基于弧光保護的中壓開關柜母線保護裝置應用技術研究

周嫣蕾 陳蘭蘭

摘要：隨著社會發展和科學技術進步，高壓開關柜逐步朝智能化、小型化、組合式方向發展，但針對現有結構優化后的小型化開關柜內燃弧效應研究成果較少。本文通過建立仿真模型，分析燃弧期間開關柜內壓力、溫度分布情況，設置有效防護的保護時間。故障電壓光電流（troublevoltageopticalcurrent，TVOC）型弧光保護是一種采用檢測弧光和過流雙判據的中壓母線保護，具有原理簡單的優點，從裝置檢測信號到熄滅電弧僅需5ms。本文結合仿真計算及內燃弧試驗判定保護裝置的有效性，對保護裝置的動作特性研究及指導現場應用具有一定參考價值。

關鍵詞：弧光保護;電弧故障;ANSYS;弧光檢測;

引言

中壓開關柜是電力系統中的重要環節，在工業應用中，中壓開關柜的故障會對連續性生產產生影響，最嚴重的電弧故障還可能給就地操作的人員安全帶來隱患。持續的電弧故障甚至會蔓延，導致變電站內相連的開關柜燒損。發生電弧故障的開關柜由于受到高溫、高強度內部作用力的破壞，往往無法繼續使用。修復或重新采購全新設備需要一定的生產、安裝、調試周期，對用戶產生直接、間接經濟損失以及可能的人員安全等綜合性影響。

1主動型弧光保護裝置研制

1.1TVOC動作原理

國內外學者關注電弧故障產生高溫、電壓降低以及弧光現象，根據這些現象提出電弧探測手段。電弧發生時照度變化量達到20000%，繼電器動作迅速，可滿足快速切除斷路器的要求。根據光敏電阻的電阻變化而啟動的繼電器固有動作時間不超過4ms，控制單元能夠在1～3ms內迅速接收反饋信號，快速熄弧單元收到動作指令后在1.5ms內動作。保護裝置動作原理是依靠柜內光照的變化啟動繼電器而導通跳閘回路。該裝置采用檢測弧光和過流雙判據，原理簡單、靈敏度高。

1.2TVOC裝置組成

TVOC裝置包括傳感器、控制單元、擴展弧光檢測單元與快速熄弧單元4部分。熄弧單元通過小車模式安裝，與控制單元集成布置在快速滅弧高壓柜。熄弧單元和開關柜主母線相連接，目的是將短路觸頭與電弧故障部位并聯。

弧光檢測控制單元通過持續監測保護范圍內的系統電流和弧光信號，迅速可靠地判斷是否有電弧故障發生。10kV母線或者開關柜內發生電弧故障，傳感器將信號發送至控制單元。控制單元根據判據判定故障是否發生，當判定異常后立即輸出脈沖電信號至熄弧單元及進線斷路器。熄弧單元收到觸發信號動作使母線三相短路接地，故障處電弧電壓瞬間迅速下降，在2ms內故障電弧熄滅。同時進線斷路器跳閘切除電源，隔離故障。

TVOC型主動型弧光保護裝置可在3ms內檢測到電弧故障，5ms內快速熄弧。如果裝置判斷電弧故障已經發生，檢測控制裝置將立即觸發3個一次主元件動作，實現系統三相金屬性接地短路，總的故障電弧持續時間不超過10ms。

傳感器和擴展弧光檢測單元通過控制電纜與控制單元連接，傳感器安裝在能有效檢測母線室內狀況的位置，傳感器及其連接的光纖宜采用柜體外布線引至儀表室的方案。傳感器安裝在電弧容易產生的位置，當發生中壓開關柜內部電弧故障時，其電弧特性為強烈的氣體自持放電，具有明亮的弧光柱和電極斑點。傳感器可以在最短的時間內檢測可見光和紫外光波段，并轉換為4～20mA的電信號。

