AE快速消弧裝置

Carlo Gemme Michele Pasinetti Renato Piccardo

（ABB PT (SACE) 米蘭，意大利）

1 引言

開關設備燃弧會造成嚴重后果，電弧的形成只需幾毫秒時間，但是，在燃弧過程中能量的釋放是驚人的，可造成嚴重傷害事故，甚至人員死亡。現有許多電弧保護裝置，用于縮短電弧故障電流持續時間，但這并不一定能防止電弧故障造成的損害。電弧故障造成的損害取決于電弧電流以及燃弧時間，這兩個參數中，只有時間是可以控制。

ABB產品組合中有多種可靠的電弧保護系統，有的可在50ms內消弧，由于有了快速消弧裝置，ABB的產品組合得到進一步拓寬。對開關設備而言，這種裝置綜合了其他ABB保護的優點，是一種特別的安全措施，類似于汽車的安全氣囊。快速消弧裝置通過快速閉合的接地開關，在5ms內讓母線系統對地形成短路。作為一種主動保護系統，已經被集成到ABB的UniGear開關設備中。除了快速外，消弧器可節省大量維修費用和減少停電時間。

2 開關柜在內部燃弧故障發生時的防護措施

開關設備內部產生電弧的主要原因是因為絕緣老化、母線接觸不良、維護保養不足、小動物進入柜內或人為誤操作等。當發生內部燃弧時，如果沒有電弧保護，會造成巨大損害，甚至是致命的傷害[1]。電弧[1]引起周圍空氣溫度和柜內的壓力急速升高，釋放的能量和爆炸產生的能量相當。

現今中壓空氣絕緣開關設備（AIS）和氣體絕緣開關設備（GIS）中，燃弧故障造成人身傷害的概率較小，主要是因為操作人員通過開關設備完善的結構得到保護。換言之，開關設備可承受內部燃弧產生的壓力和熱量，通過泄壓通道將高溫高壓氣體排出，使操作人員得到保護（見圖1）。

圖1 開關設備可承受內部燃弧產生的壓力

另外，可通過適合的繼電保護裝置來縮短燃弧持續時間，減輕燃弧故障造成的損害。

一些國際標準[2]規定，操作人員不能在裸露的帶電部件上工作，甚至不能靠近帶電部件。不管如何遵從安全工作條例，對于帶電設備而言，風險總是存在的。存在某些情況：在設備不帶電狀態下，無法發現設備問題，必須在設備帶電的情況下進行工作，才能發現問題。

用常規保護繼電器驅動斷路器切除故障，需要100～200ms的時間。在這段時間內，操作人員的安全完全由開關設備予以保證。如此時柜內發生燃弧故障，情況就不同了，故障發生最初的120ms被認為是電弧的動態階段，在此階段，壓力增加，高溫氣體膨脹。這些因素綜合起來，會完全破壞柜內的設備，造成設備運行中斷并產生高昂的維修費用。

電弧保護裝置可減少燃弧故障持續時間，從而限制故障點釋放的能量。事實上，ABB開關設備產品組合中就有多種電弧保護系統，如TVOC、REA和FRD，這些電子裝置采用感光或壓力傳感器，能在幾毫秒內檢測到內部燃弧的發生，考慮繼電保護和斷路器動作所需的時間，切除燃弧故障平均所需時間在100ms左右。

限流裝置可降低故障電流的幅值和持續時間。限流裝置必須在故障電流第一個1/4周波內動作，從而防止故障電流達到非對稱波形的第一個峰值。ABB公司的Is限流器是此類裝置的一個代表，它的動作時間極短，可在1ms內動作。Is限流器可安裝在專用進線開關設備上，或裝于兩個不同短路容量系統的母線聯絡開關設備上。盡管它比其他電弧保護裝置昂貴，但在重要場所，考慮到成本和效益平衡問題，安裝Is限流器是物有所值的。

3 ABB的快速消弧裝置（AE）可在5ms內形成短路而進行消弧，可獨立安裝于現有開關設備上

快速消弧裝置（AE）綜合了上述電弧保護裝置的優點，是成本/效益最佳的解決方案，一個裝置可保護整個母線系統，其速度極快，可在5ms內形成接地短路，熄滅柜內燃弧。一套快速消弧裝置典型的配置是在每段母線上安裝一臺快速消弧裝置，可保護多達10面開關柜。使用快速消弧裝置后，發生燃弧故障產生的熱損害和釋放的有毒氣體將降低至1s內部燃電弧試驗時的1%，因此，不再需要在開關柜內配置壓力釋放通道。盡管配置快速消弧裝置后，壓力升高受到限制，但在快速消弧裝置動作前，壓力仍然可增加到較高的水平。所以，內部發生燃弧故障時，如果開關設備配置了壓力釋放系統，壓力釋放可能會動作，但不會再釋放高溫或有毒氣體。

