开关柜内电弧故障的物理过程简述

1.燃弧故障的几个物理阶段

开关柜内短路电流燃弧故障的物理过程可大致分为四个阶段：压缩阶段，封闭隔室内气体的压缩并伴随温度骤然升高；膨胀阶段，高温使气体膨胀，产生高压力的冲击波使柜体局部破裂或压力释放折板开启，在这两个阶段之间是持续0.2～0.3ms的压力释放折板（如果有）响应的时间；紧接着是烈焰和高压气体向外强烈喷射的喷射阶段，其中夹杂着可燃颗粒、金属蒸气，可能还有部件碎片，同时，柜内压力立即下降；最后是热交换阶段，它大约始自电弧出现后的几十毫秒，这时，柜内压力已经很低，可燃物体正在燃烧，有的金属部件发生熔化。如果柜内的绝缘材料阻燃性能良好，火焰在数十秒后可自熄，若材质不阻燃或阻燃等级低，燃烧将一直持续，必须人为灭火。据分析，燃弧产生的总热量约有95%以火焰喷射的形式发散出去，剩余部分以热传导和强烈的热辐射形式对外进行热交换。图3-58所示上述四个阶段定性的示意图。

2.基于爆炸气体动力学的计算

燃弧产生的爆炸冲击波具有的主要特点为：①超高压力和高温；②以超音速行进和传播；③在行进过程中有反射、绕射等现象。

图3-58　开关柜内燃弧故障几个物理阶段的示意图

利用爆炸气体动力学的基本原理和计算方法，有助于深入了解燃弧过程中不同物理参数之间的量值概念和它们的转换关系。为此，将电弧处理为一体积不大的爆炸源，当气体压力由利用一维非定常波运动的Hugoniot公式，可计算爆炸体向周围空气推进的冲击波波速v。

由

得

式中：p为冲击波的超压；Ms为冲击波波速v与波前气流速度v1的差相对于声速的倍数，即马赫数，柜内无通风时，v1=0，c1是声速，取340m/s，MS是衡量冲击波强度的参量，当MS≥1时，冲击波为极强的冲击波[21]。

表3-11给出了Siemens公司NXAIR型空气绝缘的开关柜断路器隔室中25～40kA燃弧1s时的有关参数估算值。当然，这是在试验持续1s内柜体里热量仍未与外界交换的假设条件下，按照密闭容器内理想气体绝热过程计算后得到的最高温度和压力升高的数值。实际上，在故障或试验时，由于随着压力的升高，在超过柜体板壁材料的机械强度使之破裂或压力释放折板开启后气体大量向外喷射，柜体内压力即刻随之减小，在实测中得到的数值都低于表中的数字，温升一般在10000～15000℃之间，最高压力不超过几个大气压。例如，一台Siemens 8BK型空气绝缘开关柜50kA燃弧试验时实测值为：柜壁板材的最大压强是10t/m2，在8.8ms时压力释放折板开启，这时最大压力为1.1bar（1bar=105Pa），0.1s时测量的温度为10000℃。

表3-11　25～40kA燃弧1s时产生的物理效应

注：1Cal≈4.18J。

柜内故障电弧的能量随设备安装点短路容量的不同以及故障类型（单相对地短路、相间短路、三相短路）不同而异，其中，三相短路电弧的能量最大。对于安装点短路电流在20～50kA的情况，这一能量一般在几兆焦耳至数十兆焦耳之间，可见其破坏威力之巨大。对电弧能量大小的概念可参阅图3-56（g）所示三相短路试验记录的电弧瞬时功率曲线。

为避免故障电弧烧损相邻的开关设备，对人员的安全造成威胁和对建筑物造成破坏，技术先进型开关柜在其断路器室、电缆室和母线室均设置了压力释放折板，其作用是在压力冲击波超过室壁材料许用强度之前折板准确地开启，将高温、高压气体定向喷出和排放，由此确保柜体不致破损和高温火焰从破坏处喷射出来。IEC 62271—200—2011和GB 3906—2006的内部电弧试验就是为考核与验证上述构造的可靠性而专门设置的，通常它又被称为燃弧试验。试验前，预先人为地在被试隔室内的相间导电部位用直径约0.5mm的金属线短接产生三相短路电弧，燃弧时间持续0.5s或1.0s（按不同柜型选择），以获得最大的电弧破坏能量。被试开关柜按其可触及类别，在其前、后和侧面以及柜前顶部布置支架，上面悬挂一定数量的用黑色棉布制成的指示器。燃弧试验合格的判据共5项，主要内容如下：

