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KYN450,KYN550中壓開關柜內部故障試驗的現象分析


摘要:內部電弧故障試驗是高壓開關柜的強制試驗項目(適用時),內部電弧故障能量大、對開關柜及門板蓋板沖擊壓力大;且由于電弧的質量輕、電弧發生的復雜性,試驗中有很多不確定性。本文通過對十年來30余次內部燃弧故障試驗發生的一些現象、問題進行總結,結合客戶需求和實際應用對抗內燃弧故障開關柜的設計進行。

引言

對于中壓開關設備,根據IEC62271-200、GB/T3906等標準規定,內部電弧故障試驗已經成為適用時的強制試驗項目, 中壓開關設備關系到操作人員的生命安全,每年有大量的人員傷害和財產損失與內部電弧故障相關,越來越多的客戶要求高壓開關柜必須具有內部故障等級并通過相應的內部故障型式試驗。

KYN450,KYN550,開關柜

燃弧時的能量

壓力測量

為了指導開關柜的設計,通過采用HONERWELL的壓力傳感器在試驗過程中數據采集,得出關鍵部位的較大壓力和較大壓力發生的時間。

壓力數據如下:

中置柜內燃弧壓力釋放順暢時,

31.5KA/1s的IAC試驗,開關隔室門較大壓力0.102Mpa @11.2ms;

電纜室頂蓋板0.0877Mpa @ 18.2ms;

40KA/1s IAC試驗時,后蓋板較大壓力0.229Mpa@8ms。

對于壓力釋放不通暢的充氣柜,母線室氣箱壓力釋放朝下部,通過柜底部的水平通道引致開關柜端柜兩側的垂直泄壓通道,再連至柜頂部的水平壓力釋放通道釋放到戶外。如圖1所示,內部故障試驗時,由于存在壓力的反彈,對安裝在柜底部水平泄壓通道的壓力傳感器數據分析,可以看出共出現3波壓力上升值,明顯反映出燃弧故障發生時電弧釋放的過程,首先母線室壓力釋放到底部,然后反彈(1),20ms左右壓力到達0.23Mpa,進而壓力沖擊波回彈到到側面垂直通道,壓力達到較大值(2),即50ms左右壓力0.5Mpa, 反彈后后續壓力釋放形成第三波壓力,壓力值回到0.2Mpa,而后隨著壓力逐步減小至平穩。

電弧是強功率、高溫度(可達20000度),破壞力極強,任何氣體和固體材料都不能耐受電弧燒灼,在此情況下,金屬會熔化、蒸發,零件表面嚴重變形,絕緣材料氣化,分解出有毒氣體,開關柜內部燃弧時,電弧能量是巨大的.電弧是質量極輕的等離子體,在電動力和熱氣的作用下,可在柜內高速移動,因此電弧故障范圍廣并能迅速轉移擴大。在最嚴重時,可將一排開關柜完全燒毀,造成火燒連營的重大事故。

電弧長度在越寬的開關柜、相對空間越大的隔室里,電弧長度越長,即使燃弧電流不大,但產生的能量非常大,因此,開關柜的設計需要充分考慮限制電弧的長度,如一種開關設備相間及對地完全采用GPO-3耐電弧絕緣板完全阻隔,試驗證明,隔板阻止了電弧的蔓延長度,電弧能量明顯減少。

弧根轉移

電弧是質量極輕的等離子體,弧根可沿導體跳動和轉移,因此電弧轉移就是燃弧試驗過程中經常出現的現象。

2000A 50kA800mm 寬和4000A 50kA 1000mm寬開關柜燃弧試驗為例,介紹電弧轉移現象既然800mm寬的開關柜通過50kA燃弧試驗,為什么1000mm寬的還需要試驗?