快速消弧裝置最初是為ABB的AX1 空氣絕緣（AIS）開關設備[3]開發并申請專利，現已是ABB公司UniGear空氣絕緣（AIS）開關設備產品的一部分（圖2）。其配置結構是把裝有快速消弧裝置安裝在母線系統中，通過安裝在每個開關柜隔室內的光纖檢測內部燃弧。裝備有快速消弧裝置的UniGear開關設備已通過意大利的CESI實驗室試驗，試驗結果詳見參考文獻[4]和[5]。

圖2

快速消弧裝置也可獨立裝置于現有開關設備上，起到主動保護的作用，可在幾毫秒內檢測并熄滅燃弧（類似于汽車中的安全氣囊），可給操作人員提供更高的安全保護。

3.1 快速消弧裝置

快速消弧裝置實際上是一個快速動作的開關，如圖3所示為單相極柱剖面圖。每個快速消弧裝置開關極柱都被固封在環氧樹脂絕緣極柱內。如果開關柜內發生內部燃弧故障，快速消弧裝置控制單元（ECU）通過光傳感器檢測的信號發出動作指令。湯姆遜線圈驅動快速消弧裝置動觸頭在SF6氣體內高速運動，使接地銅排與高壓電極之間接通形成短路，高壓電極接地短路形成時間不到5ms（見圖4）。

圖3 快速消弧裝置(AE)單相極柱剖面圖

圖4 快速消弧裝置-事件過程

在發生內部燃弧故障時，維持電弧至少需要100V的電壓。如果此時快速消弧裝置動作，高壓電極接地短路后，高壓電極間及對地電壓會突然下降到不能維持電弧的水平。

SF6的絕緣特性使快速消弧裝置結構設計非常緊湊，同樣的極柱可用于12～24kV的電壓范圍內。快速消弧裝置采用電儲能，且裝置可以持續監測儲能狀況[6]，同時監測電源、觸發電路和控制器等回路。

一面UniGear開關柜通常有三個獨立的高壓隔室（母線室、斷路器室和電纜室），一臺快速消弧裝置電子模塊擁有6個光纖輸入口加上一個電信號輸入，一臺快速消弧裝置可直接保護2面開關柜。通過擴展接口，一臺快速消弧裝置保護的開關柜數量可增加到17面，一臺快速消弧裝置通過擴展接口可連接5臺TVOC裝置，每臺TOVC配置9個光纖輸入口。擴展后，開關柜如果出現內部燃弧故障，快速消弧裝置的動作時間不會因為TOVC存在而受到影響。

3.2 系統運行

為了驗證快速消弧裝置在UniGear上的應用效果，必須評估系統和快速消弧裝置所能保護的開關柜最大數量，這取決于線路阻抗和UniGear開關設備母線的阻抗Lb和Rb（圖5）。圖5為用于驗證快速消弧裝置的簡化電路，相對于整個配電系統來說，線路的并聯阻抗（即從內部燃弧故障位置和快速消弧裝置接地短路點的位置相并聯）是很小的，所以，隨著快速消弧裝置的動作，燃弧點的電壓也隨之降低。

采用4到10面開關柜進行的模擬仿真初步結果表明，故障（電弧）和快速消弧裝置之間的電流分配不存在問題，即使開關柜數量相對較大時也一樣。從仿真初步結果可以清晰的得出線路L/R的比值影響電流波形，也因此影響滅弧能力。較大L/R數值意味著直流分量衰減速率較為緩慢，電弧故障的持續時間稍長一些。模擬仿真結果在意大利CESI實驗室進行電力試驗中得到了驗證[7]，試驗中，采用一條電力電纜作并聯阻抗，用于連接內部燃弧故障點和快速消弧裝置。

