为什么40.5kV开关柜内部电弧试验难过

国网对于40.5kV开关柜，要求尺寸做得越来越大。尺寸大可以保证电气间隙足够大，通过自然空气作为绝缘，环境影响较小，但也有一个问题，就是抗内部电弧故障的能力比较差，需要采用必要措施如相间及对地加绝缘板等限制电弧能量，加强柜门、横梁、盖板等开关柜强度。

有人说开关柜体积大了，内部电弧压力变小了，其实不然。

根据IEC62271-307B标准，耐受内部电弧故障性能型式试验有效性的要求，可以看出下列多数判据对于大尺寸开关柜是9不利的。

1 相间净距       ≤   

2 相对地净距    相同      

3 柜体、隔室的净体积    ≥    柜体和隔室是相同的结构；

5 导体的截面积       ≥    关注于起弧的区域

6 导体的原材料（铜、铝或合金）       相同       关注于起弧的区域

7 点燃电弧的位置    相同       按照IEC62271-200的原则

8 暴露电弧的绝缘材料    相同      

9 泄压面积       ≥    隔室泄压位置一致，如果泄压通道。只有大的面积可以接受

10 释放打开的压力    ≤    适用于流体密封隔室

11 泄压板固定的强度       ≤    泄压板相同设计，适用于非密封隔室

12 柜体、隔室的强度       ≥    也包括隔板和套管的强度；

13 柜体侧板的厚度    ≥   

14 门、盖板的强度    ≥    

具体原理如下：

首先相间空气距离大，电弧电压高，电弧能量高，同样是31.5kA，12kV的开关柜能量约只有40.5kV的1/3，其原因并不是由于开关柜额定电压高，额定电压与内部电弧能量关系不大，按照标准规定，高电压等级可以采用低电压做内部电弧故障试验，电压只要满足电弧可以持续等条件即可，一般大于1kV就够了。

内部电弧能量而是由电弧电压决定的，而电弧电压根据电弧距离成正比。相间空气距离加大了，意味着电弧能量电压加大，电弧能量也增大了。

根据功率计算公式，参考相关文献，以每厘米13伏电弧电压计算，可以初步计算出电弧长度如下表所示；

对于650mm宽开关柜，内部电弧故障的最大功率是129MW，试验电流是40kA，计算电弧电压1862V，电弧长度1862/13=143cm=1.43米。同样计算800mm宽开关柜，内部电弧故障电流31.5kA，电弧长度1.68米，1000mm宽开关柜电弧长度1.92米。

显然电弧长度和开关柜的宽度成正比关系，或者说和相间距。

下面是另外一种理论，电弧电压与短路电流有关的计算公式如下：

Varc=(20+534 x g)x Iarc^0.12--------公式1

式中Varc =电弧电压、 g=两个电极的净距（单位：米）、Iarc= 电弧电流 （A）

采用这种计算方法计算出的电弧长度即电极间距如下：

可以看出电弧长度在越宽的开关柜、相对空间越大的隔室里，电弧长度越长，即使燃弧电流不大，但产生的能量非常大，因此，因此40.5kV开关柜的设计需要充分考虑限制电弧的长度，如一种开关设备相间及对地完全采用GPO-3耐电弧绝缘板完全阻隔，试验证明，隔板阻止了电弧的蔓延长度，电弧能量明显减少。

另外一点就是开关柜尺寸越大，结构强度越差，抗冲击的能力变差，内部电弧故障发生的瞬间相当于爆炸，产生的冲击波能量巨大。

因此40.5kV开关柜的结构不能简单的将12kV开关柜柜体尺寸放大，而不做任何强度的增加，如开关柜门板，特别是宽度方向，没有加厚、没有加强筋等加强措施，开关柜经不起冲击波的破坏。

泄压板面积无需过大，但要有效，即要求泄压板在发生内部电弧故障时可以实现快速打开，实现压力的快速释放，这一点是十分重要的，内部电弧故障发生瞬间，冲击波以光速向各个方向辐射冲击，一般母线室仅需5ms即可以到达泄压板，如果可以冲开泄压板，就可以将压力快速减少，对其它结构部件的破坏力随之消失。

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