（1）门和盖板没有打开，柜体局部永久变形是可以接受的，只要该变形部分未触及模拟墙壁。

（2）在试验规定的时间内外壳没有开裂，喷出的小件物体单件不超过质量60g。

（3）电弧在高度不超过2m的可触及面上未形成孔洞。

（4）热气体未点燃指示器。如有摄像或摄影证实指示器不是由气体而是被灼热粒子点燃的，则也认为符合这一判据。

（5）外壳仍和接地点可靠连接。

燃弧试验的几张实况照片如图3-59所示，它们分别是柜顶只设置压力释放折板、柜顶再附加排气管和过滤器三种不同结构在火焰开始喷射时刻摄制的照片。这两种附加装置主要是为了用于如化工厂等严禁明火的场合，排气管尤其适合屋顶较低的变电站。

图3-59　在内部电弧试验中不同释压结构的开关柜

（a）顶部仅设置压力释放折板；（b）顶部设置压力释放折板和附加排气管；（c）顶部设置压力释放折板和附加过滤器

在燃弧试验中，最好使用帧频不低于1000帧/s的高速摄像机，它不但可观察燃弧的全过程，更重要的是能够记录到被试隔室压力释放折板从通电开始到开启释放压力经历的时间，该时间可用来结合表3-11中的数值估算出该时刻柜体与压力释放折板承受的冲击压力，对柜体选材设计有很大参考价值。

从大量实测中得到12kV空气绝缘开关柜中各隔室压力释放折板开启时间的统计规律是：断路器室为10ms左右，母线室4～6ms，电缆室十几毫秒到20ms之间。这是由于隔室的位置高低不等，因功能的不同内置的部件种类和体积大小也不同，因而压力冲击波行进到压力释放折板的时间不相等。其中，电缆室位于最底部，距柜顶最远，所以历时最长。

对于室壁承受压力的规律则是：断路器室和电缆室的弧压降都比母线室高。这是因为断路器室上方的容积大，电弧自然伸长有足够的空间，即EL大，燃弧产生的压力也较大；而电缆室则因其隔室容积小，释压通道最窄气流受阻大，所以一般室壁受压也较高。

通过前述5条判据的中压开关柜定为IAC级（Internal Arc Classified Switchgear and Controlgear）。为明确表示IAC级柜的可安全触及面与允许接近的人员，IEC 62271—200—2011规定开关装置有A（只有授权人员允许接近）、B（不限定人员，如公众允许接近）、C（柱上金属封闭开关装置）三类，开关柜的铭牌应完整地用字符标明IAC柜可接触表面（F—前面，L—侧面，R—后面）和允许人员，还要标明通过试验考核的电弧电流及持续时间。例如，一台开关柜试验的故障电弧电流为40kA（有效值），持续时间1s，安装在公共场合，试验时指示器位于前面、侧面及后面，应注明它的IAC级为：AFLR，40kA，1s。

燃弧试验限定的条件十分严格，在设计柜体相关部位的机械强度时，应对燃弧能量产生的压力进行估算，以获得较为接近符合判据要求的柜体板材和紧固件的强度。一种方法是根据物理学基本定律按下式计算电弧能量Wel，即

其中　ua=LE

式中：t1为燃弧开始到压力释放折板开启的时间间隔，可参照前述相关功能隔室压力释放折板开启时间的统计时间最大值，如断路器室取10ms，这样瞬时燃弧压力值最大，可使计算结果偏严格；Im取额定短路电流对称分量的幅值；ua为空气中的弧压降；E为弧柱场强，根据它在大电流范围内平均值趋于稳定的特点，可参考取图3-57中曲线的平均值13V/cm；L为电弧长度，按通常12kV开关柜内最大可能发生的电弧长度约40cm估计。

由E=13V/cm，L=40cm，则ua=520V。其他如Schneider公司则采用500V作为最大的弧压降值用于计算，此外，还使用以下的经验公式估算两相之间的弧压降ua

式中：L为电弧长度，cm；ρ为弧柱的电阻率，取1.25mΩ/cm；Icc是短路电流，kA[22-23]。

将求得的电弧能量W乘以0.24即转变为热量。隔室内空气可视为理想气体，按其比重、比热计算在压缩阶段中最后瞬间隔室中空气总量吸收焦耳热后的温升，然后代入气态方程求得燃弧压力p2（压强）。

式中：p1、T1分别为常态大气压和隔室内温度；V1、V2为隔室容积，因V1=V2，所以p2=p1T2/T1。又由于燃弧温度远远大于隔室温度，后者可忽略不计，于是上述的温升可直接代入式（3-6）中的T2。(www.xing528.com)

求得p2后，就可根据隔室板壁面积计算出燃弧的冲击压力。对照钢板的抗拉强度、紧固螺栓材料的力学特性与数量，可初步计算出钢板的厚度、螺栓的规格与材质要求。需要指出：已知的材料力学特性都是静态力作用下测量得出的数据，在冲击载荷下，其临界破坏强度要高一些，但具体数据无从查找，所以这种方法计算得到的设计参数比实际所需的要高一些，也就是对材料的要求更严格。

