1. 3.     電弧的破壞

電弧故障在開關(guān)柜內(nèi)部的破壞有兩個階段：爆炸和燒穿，這兩種現(xiàn)象在兩個不同的時間范圍內(nèi)發(fā)生。耐內(nèi)部電弧開關(guān)設(shè)備必須抵抗由于內(nèi)部電弧故障發(fā)生時產(chǎn)生的這兩種破壞，第一個是爆炸階段，內(nèi)部壓力在電弧開始后的 5 ~ 20 毫秒內(nèi)達到峰值，壓力沖擊波造成的任何損害都將在這一時間范圍內(nèi)發(fā)生，這一階段主要是機械破壞，在開關(guān)柜側(cè)板、門板產(chǎn)生的負壓達數(shù)兆帕。第二個階段是熱效應，耐電弧持續(xù)時間為1 秒，在這期間電弧能量持續(xù)增加，壓力已經(jīng)通過泄壓通道釋放到開關(guān)柜外部，但電弧能量持續(xù)作用， 直到電弧熄滅, 這一階段電弧向柜內(nèi)結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)移, 導致柜內(nèi)部母線、金屬元件、絕緣件熔化、甚至汽化。如圖1 所示，100ms電纜開始燃燒，150ms銅材開始燃燒，到200ms鋼材也會開始燃燒，同時開關(guān)柜內(nèi)部有大量用于絕緣的相間隔板，如果隔板阻燃等級低就會造成開關(guān)柜內(nèi)部持續(xù)燃燒，即使電源切斷后仍然繼續(xù)燃燒，從而燒損故障及相鄰設(shè)備。

圖1 內(nèi)部電弧熱效應的影響

1. 4.     爆炸過程的安全距離

操作人員應在操作期間站在相對于安全的位置，并配備適當?shù)膫€人防護設(shè)備 (PPE)。PPE 包括用于保護危險區(qū)域工人的任何衣服或設(shè)備。NFPA 70E 是用于確定帶電部件周圍的沖擊和閃光邊界的標準。帶電部分周圍有 3 個同心圓，它們是電擊保護、閃光保護的邊界。NFPA 70E 《員工工作場所電氣安全要求標準》，NFPA根據(jù)工作人員從事特定工作時臉部和胸部與潛在電弧源的距離來定義依法帶電接觸等級。工作人員使用耐火防護服及個人防護裝備，根據(jù)特定工作的易發(fā)帶電接觸等級，需穿著足夠防護等級的裝備， 個人防護用品 （PPE）所需的額定值可以通過故障能量來確定。從0到4的五個風險類別，其中4是需要最高級別的保護。NFPA 70E計算的故障能量值比 IEEE 1584要低，因為 IEEE 1584 不考慮限流斷路器，限流斷路器減少了斷路器的開斷時間，從而減少了故障能量，通過降低允通能量和峰值電流，來計算故障能量，標準化的入射能量用于通過方程獲得給定距離和電弧時間在垂直于表面的入射能量。

4.1 IEEE 1584《電弧閃光危險計算指南》 是一種用于計算事故能量的標準，即輻射到表面上的熱量，以每平方厘米的卡路里數(shù)或焦耳數(shù)為單位。入射能量是電弧故障電流的函數(shù)，入射能量(Cal/cm²或J/cm² )用于測量輻射到表面上的熱量，發(fā)生 2 度燒傷的閃燃危險邊界點的入射能量是1.2 ca/cm² 或5J/cm² ，給定距離和電弧時間在垂直表面處的入射能量通過方程（1）計算。

