开关柜发生内部故障时，高温度和大功率的电弧使开关柜内温度快速升高，造成柜内压力急剧升高，类似于爆炸过程，开关柜的内部故障相当于压力容器的爆破。当压力释放板打开时,巨大的压力伴随着气化的高温粒子等也会对开关室的产生一定程度的破坏。笔者曾看到在35KV开关柜内部故障后，10米高的开关室顶部灯罩和墙皮全部脱落，可想而知冲击波的压力是巨大的。事实上，开关柜的使用和运行时，内部故障燃弧事故虽然极少发生，但是不能完全避免。为了确保电力设备运行使用人员的人身安全，国家电网公司在2010年出台的最新标准（标准号：1016001-0010-01）就要求所有最新招标使用的金属封闭开关设备必须通过内部燃弧试验。

      在电弧故障发生的过程中，电弧能量转化为热量，大部分传递给周围的气体、导体及壳体。故障初始阶段，热量主要传递给隔室内的气体；而故障后阶段，主要传递于导体及隔室壳体。电弧能量以强辐射的方式，将热量传递给隔室中的气体。与此同时，弧根周围的气体受热后急剧膨胀，气体分子、离子以光速向四周冲击运动，传递热量，导致整个隔室中的气体迅速膨胀，温度急剧升高，压强急剧增大，隔室壳体受到巨大的冲击。因此，当压力释放盖板打开瞬间，相当于压力容器爆炸。

      本文试图通过爆炸冲击学原理，分析计算开关柜内部故障事故爆破波对开关柜顶部的破坏压力及危险程度，同时通过计算分析，强调开关柜安装压力释放通道的必要性。压力容器爆炸时，爆破能量在向外释放时以冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能量3种形式表现出来。后二者所消耗的能量只占总爆破能量的3％～15％，也就是说，大部分能量是产生空气冲击波。

      计算压力容器爆破时冲击波产生的超压对目标的伤害／破坏作用，可按下列程序(1) 以40KA 母线室内部故障为例：

      (6)根据超压Δps值，确定对人员和建筑物的伤害一破坏作用。一般来说冲击波超压达到0.1~0.2Mpa时会破坏钢筋混凝土结构，房屋倒塌。而冲击波超压达到0.2~0.3Mpa时，大型钢架结构将被破坏。当超压大于0.1Mpa时，大部分人会死亡。上述计算结果超压达到0.08Mpa，即可使砖墙倒塌，人的内脏严重受损。

通过上述程序对开关柜母线室内部故障不同短路电流及距离柜顶的距离，根据爆炸产生的最大正压力即是冲击波波阵面上的超压Δps,计算结果得出以下曲线.

图 1  开关柜内部故障等级和柜顶距离压力曲线 

      根据GB3906内部故障试验空间模拟的要求，天花板应距试验样品上部距离为600mm±100mm。通过计算可以得出，当发生40kA/1s母线室内部故障时距离柜顶600mm的地方超压达到0.08Mpa，即可使砖墙倒塌，人内脏严重损伤。 而通常开关柜室考虑到维护，要求房顶距离开关柜室顶部距离为800~1000mm，因此一般开关柜室的高度在4米左右， 由计算得知40kA/1s内部故障时距离柜顶900mm的地方超压达到0.02Mpa, 同样会造成墙裂缝，对人体有轻微损伤。所以，如果只是保证开关柜盖板和门板等不被冲开，而对释放出的压力不做防护，同样会造成人员伤亡和财产损失。

      而通过对比有无压力释放通道的内部故障试验（图2），可以发现未安装压力释放通道的IAC 试验，开关柜前及四周火焰很大，势必造成财产损失及人员伤害。而安装压力释放通道的内部故障试验时，开关柜周围没有任何火焰，高温粒子及火焰通过释放通道释放到开关室外部，开关室内部非常安全。因此安装压力释放通道可以最大限度的保护操作人员安全。

图2 有无压力释放通道的内部故障试验的现象对比

      以上数据显示 , 发生内部电弧故障时，除了需要保证开关柜外壳及隔板保持完好, 高温高压气体能够从预设的压力盖板下释放,以及不伤及人员外，还需要考虑发生内部故障时，其冲击波产生的超压破坏力是巨大的，因此安装柜顶水平压力释放通道非常有必要。在欧洲及北美地区，安装压力释放通道是通用的要求；而对于一些特殊场合的应用，如船舶、煤矿等，把压力、火焰、燃烧颗粒等释放到独立的空间可以保证安全。压力释放通道可以根据具体开关室、户外箱等具体布置，设计成如下图3从开关柜前、后及侧面释放的方式。

图3  开关柜安装水平压力释放通道的布置

结束语

      随着IEC62271-200:2003的标准把内部故障试验作为必试项目，内部故障越来越引起人们的重视，各开关柜生产厂开始重视对开关柜内部故障的研发。但只是通过对开关设备柜体结构进行加强，配备相应的压力释放盖板及关门操作等措施被动的实现设备对内部故障的防护，而忽略对释放出的压力进行防护，同样会在实际工程中造成对人员的伤害和财产的损失。而通过合理可靠的压力释放通道安装，可以避免给实际运行设备留下安全隐患，更加可靠的保护人员财产安全。