中壓空氣絕緣開關柜內部電弧故障的研究與防護措施

陳翔 李亞 貢明慧

摘 要：中壓空氣絕緣開關柜的內部電弧故障問題是引發電力事故的主要原因之一，因此需要采用恰當的方式進行柜體強度優化與防護。基于此，本文將闡述中壓空氣絕緣開關柜內部電弧故障的原因、危害，并以被動加強開關柜結構措施、主動滅弧保護措施為切入點，深入探究開關柜柜體防護的措施，旨在能夠有效避免事故的發生和有效降低事故發生時對操作維護人員的危害，確保人身安全。

關鍵詞：空氣絕緣開關柜；電弧故障；防護措施

中圖分類號：TM591 文獻標志碼：A

0 前言

隨著電力系統的快速發展，國家對電力的質量有了更高的要求，空氣絕緣開關柜作為重要的電氣設備，需要在使用的過程中具有較高的穩定性、可靠性和安全性。但是，在實際應用中，空氣絕緣開關柜的內部電弧故障問題已經成為常見的事故類型之一，而這一事故現象對電力系統的安全運行有著直接的影響。因此，解決開關設備的電弧故障問題是中壓空氣絕緣開關柜面臨的關鍵問題，以此避免對電力系統的運行造成更加嚴重的影響。

1 中壓空氣絕緣開關柜內部電弧故障的研究

1.1 內部電弧故障的原因

在電力系統內，中壓變電所如10kV配電裝置廣泛使用了空氣絕緣開關柜，由于其自身的原理優勢，能夠在線路發生過載時第一時間斷電，保護電路與變電所的安全。但是，在實際應用的過程中，中壓配電裝置會發生一些類似絕緣，接地故障等問題，導致開關柜出現內部電弧故障，總的來說導致開關柜發生電弧故障的原因有很多，并且會造成長期停電、配電裝置損壞、造成人身安全事故等嚴重問題。開關柜的內部電弧故障給用戶、變電所均帶來了不良的影響，不僅會造成巨大的經濟損失，還會對周圍的建筑物造成破壞，甚至會導致人員傷亡。因此，我們作為配電設備的生產企業，需要深入分析、掌握開關柜內部故障的主要原因，以便能夠采取更加具有針對性的解決方法：

（1）電纜室故障。通常由于開關柜內部的PT絕緣失效甚至穿孔，導致內部發生電弧故障；電力用戶的電纜以間歇性的方式進行接地，破壞絕緣體的性能，引發燃弧故障；避雷裝置效果不明顯，在雷雨天氣時導致絕緣體失效而引發故障等等。

（2）手車室故障。在線路運行的過程中，由于斷路器沒能成功開斷短路電流，導致滅弧室爆炸，在開關柜內造成電弧故障，并且會引發短路等問題；

動靜觸頭嚙合不緊或接觸不夠，導致觸頭燒毀引發短路接地問題；

（3）母線室故障。開關柜內母線套管的絕緣層開裂，絕緣擊穿破壞，導致高壓接地短路，造成內部故障問題。

1.2 內部電弧故障的危害

當中壓空氣絕緣開關柜內部發生電弧故障時，就會導致電路的電流、電壓發生變化，此時電弧電流呈現正弦波的狀態，而電壓則呈現出斜頂梯形的狀態。當電弧電流處于零區時，電壓的變化較大，波動明顯，同時電壓頂部的傾度會隨著時間而發生變化，并且伏安特性還會出現滯環的現象。在開關柜中，一旦發生這種電弧特性，其能夠在短時間內將自身的電能轉化為熱能，在這樣的狀態下就會導致周圍的空氣溫度升高，同時空氣壓力增大。因此，在開關柜相對密封的環境中，電弧所聚集的能量很有可能會通過高壓、高溫氣體爆炸的方式釋放出來。在電弧故障中，這樣的現象將會導致柜體、柜門爆裂，損壞元器件，甚至會有火焰噴出，不僅會對周圍的設備造成損壞，甚至還會對工作人員的身體造成傷害。當開關柜出現內部電弧故障時，大面積的停電是無法避免的，不僅影響人們生產、生活用電的穩定性，同時還會造成嚴重的經濟損失。

