10 kV開關柜快速滅弧裝置的應用

林中森+鄒軍+夏良標

摘 要：中低壓開關柜內部電弧故障嚴重影響了電力設備的安全運行。采用主動式快速滅弧裝置，在4 ms的時間內將故障電弧消除在初始階段，不讓其產生壓力效應、熱和輻射效應，最大程度地減小電弧故障造成的危害。

關鍵詞：10 kV開關柜；電弧故障；快速滅弧裝置；放電

中圖分類號：TM561.5；TM591 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）24-0153-02

隨著電網中配電網容量的逐漸增大，中低壓開關柜內部電弧故障嚴重制約了電力系統的安全運行。它不僅會使中壓開關設備被燒毀，還會威脅運行人員和設備的安全。另外，系統內曾經多次出現因為開關柜內部電弧短路故障而造成設備損壞、設備越級跳閘，導致10 kV母線停電、開關柜爆炸損壞等事件，這都嚴重威脅著電力系統的安全、可靠運行。目前，10 kV開關切除電弧故障的時間為100 ms～2 s，并不能快速熄滅故障電弧。因此，需要探測和防護10 kV開關柜內部的電弧，以確保設備和工作人員的安全。

1 開關柜內部電弧故障危害

電弧是發生在放電過程中的一種現象。當兩點之間的電壓超過其空氣絕緣強度極限時，就會產生電弧。當合適的條件出現時，會產生一個攜帶著電流的等離子，直到電源側的保護設備斷開才會消失。當電弧燃燒時，中心區溫度會達到9 726.85 ℃以上，表面溫度達到了2 726.85～3 726.85 ℃，同時，還會發出強烈的白光。由于異常電弧會釋放巨大的能量，引發各種電弧效應，所以，會使銅排、鋁排熔毀和汽化，使電纜熔毀、電纜包覆層著火，造成柜內被污損、保護漆被焚毀、清理困難等；再加上電弧故障的開關柜本身被嚴重損壞，使得高溫、高壓氣體極快地擴散到相鄰盤體，從而造成多組開關柜被同時燒毀。如果電弧較長時間不能被熄滅，就會有爆炸的可能，危及電力系統的運行安全，進而造成一定的人員傷亡和巨大的財產損失。

在開關柜內部故障電弧燃燒期間，產生的電弧效應包括壓力效應、熱和輻射效應。

1.1 壓力效應

燃燒的電弧將周圍的空氣加熱，導致空氣急劇膨脹，在開關柜內部產生巨大的壓力。這時，開關柜的門可能會被氣體炸開，致使開關柜內部某些不牢固的部件從中噴射出。當高溫高壓氣體摻雜著金屬顆粒噴射到開關柜外部時，會對附近的工作人員造成一定的傷害。

1.2 熱和輻射效應

電弧的熱（燃燒）效應作用于開關柜的銅排、絕緣件和鋼板上，燃燒的電弧會將這些材料熔化、蒸發。電弧的燃燒效應可能會切開母線和導線，在開關柜柜殼上燃燒成洞，使設備被毀壞。灼熱的氣體可能會從開關柜中爆炸而出，使得設備被損壞或造成一定的人員傷害，同時，還會產生有毒氣體。電弧燃燒所產生的亮光會引發巨大的輻射效應。

根據開關柜內部電弧的發展過程，中壓開關柜內部弧光故障會經歷壓縮、膨脹、熱輻射排放等階段。其中，壓縮和膨脹階段的時間為10～30 ms，在這個階段內，開關柜內部產生的動態氣體壓力波達到峰值。在輻射排放階段，電弧能量繼續輸入燃弧點，會產生高溫、高速的氣流和微粒，而燃弧也會產生大量的熱能作用于開關設備的零部件上，有可能會燒穿開關設備。熱輻射排放的時間會持續幾百毫秒甚至是幾秒鐘，直到開關柜內部電弧故障被切除。

