绝缘气体对开关柜内部故障燃弧压力上升的影响*

李 美 王一玮 李 林 郭鹏程

(1. 西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室 西安 710048；2. 常熟开关制造有限公司 常熟 215500)

1 引言

电力系统输配电网络中的密闭型电力开关设备是重要的控制与保护设备。若密闭开关设备内部发生短路情况，则可能引起故障电弧事故。故障电弧燃烧期间，向周围空间释放大量能量，加热气体，引起压力骤增[1]。其产生的高温和高压效应对开关设备、运行人员以及建筑物的安全构成巨大威胁[2-3]，更严重者甚至引起电网的供电中断。

对于中高压密闭型开关设备，内部绝缘气体通常为空气和SF6。特别对于SF6，在低温环境良好的热导率、低电导率和高介质强度使得密闭开关设备的结构设计更加紧凑。然而，由于 SF6具有较高的温室效应和较长的分解周期，因此寻找合适的替代绝缘气体以减少开关设备 SF6的使用量迫在眉睫。当下，对于 CO2和 N2作为替代气体的研究探索越来越多[4-6]。因此，研究开关设备内不同绝缘气体故障电弧的压力特性对于替代气体开关设备的优化设计具有重要意义。

一直以来，密闭型开关设备故障燃弧引起的压力效应都备受关注。文献[7]根据理想气体方程和能量守恒定律，基于标准计算方法(Standard calculation method，SCM)计算了带有压力释放阀的开关设备内部压力变化。文献[8]采用射线追踪法研究了变电站建筑内的压力波传播规律。文献[9]采用计算流体动力学方法(Computational fluid dynamics，CFD)计算了密闭空气腔体内部发生故障电弧引起的压力上升过程。文献[10]基于恒定电弧辐射的假设条件测量了电极材料对密闭空气柜内故障燃弧压力的变化。文献[11]利用爆炸理论分析了开关柜内部故障电弧向周围空气推进的速度，测试了柜体可承受的压力强度。文献[12]采用自由燃烧电弧的经验数据定性估测了电弧电流对密闭空气腔体内压力上升的影响。文献[13]研究了电弧电流和压力释放孔大小对空气和 SF6绝缘气体开关柜故障电弧压力上升的影响。文献[14]测试了封闭容器内发生空气故障电弧的燃烧特性和压力上升的变化规律。文献[15]针对中压空气和 SF6气体绝缘金属封闭开关柜，试验测量了空气和 SF6对故障电弧压力特性和爆破片打开时间的影响。文献[16-18]测试分析了 SF6气体绝缘开关设备内部故障电弧的压力特征。综上所述，密闭型开关设备故障燃弧的研究主要聚集在空气和SF6，而对于SF6替代气体如CO2和N2在开关设备内部故障电弧的研究还鲜有报道。因此，研究多种不同绝缘气体对内部故障电弧压力特性的影响对密闭型电力开关设备的设计具有重要意义。

本文通过开展试验研究了空气、SF6、CO2和N2四种不同绝缘气体情况下密闭腔体内部短路故障燃弧引起的压力上升变化规律，定量分析了不同绝缘气体故障电弧引起的压力上升、电弧电压、电弧能量和辐射能量的差异变化，获得了不同绝缘气体故障电弧热传递系数的变化规律。研究结果可为后续替代气体开关柜的压力特性评估和柜体优化设计提供参考。

2 试验系统

2.1 故障电弧测试装置

为了模拟实际的密闭开关柜，本文设计了如图 1所示的简化故障电弧发生装置。密闭装置主体为半径0.3 m、高1.9 m的圆柱体。两个铜电极(直径为0.2 cm)上下对称分布于腔体中，电极通过螺纹与铜导电棒连接，进而通过电极板与外部电源回路连接。故障电弧通过铜丝起弧方式在腔体中心点燃，流过电弧的电流为 1～15 kA直流，电极之间的间距为3 cm。试验时，腔体内部填充SF6、空气、CO2和 N2四种不同的气体，初始压力为 0.025～0.400 MPa。

2.2 试验测量方案

图2 给出了试验接线原理图。采用试验室的直流短路发生器(DC 2 kV，22.5 MVA)作为电源，试验测试电压为1 000 V。燃弧时间设定为100 ms，通过电源回路的断路器控制。试验测量的变量有电弧电压、电弧电流、压力上升和电弧辐射总能量。电弧电压和电弧电流分别采用霍尔电流传感器和高压探头测量。腔体内部的压力上升通过102B16PCS压力传感器测量，压力传感器固定在和电弧等高的腔体内壁上。电弧辐射能量通过热堆探头进行测量。热堆探头位于距离中心电弧4 m处，可透过腔体壁上设计的石英玻璃观察窗测量故障燃弧后的总电弧辐射能。电弧电流、电压及压力信号可同步进入示波器进行数据采集。