式（1）中 E=入射能量（J/cm²），Cf系數(shù)： =1 （電壓>1kV ），=1.5 （電壓<1kV）

t=電弧時間（s），D=距離電弧距離（ｍｍ）

ｘ=距離指數(shù)）=0.973（電壓>1kV），=1.473（電壓<1kV）

En：典型電弧放電時間和工作距離的事故能量（J/cm²）（電弧持續(xù)時間0.2s，距離電弧610mm） ，通過公式（2）（3）計算。 

式（2）中 Ia=電弧電流（kA），G=導體間隙（mm）

式（3）中Ibf=導體短路三相故障電流rms（kA）

以31.5kA 0.2s為例，計算未穿戴PPE 發(fā)生 2 度燒傷弧閃保護邊界距離Db如下：

通過計算得出，發(fā)生內(nèi)部電弧故障IAC 31.5kA時，只有距離弧閃點大于7.75米才能保證安全。

1. 4.2  基于爆炸沖擊理論的安全計算

開關(guān)柜的內(nèi)部電弧故障相當于容器內(nèi)的爆炸，爆炸是一種極為迅速的能量釋放過程，能量瞬間釋放導致產(chǎn)生的高溫和高壓，在爆炸產(chǎn)生的高壓的推動下，爆炸點周圍的那一圈空氣就會向四周擴散，由于爆炸釋放的能量特別大，爆炸物向外擴散的速度會超過聲速，爆炸點擠壓周圍空氣的速度，會遠遠超越空氣向外傳遞壓力的速度，這就是爆炸產(chǎn)生的沖擊波。爆炸沖擊波以起弧點為中心快速傳導，隔板、柜體、門板、蓋板等受到巨大的沖擊。當壓力釋放蓋板打開瞬間，壓力得以釋放。

當壓力釋放板打開時，巨大的沖擊波伴隨著氣化的高溫粒子等會對開關(guān)室的產(chǎn)生一定程度的破壞，筆者曾看到在35kV開關(guān)柜內(nèi)部故障后，10米高的開關(guān)室頂部燈罩、墻皮全部脫落，沖擊波順著電纜溝一直到主變室，造成主變天花板脫落，可想而知沖擊波的壓力是巨大的。

通過爆炸沖擊學原理計算開關(guān)柜內(nèi)部故障事故爆破波對開關(guān)柜頂部的破壞壓力及危險程度進行分析，封閉容器爆炸時，爆破能量在向外釋放時以沖擊波能量、碎片能量和容器殘余變形能量3種形式表現(xiàn)出來。后二者所消耗的能量只占總爆破能量的3％～15％，也就是說大部分能量是產(chǎn)生空氣沖擊波。一般根據(jù)沖擊波超壓Δp值，確定對人員和建筑物的傷害一破壞作用。沖擊波超壓達到0.1~0.2Mpa時會造成鋼筋混凝土破壞，房屋倒塌，而超壓達到0.2~0.3Mpa時，大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞。超壓大于0.1Mpa，大部分人死亡。1000kgTNT炸藥爆炸時的沖擊波超壓如表 1所示。

• 首先根據(jù)開關(guān)柜內(nèi)所裝介質(zhì)的特性，計算出其爆破能量。開關(guān)柜的內(nèi)部故障能量可以通過弧電壓與短路電流計算得出，以開關(guān)柜壓力釋放蓋板10ms打開為例，計算及試驗數(shù)據(jù)得出E=38000kJ；已知1000kg TNT炸藥在空氣中爆炸時所產(chǎn)生的沖擊波超壓如表1所示，將內(nèi)部電弧故障能量等效于TNT炸藥重量，通過1000kg炸藥模擬比算出等效于沖擊波超壓。

• 1kg TNT爆炸所放出的爆破能量為4230kJ／kg～4836kJ／kg，一般取平均爆破為4500kJ／kg，故其關(guān)系為：

根據(jù)表1距離爆炸中心55米的超壓是0.0205Mpa， 0.08Mpa可使磚墻倒塌，人內(nèi)臟嚴重損傷，0.02Mpa, 會造成墻裂縫，對人體有輕微損傷。因此對于內(nèi)部電弧故障40kA，大于11米才能保證人員基本安全。

• 通過CFD計算機模擬內(nèi)部電弧故障，人體耐受壓力暴露極限是1723帕斯卡，假定保證人身安全的安全系數(shù)是5，因此壓力限制是345帕斯卡。根據(jù)內(nèi)部電弧故障試驗數(shù)據(jù)，電弧電纜室40kA 1s內(nèi)部電弧故障噴出通道的壓力是250kpa，采用CFD模擬距離泄壓通道出口的壓力，如圖2所示，距離端口5米處壓力是428pa，因此安全距離是6米。

圖 2 內(nèi)部電弧故障壓力模擬圖