2中壓開關柜內部電弧故障的危害性

在電力系統中，配電裝置通常會分為民用和工業生產用2種。一般來說，工業企業的變配電裝置通常會采用成套的開關柜。通常成套的開關柜整體尺寸規格較小，絕緣強度不大，并且極容易受到外界因素的影響而產生絕緣的凝露或灰塵等，斷路器在推進和推出的過程中也容易對絕緣造成一定的磨損，也可能由于產品質量原因或一些其他外界因素進入開關柜中，這樣就使中央開關柜的電弧容易發生短路情況，導致中央開關柜的故障率升高，由此引起診斷配電裝置發生損壞或長期停電的事件也較多。容易發生火災，威脅用戶的生命財產安全。

中壓開關柜發生內部故障產生電弧時，經常會引起電路中電壓與電流的變化，故障電弧容易引起電流變化率升高，主要原因在于故障電弧電流的波形約為正弦波形，而電弧電壓波形作為斜頂的梯形，電壓頂部也會隨著時間的延長而使得電弧的伏安特性產生明顯的滯環，這種情況主要是由于電弧所攜帶的電能會轉化為熱能，并引起周圍環境溫度的急劇升高，空氣壓力也會在瞬間增大，在極短的時間內就容易產生爆炸等事故，尤其中央開關柜處于較小的空間內，其密閉的環境極容易在電弧能量高溫高壓環境情況下引發爆炸。在這種情況下，在中央開關柜的沖擊下會導致柜體爆裂，并且柜內的元器件也容易全部燒毀。所以，國家也明確規定了中央開關設備必須能夠進行一定的內部故障實驗。所有檢驗達到相關標準，符合法律規定后才能夠投入使用。

3中壓開關柜內部故障電弧防護措施

3.1加強整體系統的主動性

目前在電力企業的電力系統中，經常會同時發生幾種故障，由此造成電弧混亂，極為容易引起更大的事故。因此在實際的防范過程中，必須要加強對整個系統的檢修并提高維護水平，降低內部故障電弧發生的概率。尤其要注意采用電流保護或低壓保護與斷相保護等相關的防護措施。并以電氣設備質量為基礎定期進行整體系統的維護，對于易發生故障位置要做到精細的檢測。這樣不但能夠有效地降低故障發生概率，同時，還能夠增強對成本的有效控制，提高電力系統運行的穩定性與安全性。

3.2加強專用中壓母線保護

加強對專用增壓母線的保護主要的目的在于降低中壓開關柜內部故障發生概率和進行電弧的防護。建湖匯中央開關柜故障的原因是由于內部的系統封閉。無法承受空氣爆破的壓力。而母線能夠在一定水平上增加空氣短時內間內發熱膨脹的壓力。利用母增壓母線提供保護后，中壓開關柜內部故障產生的電弧帶有的紅外線紫外線等具有穿透力的管線會在一定程度上得到隔離，可見光數量也會相應的降低，能夠有效地提升電力設備的運行穩定性。目前電力企業也在不斷地進行中壓開關柜增壓母線保護的研究，并且取得了一些成果。

3.3加強機械設計防護水平

機械設計防護措施主要可以分為隔離或絕緣等方法。隔離的措施主要是封鎖存放設備的空間，或加裝防護柵欄。由于高壓設備通常是持續帶電，且電流和電壓功率較大，所以這也是必須采取有效防護和隔離措施的主要原因。絕緣則是借助母排絕緣和高壓格式的方式來降低內部故障電弧相互抵觸的可能性。在實際的運用過程當中，能夠有效地起到防止和降低帶電部件之間的接觸頻率，以此來來甫電弧發生。這其中需要重點注意的是母線系統和開關柜的處理，要注意絕緣措施的全面布設。

結語

本文設計了一種原理簡單、檢測故障時間短、抑制故障電弧動作可靠迅速的保護裝置，通過燃弧試驗和仿真驗證其功能，具有一定的工程指導意義，

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