中压开关柜内部电弧影响及防护 (三）

1. 5       内部电弧故障的防护方案

2. 5.1 被动解决方案

IEC62271-200 标准定义了开关设备的 IAC 等级，开关柜必须在 0.1 到 1s 的时间内承受 20kA 到 50kA 的内部故障，保护范围定义了 F 前面 L 侧面 R 后面，通过条件是门和盖不能被打开，在测试的时间内，不会发生外壳破裂，飞溅电弧不会引垂直、水平燃指示器，不会飞出大于 60G 的物体等情况才算通过。 IAC 等级开关柜将发生电弧故障的损失降至最低，这是一种被动保护。发生内部电弧故障后的开关设备损坏严重，更换发生故障后的开关设备并重新通电将至少需要 100 个小时。

开关柜门板、侧板、封板等必须可以承受内部电弧产生爆炸的超压，而压力直接喷出柜顶，由于距离短，反弹压力大，同样破坏力强，采用压力释放通道可以保护操作人员免受冲击波伤害。柜顶压力释放通道如图 3 所示。在欧洲及拉美地区对内部电弧释放有明确规定，对于内部电弧等级 40kA 及以上的开关设备，一定要采用泄压通道释放压力到配电室外部；对于 31.5kA 的内部电弧故障，需采用缓冲装置释放，即开关柜内部的压力先释放到缓冲隔室内部，然后在释放到外部；而对于 25kA 及以下等级的内部电弧可以直接释放到开关柜外部。对于一些特殊场合的应用，如船舶、煤矿等，需要将压力、火焰、燃烧颗粒等释放到独立的空间可以保证安全。

图 3 具有压力释放通道开关柜的内部电弧故障试验

1. 5.2    主动解决方案

通过从数字保护继电器获取信号来通过光学传感器，压力传感器或辅助开关检测内部电弧发生，发送信号使断路器跳闸，由于断路器的固有分闸时间长，断路器跳闸和切断电路大约需要 100ms 。这种方案可以使内部电弧的热效应结束，不会继续对开关柜内部元件进行破坏，提供良好的烧穿保护，但此时开关柜内的内部压力早已达到峰值，并且该压力将造成的任何物理损坏已经发生。作为减少进一步损失的措施，是有效的，例如可以避免火烧连营造成的巨大损失。因此开关柜同样需要抵抗电弧产生的压力造成损坏的能力，也就是说开关柜都必须具备一定的耐电弧等级机械强度，设立泄压盖板以及压力释放通道等，内部电弧发生时，作用在门板上的冲击波负压达数兆帕，这么大的压力，缺乏固定的盖板、门板都会被冲开，人在这样的冲击波压力面前必然造成伤亡，因此带有弧光保护的开关柜必须保证不被冲开，而可以不用考虑小空隙造成的泄露和盖板等变形，不需要考虑加绝缘板等屏蔽可能产生热效应造成烧穿。

1. 5.3 内部电弧故障的创新解决方案

内部故障的创新思想是将电弧能量快速转移成为接地导体短路上，由导体继续承担短路能量，这种方案可以在 4ms 左右的极短时间内熄灭电弧。也就是说电弧在未获得大量能量前就会消失，能量转移到接地的导体回路上，不会发生爆炸造成的机械迫害，更不用考虑电弧热效应造成烧损。

UFES 、 SIQuench 等超快速接地开关如图 4 所示，是由电子单元和相应的主开关元件组成的设备的组合，在发生故障时，这些主接地开关元件会引发对地的三相短路。主开关元件的极短开关时间与故障的快速可靠检测相结合，可确保在电弧故障发生后几乎立即将其熄灭。

 

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?图 4 快速接地开关及其在电缆室的安装

ARC TERMINATOR 系统将电弧故障的影响限制在起始点。当检测到电弧时，高速真空开关闭合，创造了与电弧平行的金属导电路径，燃烧的明弧被熄灭，防止了破坏性压力的形成，电弧故障释放的能量大大降低了。

创新主动防护方案的好处有，客户不需要 IAC 等级开关设备和泄压通道，大大降低了设备成本，检查开关设备并消除了产生电弧的原因之后，即可以恢复送电，极大的减少了停电造成的经济损失。

 

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1. 6.       结语

中压开关柜内部电弧等级是关系到人身安全的重要指标，内部电弧故障的破坏力很强，电弧可以通过开关柜顶部泄压孔释放压力，一般开关室屋顶净高需要不小于 4000mm ，距离过小或由于某种原因开关柜丧失抗内部电弧能力，则安全距离就是十分重要的。

1. a)      按照 IEEE 1584 经过计算 31.5kA 内部电弧故障的安全距离是 7.75 米， 40kA 的安全距离是 10.06 米；

2. b)      按照爆炸理论，计算 40kA 内部电弧的安全距离是 11 米；

3. c)       通过试验数据，经过 CFD 模拟分析， 40kA 内部电弧，距离泄压通道释放口的安全距离是 6 米；

对于内部电弧的防护，根据不同应用可以采用不同的措施。

1. a)      采用抗内部电弧故障持续时间 1s 的开关柜，配合常规保护装置，安装水平泄压通道，将压力释放到外部安全的空间范围内，此种防护，火灾、爆炸仍然会发生，由于存在开关柜门锁未正确关闭等潜在风险，仍有可能造成人员重伤的严重后果；

2. b)      采用弧光保护装置等快速保护继电器，断路器一般需要 100ms 断开电弧能量源，同样需要采用抗电弧开关柜以抵抗爆炸冲击波的破坏，但可以不需要考虑热效应造成的烧损，对设备和人员的影响有限；

3. c)       采用内部电弧故障的创新防护方案，持续的弧光及过流监视，当出现内部电弧时，通过可控的装置将三相短路，使开关设备在 4ms 内接地，从而使电弧消失，大幅降低压力上升，热损伤的急剧减少，开关柜无需承受内部电弧造成的机械冲击和后期的热效应破坏，预计不会有任何伤害后果。

4. ===END===