内部电弧故障研究

伴随着电气产品标准的不断完善化的修订，一个明显的问题越来越突出地上升到一定的高度，即标准更加侧重于站在使用者的角度考虑问题。

其中最明显的表现就是已经修订和征求意见完毕的GB3906-200X和已经执行的IEC62271-200（替代IEC60298）中的两项重大修订内容。

首先，GB3906-200X取消了以制造定义的铠装式、箱式和间隔式的定义，取而代之的是维护使用者权利的“用电连续性”的概念；将内部电弧型开关设备和控制设备（IAC）引入标准并规定了“对作为IAC级的开关设备和控制设备内部电弧试验为必试项目，并在铭牌上加以标识”。

其次，IEC62271-200将内部电弧试验由原来的“与用户协商”修订为“必试的强制性的型式试验项目”。

现在，我们对内部电弧级（IAC）级的开关设备和控制设备做一简单介绍。

1 内部故障：
1．1内部故障定义：由于金属封闭设备本身的缺陷，或异常的工作条件，或误操作等原因，造成的外壳内部的故障，可能引燃内部电弧。

1．2 内部电弧级开关设备和控制设备（IAC） internal arc classified switchgear and controlgear（IAC）：
经试验验证能满足在内部电弧情况下保护人员规定要求的金属封闭开关设备和控制设备。

简单的讲，IAC级开关设备和控制设备就是我们通常所讲的抗弧型产品。

2 相关标准规定：
GB3906-1991将IAC级开关设备和控制设备规定为与用户协商项目，就是说用户需要时制造商按用户要求进行试验和提供产品。

IEC62271-200将IAC级开关设备和控制设备规定为：必试试验项目，并在铭牌上加以标识。

GB3906-200X规定为IAC级开关设备和控制设备必须在铭牌上加以标识，但尚未明确开关设备和控制设备必须做内部电弧试验。

3 内部电弧的主要起因：
（1）操作和维护故障；
（2）大气过电压和操作过电压；
（3）固体绝缘材料的电气故障；
（4）负荷开关、断路器或熔断器过载；
（5）环境引起的电气故障。

4 内部电弧的主要效应：
内部电弧直接对周围绝缘气体加热，一部分能量通过对流传递，并以热能方式加热导电体，从而导致设备隔室内部压力上升，在规定的预定压力限值之后，热气体膨胀，造成设备内部压力释放。

热气体以及瞬态压力波会危及周围人员和设备以及建筑。

在内部电弧故障过程中，开关设备和控制设备受到两个严重的应力：
4．? ? ? ? 1 机械应力
由于故障发生的室内气压的升高，引起隔室内固定连接件如螺栓组、铰链和其他固定件受到拉力或剪切力而使柜门和隔板及盖板受到应力变形弯曲或脱离柜体。

4．? ? ? ? 2 热应力
发生电弧故障时，电弧使临近的铜质等部件融化和气化而产生热应力作用到柜体。

5 内部电弧可危及的类型（可触及性的类型）
5．1 非柱上安装的金属封闭开关设备和控制设备：
在设备现场，可能需要区分金属封闭开关设备和控制设备的两种可触及类型：
—— A类可触及性：仅限于授权的人员；
—— B类可触及性：不受限制的可触及性，包括一般公众的。

对应于这两类可触及性，规定了两种不同的试验条件。

金属封闭开关设备和控制设备外壳的不同侧面可以具有不同的可触及性类型。

采用下述代码表示外壳的不同侧面：
F：前面
L：侧面
R：后面
前面应由制造厂明确规定。

例如对于我们一般所用的12KV产品，如其铭牌标志为：
等级：IAC??BFLR
内部电弧：25KA，1S
其含义是：内部电弧级产品。

正面、侧面、后面为B类可触及性；短路电流有效值为25KA，持续时间为1S。

5．2 柱上安装的金属封闭开关设备和控制设备：
——C类可触及性：接触不到的设备限定的可触及性。

6 试验时设备与试品的关系（模拟现场环境和人员与设备的相对位置）：
设备后面到墙的距离：对于可触及型：800mm；对于不可触及型：100mm；
设备侧面到墙的距离：200mm；
设备到指示器（模拟操作人员）的距离：300mm。

7 试验的电流、电压、峰值电流的规定：
对于50HZ的设备，峰值电流为交流分量有效值的2.5倍。

持续时间推荐为：1S，0.5S和0.1S。

如对于31.5KA的设备，其内部电弧的试验值推荐为：31.5KA/1S。

8 考核IAC级设备的判据（内部电弧试验成功的判据）；
（1）正确紧闭的门、盖板没有开启；
（2）没有出现封闭柜体破碎现象；
（3）电弧未造成可触及侧烧穿；
（4）指示器未因热气体效应而点燃；
（5）柜体接地点仍然保持连接。

9 一般的IAC级开关设备和控制设备应具备的条件：
在IEC62271-200中将此类型定义为AA31级，即带有压力释放通道的开关设备和控制设备。

（1）具有压力释放通道，而且每一个主要功能单元都应有独立的压力释放通道
说明一点：如果设计时不可能实现两个功能单元分别有独立的压力释放通道，则可考虑两者共用一个通道。