圖5 驗證電力回路的并聯阻抗小到 確保使燃弧熄滅的模擬電路

圖6 （a）為試驗接線圖，在CB1 開關柜上模擬31 kA 內部燃弧故障，信號被傳輸到安裝在CB3開關柜上的快速消弧裝置上。

在圖表6（b）中，時間軸采用了兩種不同的時間刻度值。圖表上所顯示的量分別為相電流（紅色）、電弧電壓（藍色）和釋放能量（綠色）。在T0時刻，CB1柜電纜室內各相間用細導線連接形成三相短路故障，高壓電源投入。細導線被迅速熔化，開關柜內發展為三相間內部燃弧故障，內部燃弧故障點的相間電壓升高到數百伏（在T1時）。同時從供電源側流向CB1燃弧故障處的電流增加。內部燃弧故障釋放能量的同時，伴隨著閃光，使故障點處的空氣溫度和氣體壓力升高，快速消弧裝置控制單元（ECU）檢測到閃光信號，快速消弧裝置立即動作。

在T2時，快速消弧裝置使三相高壓電極接地短接，形成與燃弧電壓并聯的低阻抗通道，使得內部燃弧處高壓電極間電壓大幅度下降。流過電弧的電流減少，故障電流通過電纜，從CB1，流過CB2，流向快速消弧裝置。從故障到故障檢測再到快速消弧裝置動作，整個動作順序過程在5ms內完成。到T3時，電流已經完全被轉移到快速消弧裝置了，根據并聯線路的長度和阻抗情況，內部燃弧處高壓電極間的電壓已降低到幾伏的水平，故障電流一直持續，直到電源側CB1最終切斷電源。快速消弧裝置的額定短路電流值為（31.5kA 3s 和50kA 1s)，快速消弧裝置可承受內部燃弧故障轉移過來的電流直至電源被切斷。

T2～T3的時間在0～2ms之間，快速消弧裝置動作受電源位置，以及接地短路點到內部燃弧故障點的并聯阻抗大小的影響。通過內部燃弧故障電流40 kA（有效值）/100 kA（峰值）試驗時得出最大值為2ms，試驗時，CB1到CB2的連接采用10m長、240mm2截面的電纜。

圖6

3.3 快速消弧裝置解決方案簡單、靈活、安裝簡便

盡管在消弧過程中，電源側流過故障電流并沒有改變，快速消弧裝置動作限制了故障點電極間的電壓，從而限制了故障點釋放的能量。換句話說，發生內部燃弧故障時，快速消弧裝置動作后，故障點釋放的能量大大地降低，比持續5ms的自由燃燒時段（即從燃弧故障電流開始至快速消弧裝置動作這一時間段）的1%還要小，圖6b上T2的能量軌跡（綠色）體現了這一點。因此，在快速滅弧裝置保護下，內部燃弧故障造成的損害被限制，不會對故障點隔室造成重大破壞。

試驗中，在5ms自由燃燒時段內，燃弧故障一相釋放的能量大約為40kJ，所有三相為94 kJ。在沒有快速消弧裝置時，內部燃弧持續1s，在故障隔室內釋放出來的能量會達到有快速消弧裝置限制時的大約200倍，約2MJ，會完全摧毀隔室內的所有器件。

無論如何，在5ms自由電弧時段內，開關設備必須能夠承受住由峰值電流產生的電動力以及足以使壓力釋放裝置開啟的較高氣體壓力。開關設備內薄弱結構件可能會因此而被損壞。在圖7中，電纜線鼻處周圍的煙霧痕跡和彎曲的鋁合金底板顯示出這種破壞的情況。

圖7 在快速消弧裝置作用下40kA燃弧的影響結果

3.4 一切為了安全

操作人員的安全性是中壓電氣設備制造廠商優先考慮的重點，采用ABB的快速消弧裝置可以容易地予以實現。快速消弧裝置解決方案簡單、靈活、安裝簡便，成本效率非常高。用戶只需要進行很小的改動，就可將這種解決方案安裝于現有的開關設備上，從而提高現有設備的安全水平。

（譯略）

[1] Dyrnes,S.,Bussmann,C.(2005).Electrical -safety and arc flash protection,Electrical Safety and Arc Flash Handbook - Vol.2,12-23.

[2] NFPA 70E 2000,Standard for Electrical Safety Requirements for Employee Workplaces,See http：//www.nfpa.org (October 2007).

[3] Arnborg,C.(2001).AX1 Technical Description and Ordering Guide.

[4] CESI,(2006).Test Report A6/004406.

[5] CESI,(2006).Test Report A6/004285.

[6] Breder,H.(2003).Frequently Asked Questions on the AX1 Arc Eliminator system.

[7] CESI,(2007).Test Report A7/015852.