3 试验结果与分析

3.1 压力上升测试结果

图3给出了CO2气体情况下测试的典型电弧电压和电流波形。初始时刻，随着电源回路切入导通，电流开始流过回路，引弧铜丝发热并快速熔化蒸发，电弧电压陡峭上升至点燃峰值。此时，铜丝完全蒸发，故障电弧完全形成。随着电弧电流的增加，电弧强烈燃烧，电弧电压平滑稳定，几乎维持不变。约15 ms时，电弧电流达到稳定最大值，一直持续至85 ms。之后电弧电流开始下降，在100 ms降低至0。图4给出了空气、N2、CO2、SF6不同绝缘气体介质故障电弧引起的腔体内压力上升变化。可以看出，对于不同气体，从电弧点燃到熄灭过程中，压力上升一直处于增加趋势。相比于CO2和SF6，由于空气和 N2的比热容在故障电弧的主导温度范围更小，因此在相同的电弧能量注入情况下，空气和 N2故障电弧引起的压力上升更高，两者彼此接近，而SF6的压力上升最小。

图5 给出了不同气体故障电弧引起的压力峰值和电弧能量的关系。电弧能量arcW通过测量的电弧电压和电流获得

式中，Iarc是电弧电流；Uarc是电弧电压。

根据图5的波形，对于不同绝缘气体，随着电弧能量的增加，压力峰值几乎都呈线性增长趋势，增长的速度取决于气体种类。空气、N2、CO2和SF6的Pmax/Earc分别为 0.43 kPa/kJ、0.41 kPa/kJ、0.24 kPa/kJ和0.13 kPa/kJ。这意味着在相同的电弧能量下，空气、N2、CO2和 SF6的压力峰值比值近似为3∶3∶2∶1。

3.2 电弧能量和电弧辐射

如文献[4]所述，密闭开关设备内部故障燃弧引起的压力变化由加热气体的能量决定，而加热气体的能量和能量输运过程中主导的电弧能量、电弧辐射过程密切相关。因此，第 3.2节重点分析不同绝缘气体情况下故障燃弧的电弧能量和辐射能量的变化规律。

电弧电压的大小直接影响注入故障电弧的焦耳热能量，而电弧电压也受气体类型的影响。图6给出了不同绝缘气体情况下测量的故障电弧电压和电弧电流的关系。对于四种绝缘气体，电弧电压几乎和电流都呈线性增长关系，但增幅都很小。对于CO2，电流从1 kA增大到15 kA时，电弧电压升高了约13%，这意味着当电弧电流增加时，电弧电压的增大对电弧能量的贡献不明显。此外，CO2的电弧电压最高，SF6的最低。电流 10 kA时，CO2的电弧电压比N2、空气和SF6分别升高了约15 V、17 V和54 V。

图7给出了电流10 kA不同气体故障电弧的电弧电压随充气压的变化。电弧电压几乎和气体密度(充气压)呈线性增长关系。这是因为随着气体粒子密度的增加，更多需要电离的粒子存在于电极间隙之间，导致电弧电压增加。与CO2、N2和空气相比，由于SF6中S原子的电离能较低，因此，SF6电弧电压低于其他三种气体。此外，四种气体的电压增加速度也并不相同，SF6、CO2、N2和空气的电压增加速度分别为 0.35 V/kPa、0.71 V/kPa、0.46 V/kPa和0.45 V/kPa。当气压从0.1 MPa提高到0.4 MPa时，SF6、CO2、N2和空气对应的电弧电压分别从90 V增加到182 V、142 V增加到324 V、127 V增加到272 V以及125 V增加到265 V。这说明充气压增大至4倍时，SF6、CO2、N2和空气的电弧电压分别变为原来的2.02倍、2.28倍、2.14倍和2.12倍。由此可见，在相同电弧电流情况下，随着充气压的增加，CO2的电弧能量增加最快，而 SF6的电弧能量增长速度相对最慢。通过对比图6和图7，可以看到随着电弧电流和充气压增加，不同绝缘气体的电弧电压均趋于增大，然而，充气压对电弧电压的增强影响更显著。

图8 给出了电弧电流10 kA情况下不同绝缘气体故障电弧在燃弧过程中测量的典型电弧能量变化。电弧能量是根据测量的电弧电压、电弧电流在燃弧时间内的积分计算获得。空气和N2的电弧电压相近，因此其电弧能量也几乎相同。而SF6由于电弧电压最小，因此导致其电弧能量远远小于其他三种气体。

图9 给出了电流10 kA情况下测量的不同绝缘气体故障电弧的辐射总能量。空气、CO2和N2的辐射能量比较接近，而SF6的则远远小于其他三种气体，这是因为在相同电流情况下，根据图6可知，SF6的电弧电压最小，导致其产生的焦耳热非常小，因此，电弧辐射能量也相应比较小。

图 10 给出了不同绝缘气体故障电弧辐射能量与和电弧电流的关系。随着电弧电流的增加，电弧辐射以高于线性的速度增加。当电流从 5 kA增大到 15 kA 时，SF6、CO2、N2和空气的辐射能量分别增长为原来的 5.29倍、5.09倍、5.38倍和 5.46倍，这意味着电弧辐射能量的增长速度远超过了电弧电流的增加速度。此外，由于电弧电压随电流增大而缓慢增加，因此，电流增加使得电弧辐射能量的增长速度要高于电弧能量的增加速度。

