摘 要： 内部电弧故障试验是高压开关柜的强制试验项目（适用时），内部电弧故障能量大、对开关柜及门板盖板冲击压力大；且由于电弧的质量轻、电弧发生的复杂性，试验中有很多不确定性。本文通过对十年来30余次内部燃弧故障试验发生的一些现象、问题进行总结，结合客户需求和实际应用对抗内燃弧故障开关柜的设计进行。 引言 对于中压开关设备，根据IEC62271-200、GB/T3906等标准规定，内部电弧故障试验已经成为适用时的强制试验项目， 中压开关设备关系到操作人员的生命安全，每年有大量的人员伤害和财产损失与内部电弧故障相关，越来越多的客户要求高压开关柜必须具有内部故障等级并通过相应的内部故障型式试验。
摘 要： 内部电弧故障试验是高压开关柜的强制试验项目（适用时），内部电弧故障能量大、对开关柜及门板盖板冲击压力大；且由于电弧的质量轻、电弧发生的复杂性，试验中有很多不确定性。本文通过对十年来30余次内部燃弧故障试验发生的一些现象、问题进行总结，结合客户需求和实际应用对抗内燃弧故障开关柜的设计进行。
引言
对于中压开关设备，根据IEC62271-200、GB/T3906等标准规定，内部电弧故障试验已经成为适用时的强制试验项目， 中压开关设备关系到操作人员的生命安全，每年有大量的人员伤害和财产损失与内部电弧故障相关，越来越多的客户要求高压开关柜必须具有内部故障等级并通过相应的内部故障型式试验。
为了指导开关柜的设计，通过采用HONERWELL的压力传感器在试验过程中数据采集，得出关键部位的最大压力和最大压力发生的时间。
压力数据如下：
中置柜内燃弧压力释放顺畅时，
31.5KA/1s的IAC试验，开关隔室门最大压力0.102Mpa @11.2ms；
电缆室顶盖板0.0877Mpa @ 18.2ms；
40KA/1s IAC试验时，后盖板最大压力0.229Mpa@8ms。
对于压力释放不通畅的充气柜，母线室气箱压力释放朝下部，通过柜底部的水平通道引致开关柜端柜两侧的垂直泄压通道，再连至柜顶部的水平压力释放通道释放到户外。如图1所示，内部故障试验时，由于存在压力的反弹，对安装在柜底部水平泄压通道的压力传感器数据分析，可以看出共出现3波压力上升值，明显反映出燃弧故障发生时电弧释放的过程，首先母线室压力释放到底部，然后反弹（1），20ms左右压力到达0.23Mpa，进而压力冲击波回弹到到侧面垂直通道，压力达到最大值（2），即50ms左右压力0.5Mpa, 反弹后后续压力释放形成第三波压力,压力值回到0.2Mpa，而后随着压力逐步减小至平稳。
电弧是强功率、高温度（可达20000度），破坏力极强，任何气体和固体材料都不能耐受电弧烧灼，在此情况下，金属会熔化、蒸发，零件表面严重变形，绝缘材料气化，分解出有毒气体，开关柜内部燃弧时，电弧能量是巨大的，以下是一些试验的能量数据：
电弧是质量极轻的等离子体，在电动力和热气的作用下，可在柜内高速移动，因此电弧故障范围广并能迅速转移扩大。在最严重时，可将一排开关柜完全烧毁，造成火烧连营的重大事故。
根据功率计算公式，参考相关文献，以每厘米13伏电弧强度计算，可以初步计算出电弧长度如
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，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。
弧根转移
电弧是质量极轻的等离子体，弧根可沿导体跳动和转移，因此电弧转移就是燃弧试验过程中经常出现的现象。
以2000A 50kA800mm 宽和4000A 50kA 1000mm宽开关柜燃弧试验为例，介绍电弧转移现象
既然800mm宽的开关柜通过50kA燃弧试验，为什么1000mm宽的还需要试验？
原因主要有
不同宽度的柜体燃弧能量不同，不能以800mm宽开关柜做过50kA/1s的内部故障试验，1000mm宽就可以不做，因为能量不同，虽然1000mm宽空间大，泄压板面积大，但由于内部电弧长度不同，能量不同，不能证明800mm宽通过试验1000mm宽就一定能够通过试验；IEC62271-307也规定IAC型式试验小的不能覆盖大的，因此需要对4000A 1000mm宽开关柜进行试验;
