摘要：由于開關(guān)柜內(nèi)部的凝露、污穢、動物侵入、絕緣材料的失效(老化、機械損傷等) 等原因會造成內(nèi)部電弧故障。當發(fā)生內(nèi)部電弧時, 開關(guān)柜需要先后承受巨大的機械沖擊和熱效應(yīng)的作用，按照IEEE 1584防范電弧危害的安全距離計算，以及爆炸理論和基于試驗數(shù)據(jù)的CFD模擬分析，都證明內(nèi)部電弧初期的沖擊波產(chǎn)生的壓力會對10米內(nèi)的人員造成重大傷害，后期熱效應(yīng)會使開關(guān)柜內(nèi)部金屬、絕緣件燃燒、氣化直至完全燒毀。內(nèi)部電弧的人員保護以及限制應(yīng)采用具有IAC等級的開關(guān)設(shè)備、弧光保護裝置來切斷電源，創(chuàng)新解決方案是將電弧故障轉(zhuǎn)化為接地導(dǎo)體短路故障，熄滅電弧則可以從根本上減輕甚至消除內(nèi)部電弧機械和熱效應(yīng)危害。
0. 引言
電弧閃光是兩個帶電導(dǎo)體之間或?qū)w與地之間通過空氣的短路連接。當空氣電阻發(fā)生電擊穿時，就會發(fā)生這種連接?？諝庾兊秒婋x并具有導(dǎo)電性，并且是最高溫度達到 20,000oC的過熱等離子體。當系統(tǒng)中有足夠高的電壓，通過空氣擊穿路徑到達低電壓一端時，就會發(fā)生電弧閃光。它以熱、光和爆炸性爆炸的形式釋放大量能量。
1. 電弧故障的形成
關(guān)于“電弧故障”或“電弧閃光”，要了解電弧故障實際上是什么以及它如何影響開關(guān)設(shè)備，必須首先了解電弧故障與另一種“導(dǎo)體故障”的故障之間的區(qū)別。導(dǎo)體連接故障基本上是通過兩個不同相位之間或相位與接地導(dǎo)體之間的高導(dǎo)電介質(zhì)造成的完全短路，即短路電流流經(jīng)的是相間銅排或銅排與大地。
眾所周知，電弧故障是非常危險的，它與導(dǎo)體短路故障截然不同。電弧故障也是相間或相與地之間的短路，但這次短路電流流經(jīng)空氣，而不是流經(jīng)銅等實際導(dǎo)電材料。發(fā)生電弧故障時，故障位置的溫度會立即升高至20000oC以上（銅的熔點為1083oC）。由于溫度迅速大幅升高，內(nèi)部組件汽化，形成過熱的氣體球，導(dǎo)致破壞性爆炸，爆炸是一種極為迅速的能量釋放過程，能量瞬間釋放導(dǎo)致產(chǎn)生的高溫和高壓，在爆炸產(chǎn)生的高壓的推動下，爆炸點周圍的那一圈空氣就會向四周擴散，由于爆炸釋放的能量特別大，爆炸物向外擴散的速度會超過聲速，爆炸點擠壓周圍空氣的速度，會遠遠超越空氣向外傳遞壓力的速度，這就是爆炸產(chǎn)生的沖擊波。爆炸沖擊波以起弧點為中心快速傳導(dǎo)，隔板、柜體、門板、蓋板等受到巨大的沖擊。當壓力釋放蓋板打開瞬間，壓力得以釋放。當壓力釋放板打開時，巨大的沖擊波伴隨著氣化的高溫粒子等會對開關(guān)室的產(chǎn)生非常大的破壞，筆者曾看到在35kV開關(guān)柜內(nèi)部故障后，10米高的開關(guān)室頂部燈罩、墻皮全部脫落，沖擊波順著電纜溝一直到主變室，造成主變天花板脫落，可想而知沖擊波的壓力是巨大的。
開關(guān)設(shè)備的設(shè)計、試驗額定值能夠承受可能發(fā)生的導(dǎo)體短路故障電流水平，因為與空氣相比，相間導(dǎo)體的電流阻抗更低，因此導(dǎo)體短路故障水平是高于電弧故障的，導(dǎo)體短路沒有電弧產(chǎn)生。開關(guān)設(shè)備的設(shè)計能夠確保導(dǎo)體故障電流不超過導(dǎo)體的最大載流量及發(fā)熱量，因此，設(shè)備不會因故障而損壞。通過計算可以算出銅排承受短路電流的能力，而且設(shè)計留有足夠的裕度以保證安全，如中壓開關(guān)柜導(dǎo)體回路的短時耐受電流水平31.5/40/50kA，耐受時間3秒。
2. 電弧產(chǎn)生原因及安全防護
電弧故障通常是由以下對開關(guān)柜內(nèi)部靜止系統(tǒng)的動態(tài)干預(yù)措施造成的：異物入侵、掉落的金屬件、絕緣介質(zhì)擊穿、機械故障、聯(lián)鎖失效導(dǎo)致的誤操作等，如果小動物、金屬工具等到達帶電導(dǎo)體附近，并且電弧通過空氣從導(dǎo)體跳到小動物或工具上，則可能會發(fā)生電弧。電弧也可能在開關(guān)柜的兩相之間傳播，導(dǎo)致相間故障，設(shè)備故障、絕緣間隙小和灰塵堆積都會導(dǎo)致電弧放電。如北京某變電站，操作人員將接地開關(guān)分閘后，隨手將操作手柄放在抽出式斷路器觸臂上，然后將斷路器推進到工作位置，推進過程中當手車動觸頭與靜觸頭距離過小，電氣擊穿放電同時引發(fā)三相短路，操作人員感覺不對沒有將手車繼續(xù)推進，而是選擇拉出手車，拉出手車意味著拉長電弧，電弧能量進一步加大，事故造成兩名操作人員98%的燒傷。
安全防護之一是必須控制電弧中釋放的大量能量，以最大限度地降低工人受傷和設(shè)備損壞的風險。電弧閃光期間會產(chǎn)生非常高的壓力。有時，這種壓力可以與炸藥相媲美，并可能對附近的人員、設(shè)備和建筑物造成損壞。在操作高壓設(shè)備之前，強烈建議操作員確保所有蓋板或門都已安全鎖定。這一點非常重要，很多開關(guān)柜采用螺栓鎖，一個門上有3~5個螺栓不等，螺栓全部鎖緊到位才可以承受內(nèi)部電弧故障，但如果沒有鎖緊到位，內(nèi)部電弧故障的沖擊波會沖開門板，造成巨大傷害，如某變電站開關(guān)柜，老鼠從電纜溝進入柜體，造成內(nèi)部電弧，由于只有一個螺栓鎖鎖緊，造成門板沖開，造成整個開關(guān)室的破壞。