原因主要有

不同寬度的柜體燃弧能量不同,不能以800mm寬開關柜做過50kA/1s的內部故障試驗,1000mm寬就可以不做,因為能量不同,雖然1000mm寬空間大,泄壓板面積大,但由于內部電弧長度不同,能量不同,不能證明800mm寬通過試驗1000mm寬就一定能夠通過試驗;IEC62271-307也規定IAC型式試驗小的不能覆蓋大的,因此需要對4000A 1000mm寬開關柜進行試驗;

4000A采用強制風冷,手車室、母線室頂部有強制風冷風扇,風扇對壓力釋放的影響需要試驗驗證。

試驗中的電弧轉移:

2000A 50KA 手車室燃弧試驗

手車室試驗,短接在斷路器下部觸臂的根部,

正常實驗結果應該是在觸臂根部持續燃燒,把觸臂燒蝕甚至燒斷,但是燃弧試驗后發現觸臂燒蝕很少,而發現燃弧發生在斷路器極柱頂部的散熱器與開關柜手車室上部IP護板之間,2000A極柱頂部鋁合金散熱架幾乎完全燒掉,這是因為下觸臂三相圓銅棒雖然引弧成功,但電弧很快向電流回路絕緣強度相對低的部位轉移,因此電弧弧根轉移到散熱架上并持續燃燒。

1. 4000A 50KA 手車室試驗,短接在斷路器下部觸臂的根部,由于觸臂是環氧硫化絕緣,因此打磨掉環氧層,露出金屬進行短接。

2. 4000A 50kA 燃弧試驗后根部同樣沒有燒蝕,而發現母線室大彎板下部通風長腰孔處燒蝕嚴重,原因分析是電弧同樣向絕緣強度較弱的地方轉移。

3. 由于存在電弧向絕緣相對薄弱的地方轉移的現象,EATON公司發明了--用于開關柜的防燃弧機構,人為設計引弧點,當內部燃弧故障發生時,使電弧在指定點燃燒,從而降低電弧長度和能量,保護開關設備。

內部故障時壓力的限制措施

在很多特殊應用場合要求開關柜出現內部燃弧故障時,不要有過大的壓力和火焰釋放,如船舶、地下空間、化工等場合,也沒有條件采用如壓力釋放通道等措施將電弧壓力釋放到指定空間,因此要求“零電弧釋放”,即需要開關柜采取措施限制釋放到開關柜外部的氣體壓力和電弧火焰,GB3906標準也說明,對戶內設備,由于金屬封閉開關設備內部故障產生的電弧可能會導致開關設備安裝房間內過壓力,需要設備設計時予以考慮。

采用電弧吸收器可以降低釋放壓力,減少火焰釋放到開關設備房間,通過使用具有吸收表面積達9m2的陶瓷割斷并過濾氣體壓力和火焰。也有通過鋼板加陶瓷片制成迷宮型式的吸收器, 開關柜內部故障釋放的壓力降低70~80%,對開關室建筑的影響顯著降低,對比31.5kA/1s燃弧試驗,未裝吸收器的壓力達到110mbar,而安裝了吸收器的壓力只有38mbar,明顯減少,從而大大減少了對建筑和人員的傷害。在環網柜后部壓力釋放通道頂部安裝有蜂窩陶瓷組合的吸收器進行內部故障試驗,也有效的降低了沖出的氣體壓力和火焰,需要指出的是增加了電弧吸收器的開關柜,與直接快速壓力釋放板打開的開關柜比較,火焰和壓力明顯減少,但也意味著壓力釋放時間會減慢,因此柜體需要承受的壓力會增大,對于蓋板、門板等需要比壓力直接釋放的要加強。

抗內部燃弧故障開關柜的設計

開關柜的內部燃弧的能量是巨大,破壞力也是驚人的,因此開關柜的結構設計就顯得非常重要,合理的設計會保證壓力釋放迅速,減少對蓋板、門等的沖擊,減少噴出火光對人員、其它設備的破壞;如電纜室內部燃弧故障,一般8ms內應該達到釋放,內部壓力應達到峰值,增加1ms也會對設備增加破壞,可能造成人員傷亡。

· 

釋放通道的設計

· 

釋放通道應足夠大,對于IAC AFLR31.5kA/1s截面積應大于0.2m2,通道應流暢,適合氣流快速通過,例如設計設計斜面等,增加氣流進入喇叭口等;無阻擋,避免如電流互感器、接地開關、橫梁等安裝在通道內阻擋氣流通過。