電弧產生的能量與I2t成正比，隨著時間的推移，內部電弧的破壞效果會越來越強，具體情況如圖1所示。在電弧發生10～30 ms的時間里，開關柜內部氣體壓力達到峰值；在40～60 ms 的時間里，低燃點的絕緣材料比如隔板、絕緣罩開始大規模燃燒；在80～100 ms的時間里，開關柜內部的電纜、環氧樹脂等絕緣材料開始大規模燃燒；在150 ms左右，銅排和鋼板開始燃燒。因此，如何限制內部電弧的燃燒時間，成為了有效解決開關柜內部電弧故障危害的主要因素。

2 傳統內部電弧故障保護方式

目前，在中低壓開關柜中，主要采用電流保護和弧光保護的方式來保護開關柜內部的電弧故障，常用的保護方式主要有以下4種。

2.1 變壓器后備過電流保護

開關柜母線故障采用變壓器后備過流保護，故障消除時間為1.2～1.4 s。這是目前國內應用最廣泛的中壓母線保護方案。考慮到饋線與母線分段開關之間的配合，一般會將保護跳閘時間整定為1.0～1.4 s，有時甚至會更長，達2.0 s以上。很顯然，這一動作速度遠遠不能滿足快速切除中壓母線故障的要求。

2.2 高阻抗保護

當開關柜母線發生故障時，采用高阻抗保護的方式，故障消除時間約為100 ms。這是國外某些重要項目曾采用的專用電流差動中壓母線保護方案，典型的保護動作時間為35～60 ms。考慮到斷路器的開斷時間，這一動作速度與要求在100 ms 以內消除故障的速度比相對較慢。采用這種方案，接線較為復雜，對CT的要求很高，同時，在有很多出線的6～35 kV的母線上安裝保護開關時會遇到很多問題。另外，這種方式也很不經濟。

2.3 速斷保護

當開關柜電纜室發生故障時，采用速斷保護的方式，故障消除時間為100 ms。利用電流速斷的方式施行保護，保護斷路器的開斷時間為100 ms。當故障切除時間過長，且電纜室發生單相接地的內部電弧故障時，電流速斷保護無法迅速動作。

2.4 弧光保護

當開關柜出現故障時，采用弧光保護的方式，故障消除的時間為70 ms。20世紀60 年代，一些發達國家開始研究弧光短路故障。20世紀80—90 年代，已經對這種故障特性有了深入的了解，并提出了各種弧光短路的防護措施。電弧光保護系統作為一種主動性防護措施，被廣泛應用于歐美國家的電力系統和廠礦企業中，距今已有20年的歷史了。

弧光保護是將安裝在柜內各間隔中的弧光傳感器作為光感應元件，檢測母線故障和斷路器室、電纜室故障。在發生弧光故障時，會檢測到突然增強的弧光信號，這時，光信號就會把弧光傳輸給主控單元。弧光保護系統通過檢測開關柜內部發生故障時發出的弧光和電流突變量，來判斷是否有故障發生。在跳閘回路中，弧光保護采用快速固態繼電器，系統從檢測弧光到出口跳閘的時間小于4 ms，斷路器開斷時間約為60 ms，故障消除時間約為70 ms。endprint

以上4種保護方式的動作時間都較長，無法在內部電弧產生的最初階段熄滅電弧，將故障損失降到最低。在10～30 ms時，開關柜內部的氣體壓力就已經達到了峰值，因此，需要一種主動性較強、能快速熄滅電弧的裝置保護開關設備。

3 快速滅弧裝置的原理和應用

快速滅弧裝置要將故障電弧消除在初始階段，不讓其產生壓力效應、熱和輻射效應。與傳統的保護方式相比，使用該裝置具有熄滅電弧時間小于4 ms，能最大程度地減少電弧故障的優點。在發生電弧故障、開關柜柜內壓力和溫度急劇增加以前，采用快速滅弧裝置可以熄滅故障電弧，并切除短路電流，將損失降到最低。在排除了電弧故障，完成了有限清理工作后，開關柜可以繼續工作，并迅速恢復供電。

快速滅弧裝置是由一次主元件、檢測控制裝置和弧光檢測探頭組成的。檢測控制裝置在2 ms內能檢測出故障弧光和故障電流信號，一次主元件收到動作指令后，在1.5 ms內動作，將三相主回路接地，熄滅電弧（電弧故障出現后4 ms內熄滅電弧）。

