中压开关柜内部电弧影响及防护 (二）

1. 3.       电弧的破坏

电弧故障在开关柜内部的破坏有两个阶段：爆炸和烧穿，这两种现象在两个不同的时间范围内发生。耐内部电弧开关设备必须抵抗由于内部电弧故障发生时产生的这两种破坏，第一个是爆炸阶段，内部压力在电弧开始后的 5 ~ 20 毫秒内达到峰值，压力冲击波造成的任何损害都将在这一时间范围内发生，这一阶段主要是机械破坏，在开关柜侧板、门板产生的负压达数兆帕。第二个阶段是热效应，耐电弧持续时间为 1 秒，在这期间电弧能量持续增加，压力已经通过泄压通道释放到开关柜外部，但电弧能量持续作用， 直到电弧熄灭 , 这一阶段电弧向柜内结构件转移 , 导致柜内部母线、金属元件、绝缘件熔化、甚至汽化。如图 1 所示， 100ms 电缆开始燃烧， 150ms 铜材开始燃烧，到 200ms 钢材也会开始燃烧，同时开关柜内部有大量用于绝缘的相间隔板，如果隔板阻燃等级低就会造成开关柜内部持续燃烧，即使电源切断后仍然继续燃烧，从而烧损故障及相邻设备。

图 1 内部电弧热效应的影响

1. 4.       爆炸过程的安全距离

操作人员应在操作期间站在相对于安全的位置，并配备适当的个人防护设备 (PPE) 。 PPE 包括用于保护危险区域工人的任何衣服或设备。 NFPA 70E 是用于确定带电部件周围的冲击和闪光边界的标准。带电部分周围有 3 个同心圆，它们是电击保护、闪光保护的边界。 NFPA 70E 《员工工作场所电气安全要求标准》， NFPA 根据工作人员从事特定工作时脸部和胸部与潜在电弧源的距离来定义依法带电接触等级。工作人员使用耐火防护服及个人防护装备，根据特定工作的易发带电接触等级，需穿着足够防护等级的装备，个人防护用品 （ PPE ）所需的额定值可以通过故障能量来确定。从 0 到 4 的五个风险类别，其中 4 是需要最高级别的保护。 NFPA 70E 计算的故障能量值比 IEEE 1584 要低，因为 IEEE 1584 不考虑限流断路器，限流断路器减少了断路器的开断时间，从而减少了故障能量，通过降低允通能量和峰值电流，来计算故障能量，标准化的入射能量用于通过方程获得给定距离和电弧时间在垂直于表面的入射能量。

4.1 IEEE 1584 《电弧闪光危险计算指南》 是一种用于计算事故能量的标准，即辐射到表面上的热量，以每平方厘米的卡路里数或焦耳数为单位。入射能量是电弧故障电流的函数，入射能量 (Cal/cm ² 或 J/cm ² ) 用于测量辐射到表面上的热量，发生 2 度烧伤的闪燃危险边界点的入射能量是 1.2 ca/cm ² 或 5J/cm ² ，给定距离和电弧时间在垂直表面处的入射能量通过方程（ 1 ）计算。

式（ 1 ）中 E= 入射能量（ J/cm ² ）， Cf 系数： =1 （电压 >1kV ）， =1.5 （电压 <1kV ）

t= 电弧时间（ s ）， D= 距离电弧距离（ｍｍ）

ｘ = 距离指数） =0.973 （电压 >1kV ）， =1.473 （电压 <1kV ）

En ：典型电弧放电时间和工作距离的事故能量（ J/cm ² ）（电弧持续时间 0.2s ，距离电弧 610mm ） ，通过公式（ 2 ）（ 3 ）计算。  

式（ 2 ）中 Ia= 电弧电流（ kA ）， G= 导体间隙（ mm ）

式（ 3 ）中 Ibf= 导体短路三相故障电流 rms （ kA ）

以 31.5kA 0.2s 为例，计算未穿戴 PPE 发生 2 度烧伤弧闪保护边界距离 Db 如下：

通过计算得出，发生内部电弧故障 IAC 31.5kA 时，只有距离弧闪点大于 7.75 米才能保证安全。

 

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1. 4.2    基于爆炸冲击理论的安全计算

开关柜的内部电弧故障相当于容器内的爆炸，爆炸是一种极为迅速的能量释放过程，能量瞬间释放导致产生的高温和高压，在爆炸产生的高压的推动下，爆炸点周围的那一圈空气就会向四周扩散，由于爆炸释放的能量特别大，爆炸物向外扩散的速度会超过声速，爆炸点挤压周围空气的速度，会远远超越空气向外传递压力的速度，这就是爆炸产生的冲击波。爆炸冲击波以起弧点为中心快速传导，隔板、柜体、门板、盖板等受到巨大的冲击。当压力释放盖板打开瞬间，压力得以释放。

当压力释放板打开时，巨大的冲击波伴随着气化的高温粒子等会对开关室的产生一定程度的破坏，笔者曾看到在 35kV 开关柜内部故障后， 10 米高的开关室顶部灯罩、墙皮全部脱落，冲击波顺着电缆沟一直到主变室，造成主变天花板脱落，可想而知冲击波的压力是巨大的。

通过爆炸冲击学原理计算开关柜内部故障事故爆破波对开关柜顶部的破坏压力及危险程度进行分析，封闭容器爆炸时，爆破能量在向外释放时以冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能量 3 种形式表现出来。后二者所消耗的能量只占总爆破能量的 3 ％～ 15 ％，也就是说大部分能量是产生空气冲击波。一般根据冲击波超压Δ p 值，确定对人员和建筑物的伤害一破坏作用。冲击波超压达到 0.1~0.2Mpa 时会造成钢筋混凝土破坏，房屋倒塌，而超压达到 0.2~0.3Mpa 时，大型钢架结构破坏。超压大于 0.1Mpa ，大部分人死亡。 1000kgTNT 炸药爆炸时的冲击波超压如表 1 所示。

表 1 1000kg TNT 炸药爆炸时的冲击波超压

下例以金属封闭开关柜发生 40kA 内部电弧故障为例计算产生的超压：

• 首先根据开关柜内所装介质的特性，计算出其爆破能量。开关柜的内部故障能量可以通过弧电压与短路电流计算得出，以开关柜压力释放盖板 10ms 打开为例，计算及试验数据得出 E=38000kJ ；已知 1000kg TNT 炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压如表 1 所示，将内部电弧故障能量等效于 TNT 炸药重量，通过 1000kg 炸药模拟比算出等效于冲击波超压。

• 1kgTNT 爆炸所放出的爆破能量为 4230kJ ／ kg ～ 4836kJ ／ kg ，一般取平均爆破为 4500kJ ／ kg ，故其关系为：

根据表 1 距离爆炸中心 55 米的超压是 0.0205Mpa ， 0.08Mpa 可使砖墙倒塌，人内 脏严重损伤， 0.02Mpa, 会造成墙裂缝，对人体有轻微损伤。 因此对于内部电弧故障 40kA ，大于 11 米才能保证人员基本安全。

• 通过 CFD 计算机模拟内部电弧故障，人体耐受压力暴露极限是 1723 帕斯卡，假定保证人身安全的安全系数是 5 ，因此压力限制是 345 帕斯卡。根据内部电弧故障试验数据，电弧电缆室 40kA 1s 内部电弧故障喷出通道的压力是 250kpa ，采用 CFD 模拟距离泄压通道出口的压力，如图 2 所示，距离端口 5 米处压力是 428pa ，因此安全距离是 6 米。

图 2 内部电弧故障压力模拟图

==To be continue