· 泄壓蓋板的設計

泄壓蓋板應有足夠的強度,薄弱環節處不要過于脆弱,防止弧光沖出時沖斷,泄壓板飛出,重量大于60g的物件飛出就算試驗失敗,不用擔心沖不開,只要釋放通道流暢,沖出的壓力是巨大,如分析二中介紹;不建議一端采用鉸鏈方式,內部故障發生時,柜體內部各個方向均承受著沖擊波的沖擊,沖擊波可以通過隔室間的任何孔隙,基本上是柜頂的泄壓板都會打開,打開時需要保持在垂直位置,如薄弱環節折彎處會保持在適當位置,而鉸鏈蓋板打開后無固定在一個位置,可能造成隔室泄壓蓋板打開時互相干涉,影響泄壓效果;特別是40kA或者50kA的內部燃弧故障試驗。

· 柜頂部防護的設計

按標準GB/T3906-2006規定除非制造廠規定了更大的最小間距,否則需要距柜頂部600mm處安裝模擬天花板進行試驗(新標準GB/T3906-2020已經取消了600mm的要求,IEC62271-200標準還有此規定),內部燃弧火光沖出后會從天花板反彈從而點燃試驗的水平指示器,造成試驗失敗,特別是母線室內部故障,母線室距柜頂較近,釋放迅速,瞬間沖出能量大,雖然在柜中間,仍然會反彈燃燒水平指示器。主要有以下幾個解決方案:

安裝反射擋板,把壓力、火焰擋在柜頂范圍,典型設計如“中國館”,漏斗型式安裝在柜頂部,也有設計指定釋放方向,使噴射火光越過水平指示器;

緩沖空間,壓力火焰在此空間內聚集再釋放,壓力明顯減少,基本無反彈;而且可以滿足IP44等頂部防護等級的要求。

設計壓力釋放通道,把電弧光引出開關柜室外。

通風孔的防護

對于操作孔,抗燃弧柜需要采用蓋板,擋板等方式擋住,只有在操作時打開;而對于柜內通風進口,需要一直開啟,特別是大電流的柜子,即要保持持續新鮮冷空氣進入,當內部燃弧故障發生時,又要快速閉合,保證火光不會噴射,引燃指示器,燒傷人員。一般來說,小的燃弧電流,如25kA 0.5s,向下的百葉窗沖出的火光不會引燃指示器,大電流時沖出火光較多壓力大,反彈后會引燃指示器,必須設計擋板快速封堵。

對于大電流柜頂部安裝風機的設計,可以在風機周邊設計壓力釋放板,通過特定釋放方向,也可以使風機盒子向上打開釋放壓力。

結語

中壓開關柜內部燃弧等級是關系到人身安全的重要指標,嚴格按照標準要求進行試驗,不弄虛作假,如把柜門從內部鎖死,封板焊接在框架上等做法來通過試驗,在實際生產產品時則偷工減料,不滿足內部故障等級。還有應按照標準設置模擬天花板,真實模擬實際情況進行試驗,在沒有天花板時,壓力、火焰可以直接上沖,沒有反彈,落下時已經接近熄滅,不會點燃水平指示器,而有了距柜頂600mm或其它尺寸的模擬天花板,試驗時就不僅要保證開關柜沒有燒穿,柜門等沒有打開,垂直指示器沒有被點燃;還需要滿足反彈不造成水平指示器點燃和大于60g的部件噴出的判據要求;通過了試驗的天花板與柜頂間的距離將作為產品實際應用時的標準,產品不能用于小于該距離的環境,否則將造成人身傷害;而有些應用需要較小的柜頂距離,這時就要設計反射板等措施保證安全,或吸弧裝置降低壓力、減少損害。燃弧試驗時有些現象是可以被利用的,如弧根的轉移,人為設計絕緣相對薄弱點將電弧引致指定位置和空間,就可以減少故障對開關柜的破壞程度。抗燃弧柜設計需要充分考慮氣流、沖擊波等因素,對于大電流柜還要充分平衡通風與內部故障影響的關系,保證產品滿足內部故障要求,實實在在通過內部故障試驗。

 


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