10kV 開關柜內部電弧故障的危害與保護分析

邊志瑞

（延長油田股份有限公司志丹采油廠，陜西延安，717500）

1 10kV 開關柜內部電弧故障危害

以目前國內電力系統運行模式進行分析，10kV 開關柜裝置是有著極其重要的用途，在開關內出現電弧故障后，這是會帶來較為顯著的破壞作用，其中產生的直接危害是會導致相關柜中元件出現損毀問題，因此會對開關柜的穩定運行造成顯著的負面影響。此外，也是會讓其所在的電力系統有著運行故障問題，甚至會對有關工作人員的生命安全帶來潛在的威脅，這是開關柜中出現電弧故障所引發的最大危害問題。有鑒于此，在10kV 開關柜中生成電弧故障后，這是會有著較強的危害風險，既是造成電力系統突發運行故障后果，也是會對有關工作人員的生命安全帶來隱患。在探討現有10kV開關柜中出現的電弧故障時，概述其故障生成的以下常態原因：首先是因為開關柜自身有著絕緣問題而引發的電弧故障，既是可能因為設備本身存在問題，也是可能由于使用時間過長而讓其絕緣能力出現不斷減弱的狀態[1]。同時也是要關注開關柜中電氣回路方面的影響要素，假如電器回路產生問題，這是可能使得一些元件出現松動后產生電弧故障現象。同時結合具體分析結論能夠了解到，要高度關注由于人為因素而產生的電弧故障現象，大量電弧故障的出現，均是與有關工作人員不當操作的人為因素間存在緊密關聯，同時考量電路系統的線路主要是出現在戶外環境中，某些鳥類等生物也是會對其產生相應的負面影響[2]。

綜上所述，在10kV 開關柜中出現運行故障時，其中可能出現的電弧故障有著較為顯著的危害性，所以務必要讓有關部門對此引起高度的關注，采用行之有效的保護方案，能夠做好風險防控的事前管理工作，可以保障10kV 開關柜處于正常運行情況，進而會保障整體電路系統的正常運行狀態。

2 10kv 開關柜內部電弧故障的物理過程

2.1 電弧故障的熱效應分析

10kv 開關柜短路后電弧故障出現的熱效應有著呈現出指數增長的發展趨勢，相關內容見圖1。

圖1 開關柜內部故障釋放的能量與電弧燃燒時間的關系曲線

當故障電弧持續時間高于100ms 時會將電纜引燃，其高于150ms 時會將銅（或鋁）母線引燃，其高于200ms 時也是會將開關柜外殼鋼板引燃，因此會讓開關柜出現爆炸的事故風險。假如能夠10kv 開關柜中短路后生成的故障電弧在5ms 內熄滅，這是會顯著降低因電弧故障而出現的熱效應而給開關柜產生的損壞問題，只是會給開關柜中的環氧樹脂絕緣層與熱縮套管等帶來輕微的損傷，而在開關柜中國其他非故障區域的電纜、母線以及元器件等均有著正常運行的狀態。

2.2 電弧故障的壓力效應分析

10kv 開關柜因短路而出現的故障電弧與生成的壓力效應，這是和以下幾類考量要素間存在關聯性，譬如電弧電壓因素、持續時間與長度因素短路、電弧電流強弱因素以及開關柜隔室體積因素等。當開關柜中出現短路故障后，模擬分析開關柜中氣壓和電弧燃燒時間的關系，曲線圖相關內容見圖2（計算條件如下所述：選擇 Zx2 開關柜，出現故障點的母線室有著充分的空氣，故障電弧電流是38KA，其持續時間是100ms，處于相對壓力為220kpa 時啟動壓力釋放裝置）。如果開關柜中母線室內部產生短路電流故障現象時，當處于電弧燃燒時間長度為13ms 時，其內部相對壓力達到峰值的2500kpa，此時會觸發壓力釋放裝置啟動運行；而當電弧燃燒持續時間不足5ms 時，其母線室中氣體相對壓力大概是110kpa，這是沒有觸發壓力釋放裝置的動作[3]。