但应该确保：当一个功能单元发生故障由此通道排泄压力时，不能波及另一个功能单元，反之亦然。

（2）各个隔室间的防护等级应该达到IP40。

（3）门、面板要有一定的强度和足够的安装强度。

门、面板的材质和厚度要考虑适当；
与门、面板相连接的零部件要保证足够的强度和安装距离。

需要说明的是，做IAC试验时，一般都按照安装螺栓或铰链间距200mm左右，但实际生产时一些制造商的实际做法就可能与之不同。

如果说将间距放到400mm，大家都没有理论或实践的证明。

所以，笔者建议应该大体与试验时保证相差无几，螺栓或铰链的间距不要超过300mm。

（4）设备上的与一次功能单元相通的部件应该有防护措施。

这一点尤其需要说明。

一些制造商为节约成本或简化工艺，大多没有做到。

如安装在柜体后部的与电缆室相通的带
电显示器没有防护措施；如前后门的观察窗应该用10mm的防爆玻璃但现在基本都用6mm的普通玻璃代替，这对于IAC级产品的绝对禁止的。

（5）压力释放通道要有足够的空间和强度
关于压力释放空间，没有明确的规定必须为多大。

但如果设计得太小，势必将阻止压力释放而危及相邻部件。

一般，单独的通道应保证不小于500mm2。

至于强度，应保证释放压力时，开启的盖板不被气流所冲击脱离柜体而伤及远处人员。

（6）户内设备的外壳防护等级应不小于IP40，确实保证人员不被气浪所伤及。

10??IEC建议的IAC级开关设备和控制设备应具备的条件：
除上述应具备的条件外，IEC 标准更加强调的是人性化，即内部电弧产生后由该设备自行处理，也就是内部电弧通过设计上对设备容积、绝缘电弧隔室、压力释放装置和具有能量吸收作用的冷却系统进行综合考虑来解决，最后通过柜体外部的统一的安全的通道排除。

故障发生后将废气排到户外，这样可以保证人员的安全和变电站不受污染。

IEC62271-200将具有上述功能的开关设备和控制设备定义为AA33级，即柜体配有具有冷却系统的压力释放通道，这个通道只要求有一个公用的排气口。

避免对变电站人员造成伤害。

主要做法是通过压力内部导向传递到气体冷却器而释放。

试验结果表明：应用了这种气体冷却器后，气体喷发速度下降了35%。

11 其他的可以限制内部故障对外影响的措施
（1）利用光传感器、压力传感器、热传感器或者母线差动保护快速切除故障，缩短故障时间；
（2）采用适当的熔断器与开关装置组合来限制允通电流和故障持续时间；
（3）利用快速传感、快速合闸装置（灭弧器）将电弧快速转移到金属短接回路快速消除电弧；（4）遥控。

12 其他应该注意的几点
（1）仅当前门关闭时，才能把可抽出部件从工作位置移开到其它位置或由其它位置移到工作位置。

应该说对于需要开门操作的设备是不具备IAC级设备的含义的。

（2）IEC62271-200推荐所有的主要一次功能单元都应该具有IAC级功能。

这种说法与我们以前考虑和试验的只在断路器室和电缆室具有IAC功能是不同的，设计时我们应该加以考虑。

做法是：母线室同样应该具有IAC功能。

（3）如果按照制造厂的说明书安装、运行和维护开关设备，则在其整个使用期间出现内部电弧的概率是很小的，但不应完全忽视。

（4）并不是所有的户内设备都应该是IAC级设备。

如不在GB3906规定范围之内的GG-1A型固定设备。

在产生的危险可以不计的场合：没有必要选择IAC级金属封闭开关设备和控制设备。

在需要考虑产生的危险时，只能使用IAC级金属封闭开关设备和控制设备。

（5）开关设备和控制设备中使用的绝缘材料应该为阻燃材质，在电弧熄灭后可自熄，而且不释放有毒和腐蚀性物质或气体。

（6）为避免内部电弧故障产生时电弧将相邻的柜体侧板烧穿，设计时应考虑并柜后相邻柜体的侧壁之间留有约5mm的空间。

这种结构在采用敷铝锌板材质的结构中很容易实现，就是利用加强局部强度的重复折弯技术使相邻柜侧壁有理论上的4mm而实际装配后为5mm的空间。

对于采用冷轧钢板材质的结构还需将此点在设计中予以考虑。

（7）设计和实际应用
设计中要严格执行抗弧型产品的电气间隙和爬电距离，如12kV保证电气间隙125mm, 爬电距离有机绝缘材料爬距达到230 mm，瓷件达到210 mm；40.5kV保证电气间隙300mm,有机绝缘
材料爬距达到810 mm，瓷件达到730 mm。

在40.5kV电缆头制作时充分考虑爬电距离。

IEC62271-200标准做为最可接受的执行标准将在世界范围内得到确认，我们应该有所准备，使我们的产品尽快跟上国际高水平。

尽管现有的设计对开关设备和控制设备进行了不断的优化，但在运行中出现内部故障还是不可避免的，所以设计上对于IAC级开关设备和控制设备的考虑是必要的，并且不应流于形式化。