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隨著電力系統(tǒng)配電網(wǎng)的快速發(fā)展，穩(wěn)定、可靠的電能供應(yīng)成為配電網(wǎng)供電的不斷追求，10kV高壓開關(guān)柜以其運行可靠、操作方便等特點，在配電網(wǎng)中被廣泛使用。然而，由于操作不當或廠家制造工藝存在缺陷等問題易導(dǎo)致10kV開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部短路電弧故障，引發(fā)爆炸事故。

為了減少短路電弧故障引發(fā)的爆炸事故造成的二次傷害，開關(guān)柜大都采用隔離艙室設(shè)計，每個獨立艙室均配有獨立的泄能通道。GB 3906—2006把10kV開關(guān)柜內(nèi)部短路電弧燃弧試驗列為強制性試驗，以此檢驗開關(guān)柜的安全性能是否達標。

盡管10kV高壓開關(guān)柜已有配套的安全設(shè)計和測試標準，開關(guān)柜因爆炸引發(fā)的二次傷害事故仍時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，僅手車柜型式的開關(guān)柜，全國每年因短路電弧燒毀就多達200多面，多數(shù)造成了柜體破裂或柜門被沖開。可見，10kV開關(guān)柜內(nèi)部短路電弧故障引發(fā)的爆炸事故仍不可忽視。

通過了安全測試的開關(guān)柜仍可能被短路電弧引發(fā)的爆炸沖擊波破壞，主要原因在于負荷電流可能超過額定值，導(dǎo)致短路電弧能量過大。為了提升10kV開關(guān)柜的安全性能，國內(nèi)外學(xué)者對于因短路電弧引起的開關(guān)柜爆裂問題展開研究，對實際開關(guān)柜在短路燃弧沖擊載荷作用下柜體的強度進行分析，獲得柜體強度的校核方法與流程。

有學(xué)者提出了開關(guān)柜柜門強度校核方法，在獲得爆炸沖擊波造成的壓力升后，分析柜體鉚釘、鉸鏈、螺栓等是否符合安全設(shè)計要求。有學(xué)者通過對壓力作用后薄板的應(yīng)力場分析，結(jié)合材料的臨界應(yīng)力，提出了柜體耐受強度的數(shù)值計算方法。有學(xué)者通過對泄壓通道進行改進，提出了增加緩沖室、金屬網(wǎng)格吸收器、負壓室等措施對短路電弧沖擊過程中產(chǎn)生的高溫、高壓氣體升進行疏導(dǎo)和抑制，以提升開關(guān)柜在發(fā)生短路電弧沖擊過程中的安全性能。

綜合上述研究成果，目前，開關(guān)柜隔離艙室的安全性能，主要取決于柜體和柜門安全裕度值，因此，傳統(tǒng)開關(guān)柜安全性能提升方法主要采用“堵”的思路，即在現(xiàn)有柜門螺栓數(shù)上繼續(xù)增加螺栓使用數(shù)量以及柜門、柜體的厚度，以提升開關(guān)柜的安全性能。雖然可以起到增加安全裕度的效果，但缺乏針對性，并且邊際效應(yīng)明顯，不利于開關(guān)柜向輕質(zhì)化方向發(fā)展。

針對10kV高壓開關(guān)柜內(nèi)部短路電弧引發(fā)的爆炸造成二次傷害的問題，長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院、中國電力科學(xué)研究院、國網(wǎng)北京市電力公司的研究人員董盼、楊鑫、賈鵬飛、雷佳成、劉瑤，在2022年第11期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，從開關(guān)柜柜體和柜門安全裕度比較的角度出發(fā)，提出提高開關(guān)柜安全裕度的計算方法和設(shè)計建議。

圖1 內(nèi)燃弧試驗現(xiàn)場照片

研究人員采用熱源等效和分艙建模的方式，利用多物理場耦合的有限元仿真，對開關(guān)柜在短路電弧沖擊作用下的安全裕度進行仿真計算。以KYN28—12型開關(guān)柜電纜室為例，得到電纜室柜體和柜門的安全裕度分別為51%和2%，指出提升開關(guān)柜安全裕度的關(guān)鍵在于提升電纜室柜門的安全裕度。

圖2 電纜室試驗前后照片

此外，他們提出在柜門內(nèi)側(cè)壓強較大區(qū)域，覆蓋陶瓷化硅橡膠高分子復(fù)合耐火材料的方法來提升柜門的安全裕度。以KYN28—12型開關(guān)柜電纜室為例，得出在柜門所受壓強較大區(qū)域需覆蓋3mm厚的陶瓷化硅橡膠高分子復(fù)合耐火材料，可以使柜門的安全裕度達到70%，大于柜體51%的安全裕度，從而提升開關(guān)柜整體的安全性能。

圖3 陶瓷化硅橡膠高分子復(fù)合耐火材料

研究人員表示，與傳統(tǒng)提升方法相比，該方法更具針對性，可促進設(shè)備向輕質(zhì)化發(fā)展，為10kV開關(guān)柜安全等級提升提供了新的解決思路與方法。

本文編自2022年第11期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標題為“10kV高壓開關(guān)柜安全性能的提升方法”。本課題得到了國家自然科學(xué)基金和廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項目的支持。