弧光檢測控制裝置通過持續監測保護范圍內的系統電流和弧光信號，迅速、可靠地判斷出是否有電弧故障發生。如果裝置判斷電弧故障已經發生，檢測控制裝置會立即觸發3個一次主元件動作，將帶電母線連接到接地回路，實現系統三相金屬性接地短路，以熄滅電弧。

快速滅弧裝置一次主元件安裝在系統帶電母線與地之間，每相1個。一次主元件是將真空滅弧室與微型氣體發生器和驅動機構有效結合起來，其動作時間小于1.5 ms。當動作信號被觸發后，一次主元件內部微型氣體發生器會快速地提升活塞室底部的氣壓，推動活塞運動，破開預先處理過的連接點，驅動接地的動觸頭擊穿隔膜并插入高壓電位的靜觸頭中。動觸頭到位后實現自動閉鎖，確保一次母線與地可靠連接。一次主元件結構如圖2所示。

弧光檢測控制裝置作為快速滅弧裝置的基本單元，可以快速、可靠地檢測出設備內部的電弧故障。弧光檢測是利用安裝在開關設備隔室內的弧光檢測探頭完成對光強度的檢測，當光照強度達到定值時動作。弧光檢測探頭是利用絕緣的光纖與裝置連接在一起，當檢測到弧光動作信號時，裝置面板上能夠準確顯示動作的弧光檢測通道號。弧光檢測裝置完全采用快速的模擬電子電路，特殊設計的硬件可以保證整個檢測控制系統功能的安全性。電流檢測通常是通過檢測系統本段的進線保護級電流互感器來實現的，如果瞬時電流大于設定值，那么，故障電流動作判據將被激活。該弧光檢測裝置采用檢測弧光和過流雙判據原理，具有原理簡單，動作可靠、迅速，對變電站一次設備無特殊要求，適應于各種運行方式，在各種運行方式下保護都不需要切換等優點。

弧光檢測探頭（光傳感器）可放置在開關設備的任何位置，通常安裝在開關柜各間隔室中，也可沿母線放置。弧光傳感器使用的光纖，內芯材料為聚甲基丙稀酸甲脂，外表護套材料為PVC，易于安裝和使用。另外，使用光纖線傳輸具有抗電磁干擾的優勢，不需要使用特殊保護護套或其他保護設備。光纖傳輸保證了電弧光保護系統的響應時間最短。在規劃安裝探頭時，必須要保證快速滅弧裝置保護區內的所有開關柜隔室都能被監測到，保護區內系統所有的開關柜都能被監測到。

與傳統的保護相比，配置快速滅弧裝置能更快地檢測到內部電弧故障（2 ms），迅速抑制故障電弧（4 ms），減少電弧故障造成的破壞。它可應用于發電廠、變電站、工業和商業配電系統的10 kV中壓母線上。使用該設備，可以確保從事運行檢修工作人員的安全，當發生嚴重的電弧故障時，能避免開關設備嚴重受損，減少開關設備的停電時間和維修成本，限制故障發生時開關設備內部壓力上升。當發生內部電弧故障時，在壓力和溫度急劇升高以前，采用快速滅弧裝置就可以熄滅故障電弧并切除短路電流，將損失降到最低。在排除了電弧故障，完成了有限清理工作后，開關柜可以繼續工作，供電也將迅速恢復，進而有效提高供電的可靠性。

〔編輯：白潔〕endprint

以上4種保護方式的動作時間都較長，無法在內部電弧產生的最初階段熄滅電弧，將故障損失降到最低。在10～30 ms時，開關柜內部的氣體壓力就已經達到了峰值，因此，需要一種主動性較強、能快速熄滅電弧的裝置保護開關設備。

3 快速滅弧裝置的原理和應用

快速滅弧裝置要將故障電弧消除在初始階段，不讓其產生壓力效應、熱和輻射效應。與傳統的保護方式相比，使用該裝置具有熄滅電弧時間小于4 ms，能最大程度地減少電弧故障的優點。在發生電弧故障、開關柜柜內壓力和溫度急劇增加以前，采用快速滅弧裝置可以熄滅故障電弧，并切除短路電流，將損失降到最低。在排除了電弧故障，完成了有限清理工作后，開關柜可以繼續工作，并迅速恢復供電。