3.基于流体力学的计算

应用计算机技术，国外研究者推出了许多基于流体力学的计算燃弧压力的方法，其中最主要的是标准计算法、CFD法—流体动力学计算法（Computational Fluid Dynamics Calculation Method，简称CFD法），以及基于这两种方法进一步发展的改进型标准计算法和新CFD法。

（1）标准计算法。标准计算法的理论根据是流体动力守恒定律，并在假设加热密闭容器内理想气体燃弧能量是均布的前提下，建立了由于燃弧能量dWel=Pe/dt使气体压力升高dp的微分方程，即

式中：M为气体的分子质量，g；R为气体常数；V为隔室容积；cv为气体的定容比热；kp为dW中使压力升高的部分。

当压力上升到压力释放折板开启的瞬时，这时隔室内气体状态处理为一维理想气体从截面积S的喷口中喷射的数学模型，在时间间隔dt内从隔室中喷射出的气体质量dm用下式计算

其中　

式中：α为考虑气流分子之间摩擦和收缩的系数；ρn为喷口喉管截面处气体的密度；vn为喷口喉管截面处气体的流速；ψ为流出函数；k为气体的绝热指数；pn、pa分别为喷口喉部和隔室内部的气压。

按照式（3-8）和式（3-9），将相关参数代入后即能计算出隔室内气压升高值pa。

（2）改进型标准计算法。当小容积隔室内燃弧的高温导致气体分解与电离时，气体不能再按理想气体公式计算，必须考虑压力p、温度T和燃弧能量Pel影响气压变化增量d p的因素，于是增加了d p与这些因素的计算式，因而称作改进型标准计算法。

（3）CFD法。CFD法是基于流体动力守恒定律发展的计算方法。它将开关柜隔室的几何空间用有限元法分割成若干单元网格，建立三维数字模型，然后编写了包括气体定律公式和气体焓守恒公式在内的非线性方程组，其中守恒变量φ是代表质量m、动量p和焓的综合参数，它写成以下形式

式中：ρ为气体质量；φ为守恒变量；v为气体的速度；Γφ为φ的传输指数；Sφ为φ的源项。

CFD法考虑了气流、热传导、对流和压力波，以及气体的濡流和热量从气体到室壁或柜体的热传导等现象，为给气体混合建模，还适当增加了有关气体分解与电离过程的计算步骤。CFD法需要使用商业流场计算软件，最终得到隔室压力变化的曲线。由于CFD法较全面地计算了各个因素对隔室在活门开启前后物理过程的影响，所以它可计算出燃弧后室内压力变化的全过程。作为示例，图3-60所示为用CFD法对一台试验柜中4.5kA电弧持续1s的燃弧压力计算的曲线，引弧用的铜电极垂直布置，极间距离10cm[24]。曲线细致地描述了最大压力出现的时刻以及压力释放折板开启后压力降低和出现几个反射波的情况。

图3-60　用CFD法计算的燃弧压力曲线示例

（4）新CFD法。新CFD法与CFD法不同之处是它不采用简单的假设和忽略气体建模中的一些细节问题，也不对研究对象的尺寸加以限定，因而可更加准确地描述燃弧过程中压力的变化过程。但这样所需的计算时间特别冗长，影响了它的实际应用。

必须指出：由于开关柜隔室内安装的元器件体积和位置不尽相同，电弧运动方向和拉伸长度也不相同；从冲击动力学的理论得知，压力冲击波在行进中有着正反射、斜反射和绕流等复杂的行为，有时，当很强的入射冲击波在刚性壁面上反射时，反射波面上的压力甚至超过入射波的数倍[25]。

同时，目前还无法用试验或计算法准确地得到隔室板壁和紧固件材料在燃弧冲击波载荷时的机械强度值，这些随机因素影响了由物理概念推导的最大压力估算值，同样也影响着用流场计算软件推导结果的准确度。

另外，以上各种计算方法由于选用的变量以及边界条件（外界环境等）的不同，致使对同一研究对象的最大压力计算值有着很大差别。文献[26]的作者在一间有9台开关柜的室内变电站进行了详细的燃弧压力计算和试验研究，对应变电站建筑平面形状（矩形和长方形）和容积大小（50～300m3）的变化、故障隔室位置的不同以及开关柜到建筑物四周墙壁距离的不同，用CFD法和改进型标准计算法分别计算空气绝缘（AIS）和SF6气体绝缘（GIS）两种柜内在各种相同的变化条件下出现的最大压力，比较结果表明：在AIS柜中，改进型标准计算法的计算值比CFD法的低30%～80%；而在GIS柜中，改进型标准计算法的计算值比CFD法的计算值高22%～32%。