4000A采用强制风冷，手车室、母线室顶部有强制风冷风扇，风扇对压力释放的影响需要试验验证。
试验中的电弧转移：
a. 2000A 50KA 手车室燃弧试验
手车室试验，短接在断路器下部触臂的根部，
正常实验结果应该是在触臂根部持续燃烧，把触臂烧蚀甚至烧断，但是燃弧试验后发现触臂烧蚀很少,而发现燃弧发生在断路器极柱顶部的散热器与开关柜手车室上部IP护板之间，2000A极柱顶部铝合金散热架几乎完全烧掉，这是因为下触臂三相圆铜棒虽然引弧成功，但电弧很快向电流回路绝缘强度相对低的部位转移，因此电弧弧根转移到散热架上并持续燃烧。
b. 4000A 50KA 手车室试验，短接在断路器下部触臂的根部，由于触臂是环氧硫化绝缘，因此打磨掉环氧层，露出金属进行短接，如图示。
4000A 50kA 燃弧试验后根部同样没有烧蚀，而发现母线室大弯板下部通风长腰孔处烧蚀严重，原因分析是电弧同样向绝缘强度较弱的地方转移。
由于存在电弧向绝缘相对薄弱的地方转移的现象，EATON公司发明了专利--用于开关柜的防燃弧机构，人为设计引弧点，当内部燃弧故障发生时，使电弧在指定点燃烧，从而降低电弧长度和能量，保护开关设备。
内部故障试验时断路器的跳闸
在 开关柜内部燃弧故障试验中，有时会发生断路器跳闸导致试验无法继续，这种情况一般发生在做电缆室的燃弧试验时，大约在试验开始后30-50ms时断路器跳闸电弧熄灭，无法持续到要求的1秒试验时间。
燃弧试验时，断路器不接电源，属于单纯的机械装置；断路器开关柜曾通过了国际建筑标准地震2.42g加速度的地震试验，船级社IEC60068-2标准各方向共振点90分钟的耐久性试验，以及船用25度倾斜、摇摆试验，均顺利通过，PLC线路监测未出现任何微秒级的触头分开现象；对开关柜内工作位置的断路器使用力量推压等都不能使断路器跳闸，在电缆室燃弧试验出现跳闸让人匪夷所思，且多次发生，其它厂家的断路器也偶尔会发生跳闸现象。
对断路器跳闸开关柜检查，由于40ms左右跳闸，未造成任何燃烧破坏，开关柜侧板有变形，开关柜前面两侧电缆护板冲开。
经过模拟分析比对，断路器跳闸是燃弧时产生的冲击波经过隔板，导轨与柜体间隙及接地开关孔等处进入两侧电缆通道，冲开护板，冲击到手车室门板，产生的巨大负压力反射到断路器塑料面板，瞬间压迫分闸按钮造成断路器跳闸；基于爆炸冲击波理论，冲击波在距离爆炸点1米左右处的超压可达2Mpa, 断路器塑料面板在2Mpa压力的变形量达到10mm，足以推动分闸按钮推动断路器跳闸。从时间上分析，从电弧启弧到冲击波到断路器面板大约10ms (与电缆室泄压板打开时间接近)。断路器分闸时间包括固有分闸时间和熄弧时间两部分。由于直接压分闸按钮分闸，没有了线圈得电到动作的时间，冲击波压力直接动作到分闸按钮，即机械动作时间加熄弧时间，时间也正好在30-50ms。
基于上述试验现象及理论分析，通用电气发明了专利-具有内部主动电弧保护控制特征的的真空断路器，该设计不改变断路器原有结构，只是增加了冲击波压力通道及断路器触发分闸按钮机构，简单可靠。由于50ms以内燃弧故障对开关柜破坏极小，经过简单修复和彻底排除故障原因就可恢复送电，而电缆室又是内部燃弧故障发生概率最多的隔室，不需要额外弧光保护传感器和继电器，甚至不需要额外电源，因此该发明具有积极的经济效益。
内部故障时压力的限制措施
在很多特殊应用场合要求开关柜出现内部燃弧故障时，不要有过大的压力和火焰释放，如船舶、地下空间、化工等场合，也没有条件采用如压力释放通道等措施将电弧压力释放到指定空间，因此要求“零电弧释放”，即需要开关柜采取措施限制释放到开关柜外部的气体压力和电弧火焰，GB3906标准也说明，对户内设备，由于金属封闭开关设备内部故障产生的电弧可能会导致开关设备安装房间内过压力，需要设备设计时予以考虑。
采用电弧吸收器可以降低释放压力,减少火焰释放到开关设备房间，通过使用具有吸收表面积达9m2的陶瓷割断并过滤气体压力和火焰。也有通过钢板加陶瓷片制成迷宫型式的吸收器， 开关柜内部故障释放的压力降低70~80%，对开关室建筑的影响显著降低，对比31.5kA/1s燃弧试验，未装吸收器的压力达到110mbar，而安装了吸收器的压力只有38mbar，明显减少，从而大大减少了对建筑和人员的伤害。在环网柜后部压力释放通道顶部安装有蜂窝陶瓷组合的吸收器进行内部故障试验，也有效的降低了冲出的气体压力和火焰，需要指出的是增加了电弧吸收器的开关柜，与直接快速压力释放板打开的开关柜比较，火焰和压力明显减少，但也意味着压力释放时间会减慢，因此柜体需要承受的压力会增大，对于盖板、门板等需要比压力直接释放的要加强。