快速滅弧裝置是由一次主元件、檢測控制裝置和弧光檢測探頭組成的。檢測控制裝置在2 ms內能檢測出故障弧光和故障電流信號，一次主元件收到動作指令后，在1.5 ms內動作，將三相主回路接地，熄滅電弧（電弧故障出現后4 ms內熄滅電弧）。

弧光檢測控制裝置通過持續監測保護范圍內的系統電流和弧光信號，迅速、可靠地判斷出是否有電弧故障發生。如果裝置判斷電弧故障已經發生，檢測控制裝置會立即觸發3個一次主元件動作，將帶電母線連接到接地回路，實現系統三相金屬性接地短路，以熄滅電弧。

快速滅弧裝置一次主元件安裝在系統帶電母線與地之間，每相1個。一次主元件是將真空滅弧室與微型氣體發生器和驅動機構有效結合起來，其動作時間小于1.5 ms。當動作信號被觸發后，一次主元件內部微型氣體發生器會快速地提升活塞室底部的氣壓，推動活塞運動，破開預先處理過的連接點，驅動接地的動觸頭擊穿隔膜并插入高壓電位的靜觸頭中。動觸頭到位后實現自動閉鎖，確保一次母線與地可靠連接。一次主元件結構如圖2所示。

弧光檢測控制裝置作為快速滅弧裝置的基本單元，可以快速、可靠地檢測出設備內部的電弧故障。弧光檢測是利用安裝在開關設備隔室內的弧光檢測探頭完成對光強度的檢測，當光照強度達到定值時動作。弧光檢測探頭是利用絕緣的光纖與裝置連接在一起，當檢測到弧光動作信號時，裝置面板上能夠準確顯示動作的弧光檢測通道號。弧光檢測裝置完全采用快速的模擬電子電路，特殊設計的硬件可以保證整個檢測控制系統功能的安全性。電流檢測通常是通過檢測系統本段的進線保護級電流互感器來實現的，如果瞬時電流大于設定值，那么，故障電流動作判據將被激活。該弧光檢測裝置采用檢測弧光和過流雙判據原理，具有原理簡單，動作可靠、迅速，對變電站一次設備無特殊要求，適應于各種運行方式，在各種運行方式下保護都不需要切換等優點。

弧光檢測探頭（光傳感器）可放置在開關設備的任何位置，通常安裝在開關柜各間隔室中，也可沿母線放置。弧光傳感器使用的光纖，內芯材料為聚甲基丙稀酸甲脂，外表護套材料為PVC，易于安裝和使用。另外，使用光纖線傳輸具有抗電磁干擾的優勢，不需要使用特殊保護護套或其他保護設備。光纖傳輸保證了電弧光保護系統的響應時間最短。在規劃安裝探頭時，必須要保證快速滅弧裝置保護區內的所有開關柜隔室都能被監測到，保護區內系統所有的開關柜都能被監測到。

與傳統的保護相比，配置快速滅弧裝置能更快地檢測到內部電弧故障（2 ms），迅速抑制故障電弧（4 ms），減少電弧故障造成的破壞。它可應用于發電廠、變電站、工業和商業配電系統的10 kV中壓母線上。使用該設備，可以確保從事運行檢修工作人員的安全，當發生嚴重的電弧故障時，能避免開關設備嚴重受損，減少開關設備的停電時間和維修成本，限制故障發生時開關設備內部壓力上升。當發生內部電弧故障時，在壓力和溫度急劇升高以前，采用快速滅弧裝置就可以熄滅故障電弧并切除短路電流，將損失降到最低。在排除了電弧故障，完成了有限清理工作后，開關柜可以繼續工作，供電也將迅速恢復，進而有效提高供電的可靠性。

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以上4種保護方式的動作時間都較長，無法在內部電弧產生的最初階段熄滅電弧，將故障損失降到最低。在10～30 ms時，開關柜內部的氣體壓力就已經達到了峰值，因此，需要一種主動性較強、能快速熄滅電弧的裝置保護開關設備。