4.获得燃弧信息的其他方法

通过上述分析得知，各种方法得到的结果均是概念性的参考数字，有的比较接近真实的结构参数，有的差距很大。因此国外公司如Siemens和ABB公司在工程实际中，在柜体防止故障电弧破坏相关结构的定型设计之前，进行一两次甚至数次探讨性燃弧试验是十分必要的步骤。除为了校核柜体结构的机械强度、修正事先计算的参数、选择折板开启的临界机械强度和隔室板壁机械强度之间合理的配合裕度之外，还有一项重要的目的，即观察断路器室门门缝和侧壁板缝中是否有火焰喷射点燃指示器导致试验失败的情况出现。因为这是无法用任何计算法预计的，只有通过试验观察才能获得有用的信息。

图3-61　用于燃弧试验的高灵敏压力传感器与数据采集装置

为在燃弧试验中得到准确的信息，一种先进的手段是采用高灵敏压力传感器和记录仪器，由此可获得精确的动态压力变化曲线，这可给设计者提供高可靠度的数据。用于开关柜燃弧试验的压力传感器和数据采集装置如图3-61所示。作为示例，图3-62所示为三种不同形态的实测动态压力曲线。

图3-62　燃弧试验实测的几种典型动态压力曲线

（a）Secocube型C-GIS断路器室气箱；（b）Secocube型C-GIS母线室气箱；（c）NXAIR型真空接触器柜开关室
（注：信号电压1mV对应1.17MPa）

图3-63　Secocube型充气柜的侧剖面

图3-62（a）、（b）分别是一台额定电压为36kV的Secocube型充气柜（CGIS）断路器室和母线室在31.5kA、0.5s燃弧试验中记录的动态压力曲线。试验时气箱中未充SF6气体，即该燃弧过程是在空气中进行的。图3-63所示为Secocube型充气柜结构的侧剖面，各个隔室置于钢板制成的柜体中，图中还标明被试隔室（气箱）释压膜及压力传感器的位置。从气箱中喷射的气体经位于柜体内两侧的释压通道和与其相接的排气管排放。图3-62（a）所示为1号传感器记录的曲线，它表明断路器室气箱内燃弧7.4ms后压力上升到最大值0.60MPa，随后气箱的释压膜动作，气体进入释压通道。由于断路器气箱位于顶部到释压通道的距离很近，所以高压气流刚一排出气箱，压力就迅速下降到一极低的数值，历时约500ms逐渐减弱至零。

母线室气箱的释压膜位于它的底部，2号压力传感器安装在柜体底部面对释压膜的位置，图3-62（b）所示为它记录的压力变化过程。曲线描述了在燃弧开始约3ms后气箱释压膜刚一破裂的刹那，相当于气流从一个“喷嘴”喷出，记录了底板的压强上升到0.234MPa的一个尖峰；随后释压膜完全打开，“喷嘴”的截面迅速扩大了若干倍，而这时燃弧不久，气箱内能量积聚较少，气流的压强随该截面的扩大有一个短暂降低的过程，但随着燃弧能量的积聚增大，气流的压强立即增加直至它折返方向沿释压通道向顶部行进经排气管大量喷射出而止，这一过程持续了约30ms，压力达到的最大值为0.576MPa。与断路器室气箱相比，母线室气箱的位置最低且释压膜开口向下，气流在行进到柜顶的路径历时很长并有强烈的反射现象，于是在曲线上最高峰值之后约130ms处出现了一个反射波。

图3-62（c）所示为一台额定电压为7.2kV的NXAIR型真空接触器柜开关室的动态压力曲线。传感器固定在侧壁上，三相短路电流为40kA，持续1s。因为短路电流受到与真空接触器串联的限流熔断器（HRC）强烈的限流作用，在第1个工频半波内即被迅速遮断，电弧熄灭因而其能量极为有限，所以可观察到压力持续仅几十毫秒即降到零而没有像图3-62（a）、（b）中所示那样压力逐渐相对较缓慢下降的过程。

与空气中的燃弧相比，在SF6气体绝缘（GIS）柜中，由于SF6气体的密度约为空气的5倍，且柜体比AIS的小并充有正压力的SF6气体，电弧运动受到的阻力大而且限定它拉伸的空间较小，弧长比在AIS柜中短，所以燃弧能量也较小，试验中观察到的最大压力也低一些。

中压开关柜内的故障电弧是一种比较复杂的物理现象，电弧电压的波形、幅值等都会因所处电场环境的不同而异，其基本特征是一个叠加许多高频振荡、略呈尖顶状的波形，它们的数值在试验实测的数据分析中具有一定的回归性和规律性。对试验测试数据进行记录、分析的结果可用于电弧能量的简化计算中。