随着电力系统配电网的快速发展，稳定、可靠的电能供应成为配电网供电的不断追求，10kV高压开关柜以其运行可靠、操作方便等特点，在配电网中被广泛使用。然而，由于操作不当或厂家制造工艺存在缺陷等问题易导致10kV开关柜发生内部短路电弧故障，引发爆炸事故。
为了减少短路电弧故障引发的爆炸事故造成的二次伤害，开关柜大都采用隔离舱室设计，每个独立舱室均配有独立的泄能通道。GB 3906—2006把10kV开关柜内部短路电弧燃弧试验列为强制性试验，以此检验开关柜的安全性能是否达标。
尽管10kV高压开关柜已有配套的安全设计和测试标准，开关柜因爆炸引发的二次伤害事故仍时有发生。据统计，仅手车柜型式的开关柜，全国每年因短路电弧烧毁就多达200多面，多数造成了柜体破裂或柜门被冲开。可见，10kV开关柜内部短路电弧故障引发的爆炸事故仍不可忽视。
通过了安全测试的开关柜仍可能被短路电弧引发的爆炸冲击波破坏，主要原因在于负荷电流可能超过额定值，导致短路电弧能量过大。为了提升10kV开关柜的安全性能，国内外学者对于因短路电弧引起的开关柜爆裂问题展开研究，对实际开关柜在短路燃弧冲击载荷作用下柜体的强度进行分析，获得柜体强度的校核方法与流程。
有学者提出了开关柜柜门强度校核方法，在获得爆炸冲击波造成的压力升后，分析柜体铆钉、铰链、螺栓等是否符合安全设计要求。有学者通过对压力作用后薄板的应力场分析，结合材料的临界应力，提出了柜体耐受强度的数值计算方法。有学者通过对泄压通道进行改进，提出了增加缓冲室、金属网格吸收器、负压室等措施对短路电弧冲击过程中产生的高温、高压气体升进行疏导和抑制，以提升开关柜在发生短路电弧冲击过程中的安全性能。
综合上述研究成果，目前，开关柜隔离舱室的安全性能，主要取决于柜体和柜门安全裕度值，因此，传统开关柜安全性能提升方法主要采用“堵”的思路，即在现有柜门螺栓数上继续增加螺栓使用数量以及柜门、柜体的厚度，以提升开关柜的安全性能。虽然可以起到增加安全裕度的效果，但缺乏针对性，并且边际效应明显，不利于开关柜向轻质化方向发展。
针对10kV高压开关柜内部短路电弧引发的爆炸造成二次伤害的问题，长沙理工大学电气与信息工程学院、中国电力科学研究院、国网北京市电力公司的研究人员董盼、杨鑫、贾鹏飞、雷佳成、刘瑶，在2022年第11期《电工技术学报》上撰文，从开关柜柜体和柜门安全裕度比较的角度出发，提出提高开关柜安全裕度的计算方法和设计建议。
图1 内燃弧试验现场照片
研究人员采用热源等效和分舱建模的方式，利用多物理场耦合的有限元仿真，对开关柜在短路电弧冲击作用下的安全裕度进行仿真计算。以KYN28—12型开关柜电缆室为例，得到电缆室柜体和柜门的安全裕度分别为51%和2%，指出提升开关柜安全裕度的关键在于提升电缆室柜门的安全裕度。
图2 电缆室试验前后照片
此外，他们提出在柜门内侧压强较大区域，覆盖陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料的方法来提升柜门的安全裕度。以KYN28—12型开关柜电缆室为例，得出在柜门所受压强较大区域需覆盖3mm厚的陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料，可以使柜门的安全裕度达到70%，大于柜体51%的安全裕度，从而提升开关柜整体的安全性能。
图3 陶瓷化硅橡胶高分子复合耐火材料
研究人员表示，与传统提升方法相比，该方法更具针对性，可促进设备向轻质化发展，为10kV开关柜安全等级提升提供了新的解决思路与方法。
本文编自2022年第11期《电工技术学报》，论文标题为“10kV高压开关柜安全性能的提升方法”。本课题得到了国家自然科学基金和广东电网有限责任公司科技项目的支持。
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