SF6充氣柜內部電弧故障的結構設計與防護措施

毛振塔

摘要：六氟化硫（SF6）充氣柜作為新型供電設備現在越來越普及，其作用也越來越重要。本文主要分析了SF6充氣柜的內部結構，并對其發生電弧故障做出了分析以及提供了幾點防護措施在保證生產的同時能進行檢修，為處理同類故障提供參考。

關鍵詞：SF6充氣柜、電弧故障、結構設計、防護措施

SF6充氣柜作為新型供電設備現在越來越普及，SF6充氣柜雖然在出廠時會做設備檢測，但是隨著充氣柜的日積月累使用，其內部電弧故障的時有發生給整個SF6充氣柜和用電設備的正常運行帶來了安全隱患?，F針對于此做一些關于SF6充氣柜內部電弧故障的分析，對其結構進行分析并提出防護措施，以有效地減少電弧故障這種問題的發生。

一、SF6充氣柜簡介

SF6本身作為一種人為制造的惰性氣體，化學性能穩定且無色無味無毒。SF6還具有強電負性，它的分子極易吸附自由電子而形成質量大的負離子，SF6還具有較低的離解溫度、較好的耐電性能、強大的絕緣能力和強力的滅弧能力等[1]。

SF6充氣柜的結構組成主要有母線，斷路器，負荷、隔離、接地開關及CT/PT等高壓電氣元件。將這些元件裝在密封箱體中，并充入SF6氣體，這個一體式封閉箱作為集成了各種元件和SF6氣體設備不僅具有開斷、隔離、接地等功能，還由于SF6氣體具備強大的絕緣能力、強力的滅弧能力和較好的耐電性能使得此充氣柜的安全性和可靠性大大提高[2]。

相較于空氣柜，SF6充氣柜體積相對較小、重量普遍較輕。SF6氣體的絕緣強度較空氣高，這導致相同電壓等級的SF6充氣柜較空氣柜的體積可縮小不少。SF6充氣柜適應性強，這得益于一體式封閉箱受到環境的影響較小，所以空氣潮濕多塵、安裝位置狹小、鹽漬嚴重等環境都可以安裝SF6充氣柜[3]。

二、電弧故障及柜內壓力變化

由于SF6充氣柜的自身出廠時有所缺陷或在環境較為惡劣的條件下長時間工作導致SF6充氣柜的絕緣強度降低，也有可能在人工操作過程中出現了失誤等原因造成SF6充氣柜柜體內部氣體被擊穿造成其內部發生電弧故障，可能會造成以下事故：

一是使電弧故障的嚴重化，例如電弧范圍擴大。在內部超高溫和動力的驅動下強力的電弧將微量的等離子體在充氣柜內部移動，電弧的根部飄忽不定，在導體中可以迅速轉移，這很容易將電弧故障嚴重化，甚至造成充氣柜燃燒，造成斷電現象使用電設備損壞。二是電弧故障的破壞性強大，由于電弧本身的溫度高，其破壞性之強無法估量，再加上外加的使用功率較大，這使得充氣柜內部的材料在經過電弧故障后都無法正常工作，基本上處于報廢的狀態，甚至一些金屬、合金和固體材料零件都無法幸免。對于絕緣材料碰上電弧也是不夠看，電弧能直接將絕緣材料氣化產生劇毒和腐蝕性的氣體進而危害生產人員的安全。第三就是電弧故障會帶來嚴重的生產人員安全問題。一旦產生電弧故障，由于電弧的強大破壞性和自身的高溫特性，在密閉狹小的充氣柜中溫度上升明顯，能輕易將絕緣器材氣化，產生的劇毒和腐蝕性的氣體是影響人員安全的因素之一，還有在密閉狹小的充氣柜中電弧故障帶來的溫度驟升造成柜內壓力的急劇上升，輕則充氣柜變形，重則發生爆炸，嚴重危及生命和生產安全。

SF6充氣柜的開關室與電纜室是電弧故障的重要場所。出廠時對其進行內部電弧故障試驗要做到五點，一是充氣柜的蓋板和門沒有被沖擊開，但是可以允許輕微程度的變形;二是箱體沒有明顯裂縫，沒有小零件等被炸出;三是電弧未能將不超過2 m的面上燒蝕出孔洞;四是平和垂直指示器未被點燃;五是充氣柜的外殼不能偏移接地處[4]。

