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电气工程师们都希望电流能循规蹈矩,按照设计好的路径流动,但实际上,电能在传输过程中会在电磁场的作用下往导体外面传输。只有在低频的应用中,导体承载电能的假定才是合理的,而且幸好工频属于低频范畴,因而工程师们可以使用简单的基尔霍夫电路定律而非麦斯威尔方程式进行分析。但是如果在故障情况下,它们大多数是由于安装地点的绝缘缺陷引起的,电子就会按照自己的轨迹运行。电能加热了气体,使得电流能够随心所欲地继续沿着高导电性的通道---高电离化介质或电弧---运行。实际上,自然界对任何介质的反应都是如此。即便间隙-桥接在真空状态下,电流也会通过触头产生的金属蒸气将等离子体注入到真空间隙来自行制造介质。这就是真空开关工作的原理。自由燃烧电弧是强热源,在电气化的早期用于照明,而当前在冶金工业用于为电弧炉供能。电弧内部的温度达到20,000到50,000K,而人体组织在70ºC(158ºF)下暴露一秒钟就会被灼伤。在电力工程中,自由燃烧电弧对于公众,人身和各类设施都很危险。IEC条款中对金属封闭设备中出现的这种现象,称作“内部电弧”。在美国的文献中,自由燃烧电弧通常被称作“电弧闪络故障”。最新出版的《关于电弧闪络危害分析以及降低危害》(ISBN978-1-118-16381)一书的作者指出:“大量的技术文献表明,对电弧危害的分析已经在本行业掀起了风暴”。内部电弧试验的需求在稳步增长证实了这一点。因为内部电弧的发生无法完全避免,设备改进以及系统设计师们为此付诸了大量努力,目标是直接和间接地将内部电弧的影响降到最低。设备研发人员加固了金属封闭开关(使其抗电弧能力增强),并找到了采用排气管和压力释放装置来安全地控制压力过高和高压气体的方法;同时系统研发工程师们寻找快速保护的方法。通过试验来验证内部电弧耐受能力在降低电弧危害中起着非常重要的作用。这种试验通常在金属封闭中压开关柜上进行,故障电弧由一根细导线触发。该试验的目的是证实故障电弧产生的超高温气体不会间接地伤害开关面板或柜本体附近的工作人员。为了验证这一点,在被试设备通道处的架子上放置衣物模拟物,设备内由于压力快速上升而泄露的热气不得点燃任何模拟物。在相关的IEC 62271-200标准中规定了很多通过该试验的判据要求,但是从数以百计的内部电弧试验经验来看,引燃模拟物是试验失败的主要原因。内部电弧试验有20%的失败率,其中一半以上是因为引燃了模拟物。无法测试的是专门放置开关的开关室内部的气压上升。随着近来越来越大容量的开关设备被安装在越来越紧凑的开关室中,用户开始意识到如果无法适当地释放气压上升,会导致建筑物损坏。CIGRE工作组A3.24今年稍后将会颁布计算内部电弧引起的开关柜内部和外部气压上升的技术手册。其中一个要考虑的问题是开关的绝缘介质对其产生的影响。内部电弧在空气中的表现与在SF6中的表现完全不同。从试验和仿真模拟中得出结论,空气中的电弧导致电弧室内的压力上升得更快更高。另一方面,由于SF6气体储存热能的能力比空气更有效,临近排气室或开关室的气压会比空气的气压高。尽管如此,由于环保的原因,IEC标准允许试验时用空气替代SF6气体,从而避免了采用SF6气体做中压内部电弧试验。内部电弧试验需要大容量测试回路。故障电弧在弧体两端可以产生几百伏的电压。在低压设备中该电弧电压会自然限制电弧电流:即供电电源根本无法逾越这么高的电弧电压。但在中压设备中,电弧电流几乎不受电弧电压抵消供电电压的影响。因此,测试回路不仅需要提供故障电流,而且需要提供的电压也绝不能比设备的额定电压低太多。实际操作中更具挑战的是高压设备的内部电弧试验,难度在于故障电弧会烧穿密封的GIS罐体。电弧发生时,铝和SF6气体发生强烈化学反应的事故已有档案记录。为了从技术上保证试验的正确性,被测试的GIS设备必须充满SF6气体,但从环保角度说,这样做会产生严重的后果,因而在实际中只能在大型容器中进行试验,可以收集泄漏的有污染性SF6气体及其副产品。试验一方面要考虑健康安全和环保,另一方面还要考虑技术和经济上可行的解决方案,这将是继续刺激热门讨论的课题。
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炙手可热的内部电弧测试