抗内部燃弧故障开关柜的设计
开关柜的内部燃弧的能量是巨大，破坏力也是惊人的，因此开关柜的结构设计就显得非常重要，合理的设计会保证压力释放迅速，减少对盖板、门等的冲击，减少喷出火光对人员、其它设备的破坏；如电缆室内部燃弧故障，一般8ms内应该达到释放，内部压力应达到峰值，增加1ms也会对设备增加破坏，可能造成人员伤亡。
释放通道的设计
释放通道应足够大，对于IAC AFLR31.5kA/1s截面积应大于0.2m 2 ，通道应流畅，适合气流快速通过，例如设计设计斜面等，增加气流进入喇叭口等；无阻挡，避免如电流互感器、接地开关、横梁等安装在通道内阻挡气流通过。
泄压盖板的设计
泄压盖板应有足够的强度，薄弱环节处不要过于脆弱，防止弧光冲出时冲断，泄压板飞出，重量大于60g的物件飞出就算试验失败，不用担心冲不开，只要释放通道流畅，冲出的压力是巨大，如分析二中介绍；不建议一端采用铰链方式，内部故障发生时，柜体内部各个方向均承受着冲击波的冲击，冲击波可以通过隔室间的任何孔隙，基本上是柜顶的泄压板都会打开，打开时需要保持在垂直位置，如薄弱环节折弯处会保持在适当位置，而铰链盖板打开后无固定在一个位置，可能造成隔室泄压盖板打开时互相干涉，影响泄压效果;特别是40kA或者50kA的内部燃弧故障试验。
柜顶部防护的设计
按标准GB/T3906-2006规定除非制造厂规定了更大的最小间距，否则需要距柜顶部600mm处安装模拟天花板进行试验（新标准GB/T3906-2020已经取消了600mm的要求，IEC62271-200标准还有此规定），内部燃弧火光冲出后会从天花板反弹从而点燃试验的水平指示器，造成试验失败，特别是母线室内部故障，母线室距柜顶较近，释放迅速，瞬间冲出能量大，虽然在柜中间，仍然会反弹燃烧水平指示器。主要有以下几个解决方案：
? 安装反射挡板，把压力、火焰挡在柜顶范围，典型设计如“中国馆”，漏斗型式安装在柜顶部，也有设计指定释放方向，使喷射火光越过水平指示器；
? 缓冲空间，压力火焰在此空间内聚集再释放，压力明显减少，基本无反弹；而且可以满足IP44等顶部防护等级的要求 。
? 设计压力释放通道，把电弧光引出开关柜室外。
对于操作孔，抗燃弧柜需要采用盖板，挡板等方式挡住，只有在操作时打开； 而对于柜内通风进口，需要一直开启，特别是大电流的柜子，即要保持持续新鲜冷空气进入，当内部燃弧故障发生时，又要快速闭合，保证火光不会喷射，引燃指示器，烧伤人员。 一般来说，小的燃弧电流，如25kA 0.5s，向下的百叶窗冲出的火光不会引燃指示器，大电流时冲出火光较多压力大，反弹后会引燃指示器，必须设计挡板快速封堵。
对于大电流柜顶部安装风机的设计，可以在风机周边设计压力释放板，通过特定释放方向，也可以使风机盒子向上打开释放压力。
结语
中压开关柜内部燃弧等级是关系到人身安全的重要指标，严格按照标准要求进行试验，不弄虚作假，如把柜门从内部锁死，封板焊接在框架上等做法来通过试验，在实际生产产品时则偷工减料，不满足内部故障等级。还有应按照标准设置模拟天花板，真实模拟实际情况进行试验，在没有天花板时，压力、火焰可以直接上冲，没有反弹，落下时已经接近熄灭，不会点燃水平指示器，而有了距柜顶600mm或其它尺寸的模拟天花板，试验时就不仅要保证开关柜没有烧穿，柜门等没有打开，垂直指示器没有被点燃；还需要满足反弹不造成水平指示器点燃和大于60g的部件喷出的判据要求；通过了试验的天花板与柜顶间的距离将作为产品实际应用时的标准，产品不能用于小于该距离的环境，否则将造成人身伤害；而有些应用需要较小的柜顶距离，这时就要设计反射板等措施保证安全，或吸弧装置降低压力、减少损害。燃弧试验时有些现象是可以被利用的，如弧根的转移，人为设计绝缘相对薄弱点将电弧引致指定位置和空间，就可以减少故障对开关柜的破坏程度。抗燃弧柜设计需要充分考虑气流、冲击波等因素，对于大电流柜还要充分平衡通风与内部故障影响的关系，保证产品满足内部故障要求，实实在在通过内部故障试验。
