǎo)致相同電壓等級的SF6充氣柜較空氣柜的體積可縮小不少。SF6充氣柜適應(yīng)性強(qiáng)，這得益于一體式封閉箱受到環(huán)境的影響較小，所以空氣潮濕多塵、安裝位置狹小、鹽漬嚴(yán)重等環(huán)境都可以安裝SF6充氣柜[3]。

二、電弧故障及柜內(nèi)壓力變化

由于SF6充氣柜的自身出廠時(shí)有所缺陷或在環(huán)境較為惡劣的條件下長時(shí)間工作導(dǎo)致SF6充氣柜的絕緣強(qiáng)度降低，也有可能在人工操作過程中出現(xiàn)了失誤等原因造成SF6充氣柜柜體內(nèi)部氣體被擊穿造成其內(nèi)部發(fā)生電弧故障，可能會造成以下事故：

一是使電弧故障的嚴(yán)重化，例如電弧范圍擴(kuò)大。在內(nèi)部超高溫和動力的驅(qū)動下強(qiáng)力的電弧將微量的等離子體在充氣柜內(nèi)部移動，電弧的根部飄忽不定，在導(dǎo)體中可以迅速轉(zhuǎn)移，這很容易將電弧故障嚴(yán)重化，甚至造成充氣柜燃燒，造成斷電現(xiàn)象使用電設(shè)備損壞。二是電弧故障的破壞性強(qiáng)大，由于電弧本身的溫度高，其破壞性之強(qiáng)無法估量，再加上外加的使用功率較大，這使得充氣柜內(nèi)部的材料在經(jīng)過電弧故障后都無法正常工作，基本上處于報(bào)廢的狀態(tài)，甚至一些金屬、合金和固體材料零件都無法幸免。對于絕緣材料碰上電弧也是不夠看，電弧能直接將絕緣材料氣化產(chǎn)生劇毒和腐蝕性的氣體進(jìn)而危害生產(chǎn)人員的安全。第三就是電弧故障會帶來嚴(yán)重的生產(chǎn)人員安全問題。一旦產(chǎn)生電弧故障，由于電弧的強(qiáng)大破壞性和自身的高溫特性，在密閉狹小的充氣柜中溫度上升明顯，能輕易將絕緣器材氣化，產(chǎn)生的劇毒和腐蝕性的氣體是影響人員安全的因素之一，還有在密閉狹小的充氣柜中電弧故障帶來的溫度驟升造成柜內(nèi)壓力的急劇上升，輕則充氣柜變形，重則發(fā)生爆炸，嚴(yán)重危及生命和生產(chǎn)安全。

SF6充氣柜的開關(guān)室與電纜室是電弧故障的重要場所。出廠時(shí)對其進(jìn)行內(nèi)部電弧故障試驗(yàn)要做到五點(diǎn)，一是充氣柜的蓋板和門沒有被沖擊開，但是可以允許輕微程度的變形;二是箱體沒有明顯裂縫，沒有小零件等被炸出;三是電弧未能將不超過2 m的面上燒蝕出孔洞;四是平和垂直指示器未被點(diǎn)燃;五是充氣柜的外殼不能偏移接地處[4]。