2 增強中壓空氣絕緣開關柜柜體抗燃弧性能的方式

2.1 柜體結構加強措施

根據以上對中壓空氣絕緣開關柜內部電弧故障原因、危害的分析可以發現，這一故障類型實際上是沒有辦法完全避免的，但是為了能夠減少生命、財產的損失，就需要空氣絕緣開關柜在設計的過程中增加其強度，使其能夠抵抗內部電弧故障的破壞。開關柜結構加強的措施一般有：

（1）目前將壓力釋放裝置安裝在開關柜的高壓室頂部，形成專用的燃弧泄壓通道，這是最為常見的方式，同時在泄壓裝置內部增加瓦楞式結構，用于阻擋柜體內部高溫燃燒的顆粒和碎屑從泄壓通道飛出造成其他設備和人身傷害。當發生內部電弧故障時，壓力釋放裝置能夠在10ms之內將內部的壓力排放出去，避免發生爆裂等現象。在設計的過程中，要求空氣絕緣開關柜柜體特別是開關柜的門板、主體框架結構能夠承受住10ms之內電弧故障所帶來的壓力破壞。

（2）當開關柜內部發生故障時，內部的氣體會迅速升溫，同時發生膨脹以至于對開關柜柜壁造成強烈的沖擊。對于這種動態的沖擊，柜體自身所承受的沖擊量實際上是造成柜體損壞的主要原因之一，同時柜體與前后門板之間采用的是鉸鏈和門鎖或螺栓固定的方式，非常容易發生毀壞。所以，為了能夠有效控制開關柜避免遭受破壞，在設計的過程中就需要通過恰當的計算方式，增加鉸鏈與封板固定螺絲孔的數量，從而增加開關柜前后面板的抗燃弧強度性能。

（3）為了避免一個小室發生故障而“殃及”其他單元和部件，那么就需要在設計的過程中在各個小室之間對安裝的隔板進行加強，一般通過增加橫向螺栓進行加強固定，避免各室之間故障的相互影響；

（4）在開關柜高壓室尤其是電纜室門板與框架的四周，需考慮設置防燃弧措施。一般是安裝阻燃密封圈，同時柜體的四周應該設置安全檔，并使二者能夠相互配合。一旦發生電弧故障并內部氣溫升高，則阻燃圈能夠避免氣體外泄，避免高溫、高壓氣體噴出。

（5）布置于柜后電纜室門板上的照明燈、帶電顯示、電磁鎖等二次元件，其本身是不具備防燃弧性能的，需要對這些元件設計專用的金屬保護罩，防止內部電弧故障燒毀元件甚至將元件沖出柜體，以致弧光飛出對人員造成傷害。

2.2 主動滅弧保護措施

對于中壓空氣絕緣開關柜內部電弧故障，除了上述被動柜體結構加強保護措施之外，還可以以主動方式對開關柜柜體進行防護，主要就是檢測開關柜內部的故障電弧，并對其進行快速消除。開關柜內弧光故障依次經歷壓力增大（持續8 ms～10ms）、氣體膨脹（持續5 ms～10ms）、氣流輻射（持續100ms）、發熱共4個發展階段。目前僅靠弧光保護跳進線斷路器熄弧時間約100ms（氣流輻射階段），考慮到目前業內主流弧光保護及滅弧元件廠家水平，弧光保護動作時間約10ms，滅弧元件動作時間約5ms，總滅弧時間不超過15ms，兩者配合使用可在氣體膨脹階段實現熄弧，實現對故障電弧的快速消除。

關于主動滅弧保護，能夠實現對電弧燃燒產生的可見光、紅外線、紫外線或者無線電頻率輻射等進行有效阻斷或切除，對開關柜內的壓力有明顯的降低作用，而且對開關柜內產生的電弧故障也產生了一定的阻斷作用，這種方法方便操作，節能環保。此主動型滅弧措施加上開關柜結構加強措施的使用，可完美解決中壓空氣絕緣開關柜內部故障電弧的危害問題。

結語

綜上所述，在中壓空氣絕緣開關柜內部，導致電弧故障的原因有很多，且具有嚴重危害，因此需要加以重視。以此為基礎，通過被動加強開關柜結構和主動滅弧保護的方式對開關柜進行防護，增強開關柜的抗燃弧性能，保證現場設備安全運行和操作人員的人身安全。

參考文獻

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