10kV開關柜快速滅弧裝置的應用

楊加興 姚堯 薛陽艷

湖南平高開關有限公司 湖南長沙 410006

1 開關柜對弧光保護的要求

對于開關柜而言，出現內部電弧故障的幾率相對較低，但是在理論之上的影響因素較多：

依據國外的相關研究與試驗結果得知，引發故障電弧的主要有四個環節：

（1）壓縮階段。持續時間約為5-15ms。該環節的溫度會急驟上升，并伴隨發生動態壓力波。（2）膨脹階段。持續時長約為5-15ms。該環節會在較短的時間之內，由于燃弧區以及周邊空氣之間出現壓力差，從而引發氣流。（3）排放階段。該環節基本會持續幾百毫秒。以內電弧能力的持續性輸入燃弧點，從而引發微粒流、氣流與空氣流。該類強力高速氣流的熱量和攜帶的熾熱微粒，內部電弧就會影響到外部環境。（4）熱效應階段，也就是燃弧的最后一個環節。該環節主要包圍短路電弧的空氣基本上會達到電弧的問題，從該環節初始，大多數燃弧的能量基本上都是作用在開關設備的固體零部件。在這種情況之下，開關設備很有可能會出現燒穿的危險，在清除故障之后，該環節也就結束了。

開關柜內部所出現的弧光故障的能量基本可以達到8-60MW，其主要是和電弧的燃燒時長、短路電流之間有關。電弧燃燒的持續時間大于100ms，那么釋放出來的能量也會變大，約為100ms左右電纜開始燃燒，150ms左右銅排燃燒，到了200ms左右鋼材開始燃燒，如圖1所示。

圖1 開關柜內部燃弧時間及其造成的損壞圖

2 內部電弧的危害及防護措施

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、熱效應、輻射及聲效應。在這四種效應中壓力效應及熱效應尤為突出，其危害主要表現在造成現場工作人員的傷害和對開關設備及鄰近配電設備的損害。

開關柜內部發生電弧故障時，弧光發生點的溫度高達20，000oC，為太陽表面溫度的4倍，如此高的溫度將在短時間內造成電纜燒毀，銅排鋁排熔毀氣化，造成人員傷亡（觸電、皮膚燒傷、刺傷眼睛、碎片飛射損傷等），柜內污損。電弧燃燒時釋放的能量巨大，高溫對空氣加熱而膨脹，金屬氣化時體積膨脹67，000倍，從而使柜內壓力急驟上升。它產生的壓力相當于爆炸產生的能量會使開關柜體變、破碎，波及鄰近設備，甚至造成“火燒連營”事故。

3 10kV開關柜快速滅弧裝置的應用

快速滅火裝置可在早期消除故障電弧，不會產生壓力效應，熱量和輻射效應。與傳統的保護方法相比，該裝置具有滅弧時間為4ms或更短的優點，可以最大限度地減少電弧故障。如果電弧故障以及開關設備中的壓力和溫度突然升高，可以使用快速滅弧系統來關閉故障電弧并關閉短路電流以使損耗最小化。消除電弧故障并完成有限的清潔工作后，開關柜可以正常工作并立即恢復供電。

快速滅弧裝置包括主要部件，檢測控制裝置和電弧檢測探頭。檢測控制裝置可以檢測2ms內的故障電弧和故障電流信號，接收到操作指令后在1.5ms內工作，接地三相主電路，關閉電弧（發生電弧故障）電弧將在4后消失。

UL 1699B 是美國工業標準中關于光伏系統故障電弧檢測保護權威的標準，規定了凡是直流母線電壓超過 80V 的線路必須安裝直流電弧故障斷路器，并對于住宅、商業、工業應用中逆變器、充電控制器以及獨立直流電源的電弧故障斷路器設計起到了規范指導作用。同時標準要求電弧故障檢測系統具備信號指示功能，能夠及時檢測系統電弧并跳閘發出指示命令，還要求系統能夠測試電弧檢測單元是否處于正常工作等。在 2015年 6月 1日，我國開始實施的《電氣火災監控系統（ 第 4部分：故障電弧檢測裝置） 》是一項關于故障電弧檢測與保護的國標文件，在電氣火災監控系統電弧故障檢測裝置中提出了嚴格規定。

當接觸頭就位時，實現自動鎖定以確保總線和地之間的可靠連接，電弧故障會導致電路中的電壓電流發生變化，同時伴隨著弧聲、弧光、高溫和電磁信號等，利用各類傳感器采集電弧數據，對數據進行分析，提取故障特征進行檢測。利用四階 Hilbert 分形天線檢測電弧電磁輻射信號，在不同氣壓下對 4種電極材料進行試驗，考慮電極的形狀、材料和移動速度對電磁輻射信號的影響，結果表明，直流電弧電磁輻射幅值隨著氣壓、電極形狀和電極移動速度的改變發生改變，且通過對電弧電磁輻射的特征頻率統計可知，特征頻率范圍（ 36- 41MHz） 與氣壓、電極形狀和移動速度沒有關系，證明了電磁輻射作為電弧電磁輻射檢測特征量的可行性。針對電源柜中電弧故障保護裝置，利用多種傳感器以及回路天線來接收電弧發出的聲、熱以及電磁輻射來檢測故障電弧。

總之，實際運行中，盡管采取了各種加強開關柜的措施，但開關柜內電弧故障仍時有發生。雖然概率不高，但卻是不能完全排除，一旦發生會給附近操作人員和設備造成極大危害。通過保護設備可以以最快的速度將故障切除，將電弧故障保護造成的損害降到最低，尤其是新型快速滅弧器超快速動作使操作人員和開關設備免受內電弧的影響。