3 快速滅弧裝置的原理和應用

快速滅弧裝置要將故障電弧消除在初始階段，不讓其產生壓力效應、熱和輻射效應。與傳統的保護方式相比，使用該裝置具有熄滅電弧時間小于4 ms，能最大程度地減少電弧故障的優點。在發生電弧故障、開關柜柜內壓力和溫度急劇增加以前，采用快速滅弧裝置可以熄滅故障電弧，并切除短路電流，將損失降到最低。在排除了電弧故障，完成了有限清理工作后，開關柜可以繼續工作，并迅速恢復供電。

快速滅弧裝置是由一次主元件、檢測控制裝置和弧光檢測探頭組成的。檢測控制裝置在2 ms內能檢測出故障弧光和故障電流信號，一次主元件收到動作指令后，在1.5 ms內動作，將三相主回路接地，熄滅電弧（電弧故障出現后4 ms內熄滅電弧）。

弧光檢測控制裝置通過持續監測保護范圍內的系統電流和弧光信號，迅速、可靠地判斷出是否有電弧故障發生。如果裝置判斷電弧故障已經發生，檢測控制裝置會立即觸發3個一次主元件動作，將帶電母線連接到接地回路，實現系統三相金屬性接地短路，以熄滅電弧。

快速滅弧裝置一次主元件安裝在系統帶電母線與地之間，每相1個。一次主元件是將真空滅弧室與微型氣體發生器和驅動機構有效結合起來，其動作時間小于1.5 ms。當動作信號被觸發后，一次主元件內部微型氣體發生器會快速地提升活塞室底部的氣壓，推動活塞運動，破開預先處理過的連接點，驅動接地的動觸頭擊穿隔膜并插入高壓電位的靜觸頭中。動觸頭到位后實現自動閉鎖，確保一次母線與地可靠連接。一次主元件結構如圖2所示。

弧光檢測控制裝置作為快速滅弧裝置的基本單元，可以快速、可靠地檢測出設備內部的電弧故障。弧光檢測是利用安裝在開關設備隔室內的弧光檢測探頭完成對光強度的檢測，當光照強度達到定值時動作。弧光檢測探頭是利用絕緣的光纖與裝置連接在一起，當檢測到弧光動作信號時，裝置面板上能夠準確顯示動作的弧光檢測通道號。弧光檢測裝置完全采用快速的模擬電子電路，特殊設計的硬件可以保證整個檢測控制系統功能的安全性。電流檢測通常是通過檢測系統本段的進線保護級電流互感器來實現的，如果瞬時電流大于設定值，那么，故障電流動作判據將被激活。該弧光檢測裝置采用檢測弧光和過流雙判據原理，具有原理簡單，動作可靠、迅速，對變電站一次設備無特殊要求，適應于各種運行方式，在各種運行方式下保護都不需要切換等優點。

弧光檢測探頭（光傳感器）可放置在開關設備的任何位置，通常安裝在開關柜各間隔室中，也可沿母線放置。弧光傳感器使用的光纖，內芯材料為聚甲基丙稀酸甲脂，外表護套材料為PVC，易于安裝和使用。另外，使用光纖線傳輸具有抗電磁干擾的優勢，不需要使用特殊保護護套或其他保護設備。光纖傳輸保證了電弧光保護系統的響應時間最短。在規劃安裝探頭時，必須要保證快速滅弧裝置保護區內的所有開關柜隔室都能被監測到，保護區內系統所有的開關柜都能被監測到。

與傳統的保護相比，配置快速滅弧裝置能更快地檢測到內部電弧故障（2 ms），迅速抑制故障電弧（4 ms），減少電弧故障造成的破壞。它可應用于發電廠、變電站、工業和商業配電系統的10 kV中壓母線上。使用該設備，可以確保從事運行檢修工作人員的安全，當發生嚴重的電弧故障時，能避免開關設備嚴重受損，減少開關設備的停電時間和維修成本，限制故障發生時開關設備內部壓力上升。當發生內部電弧故障時，在壓力和溫度急劇升高以前，采用快速滅弧裝置就可以熄滅故障電弧并切除短路電流，將損失降到最低。在排除了電弧故障，完成了有限清理工作后，開關柜可以繼續工作，供電也將迅速恢復，進而有效提高供電的可靠性。

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