在SF6充氣柜柜體內部出現電弧故障以后，電弧自身所攜帶的能量將瞬間將柜內氣體溫度提升，導致柜體內的氣壓上升。SF6充氣柜會具有泄壓裝置，一旦超過泄壓裝置限制的壓力則泄壓裝置將會打開泄壓通道泄壓，降低充氣柜內部壓力，減少因充氣柜柜體內部壓力過大而發生爆炸的可能性。電弧故障帶來的破壞力與其間隔容積，電壓及時間和短路電流有關。一般產生電弧故障后，柜內壓力會產生四個階段即氣體壓縮、氣體膨脹、氣體釋放及氣壓穩定階段。如圖一所示。0-t1時間段即為氣體壓縮階段，此階段電弧故障剛發生，電弧自身所攜帶的能量將瞬間將柜內氣體溫度提升，導致柜體內的氣壓急劇上升，直到充氣柜內部壓強達到泄壓裝置的設計的臨界壓強為止，t1時充氣柜最為危險，不僅充氣柜內部壓力大溫度高，電弧故障還在發生而且還未開始泄壓。這一時間大約持續5-10ms。t1-t2時間段即為膨脹階段，此時充氣柜內部泄壓裝置的設計的臨界壓強在t1時達到，開啟泄壓，到t2時泄壓通道完全打開，由于在這一時間段中泄壓通道并未完全打開，再加上電弧帶來的溫度提升和氣體的膨脹導致充氣柜內部壓強還會有所上升。這一階段的持續時間大約為5-10ms，與泄壓裝置的設計的泄壓通道尺寸和電弧故障的程度有關。t2-t3時間段即為氣體釋放過程，此階段由于泄壓裝置中泄壓通道的完全打開使得氣壓陡降并恢復到正常壓強同時電弧熄滅溫度降低。這一階段的持續時間大約為10ms-1s，持續時間與繼電保護裝置和斷路器的開端時間有關。t3-∞時間段即為壓強穩定階段，此時電弧熄滅，經過完全泄壓后柜內氣壓穩定[5]。

三、結構設計與防護措施

有些SF6充氣柜具有防止電弧故障的結構設計，一般在充氣柜的頂蓋、封 板、電纜室、母線室和斷路器室的柜體以及柜門等部位進行防護。

電纜室的泄壓板設計可以采用自攻釘安裝固定，采用三層板組成下前門，采用高強度抗拉的掛鉤固定前掛門，電纜室的左側和右側為了應對電弧故障可以采用多層板，同時可以起到對氣流的緩沖作用。泄爆板可以采用活門法，利用自攻釘進行固定同樣減緩了氣流的沖擊，達到了防護的目的。

對于氣室的設計，關鍵在于泄爆膜。不銹鋼板的強度較好，可以用于氣室的設計，泄爆膜的開啟的沖擊很大，安裝時要受力平衡，，后封板可以采用填料形式焊接，增加其強度。同時氣室中可以增加增加前后和上下拉桿，前后拉桿與后封板焊接，使其在安裝完成后成為一個整體，使氣室強度增加。

針對與頂蓋的設計主要可以分為兩部分，儀表室的頂蓋可以進行全封閉式設計，從電纜室到母線室的地方可以對不銹鋼板進行開孔泄壓。采用鋁板壓條及鋁鉚釘壓緊泄壓裝置，一旦發生電弧故障可以將其沖開泄壓，若未發生故障也可以起到有效防護的目的[6]。

四、結語

當前，隨著社會的進步和經濟的快速發展，我國各地區的用電負量均在不斷增長，這使得供電可靠性的要求越來越高。SF6充氣柜作為配電系統中的主導產品其內部電弧故障不可輕視。結合具體的故障實例進行分析，總結出合理的處理方式和防范措施是解決問題的關鍵所在。

參考文獻

[1]李長庚，劉強興.SF_6充氣式開關柜特點分析[J].電工技術，2017（11）：89+91.

[2]周慧東，晁志剛.淺談SF_6充氣柜的柜體設計[J].電氣制造，2009（12）：38-39.

[3]王軍委，李如壁.中壓SF_6充氣柜密封性能研究[J].通信電源技術，2020，37（10）：49-50.

[4]獨田娃，徐忠秋，季茂芳，周程，陳龍.SF_6全絕緣充氣環網柜的技術問題淺析[J].機電工程技術，2013，42（10）：63-65.

[5]李曉松.SF_6充氣柜內部電弧故障的結構設計與防護措施[J].中小企業管理與科技（中旬刊），2016（01）：271.

[6]方文波.中壓柜內部電弧故障的防護措施探討[J].現代工業經濟和信息化，2017，7（23）：28-29+35.