图11 给出了10 kA电流情况下电弧辐射随充气压的变化。随着充气压增加，电弧辐射的增长速度减慢。当充气压从0.1 MPa提高到0.4 MPa时，SF6、CO2、N2和空气的辐射能量分别增长至 1.86倍、1.54倍、1.47倍和1.42倍，这说明充气压增加导致电弧辐射能量的增长速度低于充气压的增加速度。

图 12给出了不同绝缘气体情况下测量的故障电弧辐射能量占焦耳热比重随电弧电流和充气压的变化。对于 SF6，随着充气压增大，辐射占焦耳热比重也随之增大，根据图7和图11，虽然充气压增加使得电弧电压和电弧辐射趋于增加，然而和其他气体相比，SF6的电弧电压最低且增速缓慢，因此焦耳热增加速度低于辐射的增大速度，进而导致辐射比重增加。而对于CO2、N2和空气，充气压的增大反而使得辐射比重趋于减小，这是因为电弧电压的增长速度超过了电弧辐射的增大速度，导致焦耳热增加得更快。然而，对于不同的气体，在同一个充气压条件下，辐射比重都随着电流的增加在一较小的范围内浮动。电流从1 kA增加至15 kA，在充气压为0.1 MPa的情况下，SF6、CO2、N2和空气电弧辐射占焦耳热比重分别为 15%～30%、25%～35%、30%～40%和 30%～40%。当电弧电流为10 kA，充气压从0.05 MPa增大到0.40 MPa，SF6辐射比重从22%增加到33%，而CO2、N2和空气电弧辐射比重分别从31%降低到19%、从40%降低到28%、从39%降低到26%。

3.3 热传递系数

热传递系数kp代表故障燃弧过程中引起压力上升的气体加热能量占输入焦耳热的比例，是评估开关柜内部压力效应的重要参数。kp可以通过标准计算方法(SCM)确定得到

式中，Qgas为加热腔体气体的能量；Qarc为注入的电弧焦耳热能量；∆p为腔体内压力上升；Cv为气体介质定容比热；V为腔体体积；M为气体摩尔质量；R为气体常数。

图13给出了电流10 kA情况下不同绝缘气体故障电弧kp随充气压的变化。对于四种绝缘气体，不同电极材料情况下kp的差异主要体现在较小气体密度(＜0.1 MPa)情况。而在较高的气体密度(＞0.1 MPa)下，不同气体介质引起的kp变化都很小，这主要是由于高气压使得电弧辐射占据更主导的作用。在这种情况下，随着密度减小，电弧辐射和电弧电压都发生减小。对于SF6，根据图12可知，充气压减小导致电弧辐射占焦耳热比重发生减小，因此，kp缓慢上升。而对于空气、N2和CO2，充气压减小引起辐射占焦耳热比重上升，因此kp缓慢减小。在更小的气体密度(＜0.1 MPa)情况下，如果输入相同的电弧能量，则周围气体可以被加热到更高的温度。在这种情况下，一方面，辐射依旧占据重要作用；另一方面，电极熔化蒸发以及金属蒸汽与周围气体化学反应的能量占焦耳热的比重也会显著提升。随着充气压减小，对于 SF6，电极熔化蒸发的能量与气体化学反应的能量相差不明显[17]，综合辐射占焦耳热比重减小的趋势，kp发生显著上升；而对于空气，电极熔化蒸发的能量大于气体化学反应的能量[10]，综合辐射占焦耳热比重增大的考虑后，kp快速下降；对于CO2，在电极熔化蒸发、化学反应吸热以及辐射占焦耳热比重增大三者共同作用下，kp显著下降；对于N2，由于其与不同的电极材料均不会发生反应，熔化蒸发在能量平衡中的影响增强，综合辐射占焦耳热比重增大的考虑后，kp趋于减小。

4 结论

以密闭腔体内部故障电弧为研究对象，开展试验研究了空气、SF6、CO2和 N2四种不同绝缘气体对腔体内部压力上升、电弧能量、辐射能量和热传递系数的影响，得出如下主要结论。

(1) 相同电弧能量注入情况下，SF6由于具有较高的比热容因此引起的压力上升最小，而空气的则最高；最大压力上升和注入的电弧能量几乎成线性增长关系。

(2) 随着电弧电流和充气压增加，不同绝缘气体的电弧电压均趋于增大，然而充气压对电弧电压的增强影响更显著；同一电流情况下，CO2的电弧电压最高，而SF6的则最低。

(3) 随着充气压增大，对于SF6，电弧电压增加速度低于辐射的增大速度，辐射占焦耳热比重发生增大；而对于CO2、N2和空气，充气压的增大使得电弧电压的增长速度超过了电弧辐射的增大速度，因此其辐射比重反而趋于减小。

(4) 随着充气压减小，空气、CO2和N2的热传递系数都发生减小；而SF6的kp则趋于上升，这主要是由故障电弧能量平衡的变化引起的。