February 25, 2016 • Columns, From the World of Testing, 最近文章汇总

电气工程师们都希望电流能循规蹈矩,按照设计好的路径流动,但实际上,电能在传输过程中会在电磁场的作用下往导体外面传输。只有在低频的应用中,导体承载电能的假定才是合理的,而且幸好工频属于低频范畴,因而工程师们可以使用简单的基尔霍夫电路定律而非麦斯威尔方程式进行分析。但是如果在故障情况下,它们大多数是由于安装地点的绝缘缺陷引起的,电子就会按照自己的轨迹运行。电能加热了气体,使得电流能够随心所欲地继续沿着高导电性的通道---高电离化介质或电弧---运行。实际上,自然界对任何介质的反应都是如此。即便间隙-桥接在真空状态下,电流也会通过触头产生的金属蒸气将等离子体注入到真空间隙来自行制造介质。这就是真空开关工作的原理。 自由燃烧电弧是强热源,在电气化的早期用于照明,而当前在冶金工业用于为电弧炉供能。电弧内部的温度达到20,000到50,000K,而人体组织在70ºC(158ºF)下暴露一秒钟就会被灼伤。在电力工程中,自由燃烧电弧对于公众,人身和各类设施都很危险。IEC条款中对金属封闭设备中出现的这种现象,称作“内部电弧”。在美国的文献中,自由燃烧电弧通常被称作“电弧闪络故障”。最新出版的《关于电弧闪络危害分析以及降低危害》(ISBN978-1-118-16381)一书的作者指出:“大量的技术文献表明,对电弧危害的分析已经在本行业掀起了风暴”。 内部电弧试验的需求在稳步增长证实了这一点。因为内部电弧的发生无法完全避免,设备改进以及系统设计师们为此付诸了大量努力,目标是直接和间接地将内部电弧的影响降到最低。设备研发人员加固了金属封闭开关(使其抗电弧能力增强),并找到了采用排气管和压力释放装置来安全地控制压力过高和高压气体的方法;同时系统研发工程师们寻找快速保护的方法。通过试验来验证内部电弧耐受能力在降低电弧危害中起着非常重要的作用。这种试验通常在金属封闭中压开关柜上进行,故障电弧由一根细导线触发。该试验的目的是证实故障电弧产生的超高温气体不会间接地伤害开关面板或柜本体附近的工作人员。为了验证这一点,在被试设备通道处的架子上放置衣物模拟物,设备内由于压力快速上升而泄露的热气不得点燃任何模拟物。在相关的IEC 62271-200标准中规定了很多通过该试验的判据要求,但是从数以百计的内部电弧试验经验来看,引燃模拟物是试验失败的主要原因。内部电弧试验有20%的失败率,其中一半以上是因为引燃了模拟物。 无法测试的是专门放置开关的开关室内部的气压上升。随着近来越来越大容量的开关设备被安装在越来越紧凑的开关室中,用户开始意识到如果无法适当地释放气压上升,会导致建筑物损坏。CIGRE工作组A3.24今年稍后将会颁布计算内部电弧引起的开关柜内部和外部气压上升的技术手册。其中一个要考虑的问题是开关的绝缘介质对其产生的影响。内部电弧在空气中的表现与在SF6中的表现完全不同。从试验和仿真模拟中得出结论,空气中的电弧导致电弧室内的压力上升得更快更高。另一方面,由于SF6气体储存热能的能力比空气更有效,临近排气室或开关室的气压会比空气的气压高。尽管如此,由于环保的原因,IEC标准允许试验时用空气替代SF6气体,从而避免了采用SF6气体做中压内部电弧试验。内部电弧试验需要大容量测试回路。故障电弧在弧体两端可以产生几百伏的电压。在低压设备中该电弧电压会自然限制电弧电流:即供电电源根本无法逾越这么高的电弧电压。但在中压设备中,电弧电流几乎不受电弧电压抵消供电电压的影响。因此,测试回路不仅需要提供故障电流,而且需要提供的电压也绝不能比设备的额定电压低太多。 实际操作中更具挑战的是高压设备的内部电弧试验,难度在于故障电弧会烧穿密封的GIS罐体。电弧发生时,铝和SF6气体发生强烈化学反应的事故已有档案记录。为了从技术上保证试验的正确性,被测试的GIS设备必须充满SF6气体,但从环保角度说,这样做会产生严重的后果,因而在实际中只能在大型容器中进行试验,可以收集泄漏的有污染性SF6气体及其副产品。试验一方面要考虑健康安全和环保,另一方面还要考虑技术和经济上可行的解决方案,这将是继续刺激热门讨论的课题。
Dr Rene.Smeets Rene.Smeets@dnvkema.com
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