在SF6充氣柜柜體內(nèi)部出現(xiàn)電弧故障以后，電弧自身所攜帶的能量將瞬間將柜內(nèi)氣體溫度提升，導(dǎo)致柜體內(nèi)的氣壓上升。SF6充氣柜會具有泄壓裝置，一旦超過泄壓裝置限制的壓力則泄壓裝置將會打開泄壓通道泄壓，降低充氣柜內(nèi)部壓力，減少因充氣柜柜體內(nèi)部壓力過大而發(fā)生爆炸的可能性。電弧故障帶來的破壞力與其間隔容積，電壓及時(shí)間和短路電流有關(guān)。一般產(chǎn)生電弧故障后，柜內(nèi)壓力會產(chǎn)生四個(gè)階段即氣體壓縮、氣體膨脹、氣體釋放及氣壓穩(wěn)定階段。如圖一所示。0-t1時(shí)間段即為氣體壓縮階段，此階段電弧故障剛發(fā)生，電弧自身所攜帶的能量將瞬間將柜內(nèi)氣體溫度提升，導(dǎo)致柜體內(nèi)的氣壓急劇上升，直到充氣柜內(nèi)部壓強(qiáng)達(dá)到泄壓裝置的設(shè)計(jì)的臨界壓強(qiáng)為止，t1時(shí)充氣柜最為危險(xiǎn)，不僅充氣柜內(nèi)部壓力大溫度高，電弧故障還在發(fā)生而且還未開始泄壓。這一時(shí)間大約持續(xù)5-10ms。t1-t2時(shí)間段即為膨脹階段，此時(shí)充氣柜內(nèi)部泄壓裝置的設(shè)計(jì)的臨界壓強(qiáng)在t1時(shí)達(dá)到，開啟泄壓，到t2時(shí)泄壓通道完全打開，由于在這一時(shí)間段中泄壓通道并未完全打開，再加上電弧帶來的溫度提升和氣體的膨脹導(dǎo)致充氣柜內(nèi)部壓強(qiáng)還會有所上升。這一階段的持續(xù)時(shí)間大約為5-10ms，與泄壓裝置的設(shè)計(jì)的泄壓通道尺寸和電弧故障的程度有關(guān)。t2-t3時(shí)間段即為氣體釋放過程，此階段由于泄壓裝置中泄壓通道的完全打開使得氣壓陡降并恢復(fù)到正常壓強(qiáng)同時(shí)電弧熄滅溫度降低。這一階段的持續(xù)時(shí)間大約為10ms-1s，持續(xù)時(shí)間與繼電保護(hù)裝置和斷路器的開端時(shí)間有關(guān)。t3-∞時(shí)間段即為壓強(qiáng)穩(wěn)定階段，此時(shí)電弧熄滅，經(jīng)過完全泄壓后柜內(nèi)氣壓穩(wěn)定[5]。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與防護(hù)措施

有些SF6充氣柜具有防止電弧故障的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般在充氣柜的頂蓋、封 板、電纜室、母線室和斷路器室的柜體以及柜門等部位進(jìn)行防護(hù)。

電纜室的泄壓板設(shè)計(jì)可以采用自攻釘安裝固定，采用三層板組成下前門，采用高強(qiáng)度抗拉的掛鉤固定前掛門，電纜室的左側(cè)和右側(cè)為了應(yīng)對電弧故障可以采用多層板，同時(shí)可以起到對氣流的緩沖作用。泄爆板可以采用活門法，利用自攻釘進(jìn)行固定同樣減緩了氣流的沖擊，達(dá)到了防護(hù)的目的。

對于氣室的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于泄爆膜。不銹鋼板的強(qiáng)度較好，可以用于氣室的設(shè)計(jì)，泄爆膜的開啟的沖擊很大，安裝時(shí)要受力平衡，，后封板可以采用填料形式焊接，增加其強(qiáng)度。同時(shí)氣室中可以增加增加前后和上下拉桿，前后拉桿與后封板焊接，使其在安裝完成后成為一個(gè)整體，使氣室強(qiáng)度增加。

針對與頂蓋的設(shè)計(jì)主要可以分為兩部分，儀表室的頂蓋可以進(jìn)行全封閉式設(shè)計(jì)，從電纜室到母線室的地方可以對不銹鋼板進(jìn)行開孔泄壓。采用鋁板壓條及鋁鉚釘壓緊泄壓裝置，一旦發(fā)生電弧故障可以將其沖開泄壓，若未發(fā)生故障也可以起到有效防護(hù)的目的[6]。

四、結(jié)語

當(dāng)前，隨著社會的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國各地區(qū)的用電負(fù)量均在不斷增長，這使得供電可靠性的要求越來越高。SF6充氣柜作為配電系統(tǒng)中的主導(dǎo)產(chǎn)品其內(nèi)部電弧故障不可輕視。結(jié)合具體的故障實(shí)例進(jìn)行分析，總結(jié)出合理的處理方式和防范措施是解決問題的關(guān)鍵所在。

參考文獻(xiàn)

[1]李長庚，劉強(qiáng)興.SF_6充氣式開關(guān)柜特點(diǎn)分析[J].電工技術(shù)，2017（11）：89+91.

[2]周慧東，晁志剛.淺談SF_6充氣柜的柜體設(shè)計(jì)[J].電氣制造，2009（12）：38-39.

[3]王軍委，李如壁.中壓SF_6充氣柜密封性能研究[J].通信電源技術(shù)，2020，37（10）：49-50.

[4]獨(dú)田娃，徐忠秋，季茂芳，周程，陳龍.SF_6全絕緣充氣環(huán)網(wǎng)柜的技術(shù)問題淺析[J].機(jī)電工程技術(shù)，2013，42（10）：63-65.

[5]李曉松.SF_6充氣柜內(nèi)部電弧故障的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與防護(hù)措施[J].中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2016（01）：271.

[6]方文波.中壓柜內(nèi)部電弧故障的防護(hù)措施探討[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2017，7（23）：28-29+35.