10kV開關柜內部電弧故障的危害與保護

蔡孝理

湖南平高開關有限公司 湖南長沙 410006

1 電弧故障產生的概述

電弧的發展與電弧電導或弧阻有較大的關系。反過來，導通回路的阻抗變化也會導致電弧的產生。

在眾多開關柜電弧事故中，導體連接處的觸點松動是一個常見的電弧誘發因素。接觸點的電阻與導體接觸面面積相關，也與施加在觸點上的壓力相關。正常額定電流流過故障連接處的高阻區時，會導致觸點的溫度升高。這種局部溫升會增加連接處導體的氧化率；同時也會導致導體膨脹；這又會進一步增加連接處所承受的熱應力。當連接處電流降低后，連接點就會冷卻下來，此時連接處導體會發生一定程度的收縮。連接處材料的反復膨脹和收縮會導致接觸點松動。接觸點的松動和氧化又會使導體連接處的電阻進一步升高[1]。

在有腐蝕性空氣或振動的場合，會進一步增大接觸點的故障率。其他常見原因還有絕緣材料的劣化和臟污。實際中，很多電弧故障都不是由人身接觸引起的，并且大部分都會經歷一個緩慢發展、并最終導致電弧故障的過程[2]。

2 10kV開關柜內部電弧故障的危害

10kV開關柜發生內部短路故障時，其電弧溫度可達2×104℃，燃燒的電弧將周圍的空氣加熱，引起空氣膨脹，并在開關柜內部產生巨大的壓力，可能造成的危害如下：

（1）開關柜內銅排、鋁排在高溫下熔毀、氣化；（2）開關柜內電纜及其他元器件著火、熔毀；（3）開關柜設備強烈振動，使固定元件松脫；（4）開關柜內相對氣體壓力急劇上升可達250kPa，極易造成爆炸；（5）開關柜爆炸產生的金屬和非金屬材料碎片飛射，造成人身傷害；（6）附近的工作人員被高溫燒灼皮膚，強光刺傷眼睛；（7）電弧產生大量的有害氣體，對運行、檢修人員呼吸系統造成傷害；此外，相鄰的開關柜也可能受高溫、高壓沖擊而損壞，嚴重者可引起10 kV 高壓開關室內火災，擴大了故障范圍。

3 10kV開關柜內部電弧故障的保護對策

3.1 內部故障檢測方法分析

3.1.1 電路敲擊法

電路敲擊法是在電力設備正常帶電運行中進行的，工作人員利用橡皮小錘輕輕敲擊運行中的設備，可以判斷出敲擊設備及其附近設備的性能是否處在良好狀態。如果元件經過敲擊后發生異常情況，就說明其內部存在故障隱患，需要工作人員采取進一步措施來找出故障的具體部位和故障因素。

3.1.2 圖形分析法

電力設備的設計圖中包括著設備結構、運行原理、安裝方式以及維修養護方法等各種信息。這些設計圖在電力設備故障檢修時會發揮出非常重要的作用。工作人員在檢修中壓開關柜故障時需要以設備的圖紙作為依據，來找出故障的位置和原因。

3.1.3 排除法

故障排除法就是工作人員在對電力設備各個元件的檢修中，經過一層層地分析逐步排除運行狀態正常的部件，縮小故障范圍，最終確定故障位置的方法。可以將故障排除法具體分為兩種形式，其一是順推理故障排除法，就是對電源、設備、電路等逐一進行故障查找的方式；其二是逆推理故障排除法，這種方法的原理與順推理正好相反，就是由故障元件倒推至電路、電源的方法。

3.2 加強母線保護

加強專用母線保護，定期檢測開關柜的運行電流是防止電弧故障的有效措施之一。相關實驗表明，安裝完母線保護裝置后，系統會阻斷電弧燃燒產生的紅外線、紫外線以及可見光，從而顯著降低了開關柜的內部壓力，縮小了開關柜內部電弧故障的影響范圍。加強母線保護的防護措施操作比較簡單、成本較低，而且不會造成任何污染，所以是當前我國電力行業應用于開關柜內部故障電弧防護中的重要方法。

3.3 應用自動保護裝置

工作人員應該在電力系統故障檢修中應用自動保護裝置，有利于檢修人員在短時間內鎖定故障位置、找出故障原因；當電力系統開關柜出現故障電弧時，自動保護裝置就會迅速切斷開關柜與其他電力設備的連接，防止開關柜內部故障電弧影響擴大，減少不利影響和危害。而且應用自動保護裝置還能客觀反映出電力系統運行中的異常情況，可以將實際運行狀態與運行參數進行對比，如果發現異常情況就會發出差異信號，便于檢修人員及時發現故障、排除故障[3]。

3.4 加強系統的日常檢修

工作人員應該定期對電力系統中的各種設備進行檢查，排除故障。電力行業檢修工作中常見的措施主要有低壓保護和電流保護等。目前我國電力部門多采用狀態檢修的方式，這種檢修方式可以直接反映出電力設備的實際運行狀態，為后期的檢修提供重要參考。狀態檢修就是利用電力設備運行參數的差異性來幫助檢修人員采用科學的防護措施。狀態檢修方式的優點有維修效率較高、維修成本降低等。開關柜電弧故障是在短時內發生的，所以在檢修時應該對短路保護裝置進行重點檢查，從而保證當發生電弧故障時能夠及時將故障元件與其他設備切斷開來。

3.5 人身安全電弧防護

可從以下幾個方面考慮現場工作人員的安全：

（1）遠程操作，避免人機接觸以防止日常操作過程中出現的人為錯誤；（2）合理的系統設計與維護；（3）正確地培訓、詳盡的安全步驟，以提高安全意識；（4）精確測試，采用在線監測和診斷系統；（5）備存記錄；（6）應用減少電弧危害的新設備與新技術；（7）使用合理的個人防護裝備；（8）遵守安全法規，標準和指導措施。

總之，為了減小電弧危害、加強電弧防護，國內外學者對開關柜內部故障電弧進行了長期、持續的研究，主要包括探究電弧特性、分析電弧危害、建模仿真、試驗測試等，不斷地豐富著故障電弧理論，從而推動著電力系統安全運行的發展。