圖2 開關柜內氣壓與電弧燃燒時間關系曲線

從以上兩圖中可以了解到，其10kv 開關柜中出現電弧故障的危害水平，這是受到電弧電流強弱及其持續時間長短的決定性影響。要是可以在電弧持續燃燒時間不足5ms 時將其熄滅，此時開關柜中氣體相對壓力遠低于最大值，因此，也是沒有因短路故障而產生很強的熱效應現象。

3 現有10kv 開關柜母線內部電弧故障保護方案存在的缺陷

考量以上三類10Kv 開關柜中母線及其至饋線電流互感器間產生的短路故障保護體系，其相對應的經典故障切除時間段分別是1.0～1.4s、350～450ms、以及50～65ms 等。上述三類保護舉措對應的最快故障切除時間均慢于50ms，由此造成故障電弧有著較高的持續時間情況，因此會讓開關柜中電弧故障而出現的壓力效應達到峰值，這是會對柜中各類設備與元器件帶來顯著的破壞問題，在對開關柜產生較為顯著的損現象時，也是會給周邊區域的相關工作人員帶來生命安全危害風險。

4 主動型電弧故障保護裝置的關鍵技術與創新點

4.1 熄弧單元動作時間小于3ms

現在，選擇具備電磁操作機構，或者彈簧機構的10kV 開關柜，其動作時間要慢于40ms，這是未符合電弧快速熄滅的技術標準。相關研發的熄弧構件對應的驅動單元，這是選擇爆炸式氣體發生裝置，有關結構形式見圖3。

圖3 熄弧單元組成

氣體發生裝置中是由小型專用炸藥構成，在獲取控制單元發送的脈沖信號后，觸發氣體發生裝置的炸藥后產生爆炸。從而出現很多的高壓氣體，并且在封閉的氣室空間中快速對活塞進行驅動，然后活塞會引動熄弧單元的動觸頭產生動作，可以讓真空滅弧室中處于接地狀態的動觸頭插進出現帶電現象的靜觸頭中。鑒于選擇能夠瞬間生成高壓氣體環境的爆炸式氣體發生裝置，在活塞飛速動作時，能夠讓熄弧單元電的動作時間低于3ms，從而能夠實現將電弧快速熄滅的技術標準[4]。

熄弧單元選擇插入式連接方式內置動觸頭與靜觸頭，當其被觸發后產生合閘動作，能夠以自動方式將動觸頭閉鎖，由此防止出現彈跳現象，可以解決板式接觸中的兩類觸頭在合閘過程中帶來的彈跳問題，可以保障已經與靜觸頭連接的10kV 三相母線具備接地的可靠性。熄弧單元引入環氧澆注技術，在整個真空滅弧室與操作機構上澆注環氧樹脂外殼，規避真空滅弧室中陶瓷外殼處于空氣環境下的受灰與受潮等問題，強化熄弧單元中的絕緣性能，并且加大爬距參數，而且因為真空滅弧室中的陶瓷外殼被澆筑環氧樹脂保護層，因此也是會相應的增強熄弧單元的抗機械碰撞性能，能夠強化相關機構的現場安裝效率。在熄弧單元中的真空滅弧室與操作機構中，選擇免維護技術體系，在日常設備維護時，只是給環氧樹脂外表面展開清潔處理工作即可。

4.2 嘗試開關柜快速滅弧器

快速滅弧器屬于主動式電弧故障保護裝置，可以明顯減少在電力系統中出現電弧事故的高溫環境給相關設備產生的損壞問題。相較于系統只是應用傳統電流保護舉措而言，這種電弧故障的保護裝置是選擇一次主元件與檢測控制裝置的構成方式，檢測控制裝置可以在2ms 之內有效將故障弧光信號與故障電流信號進行檢測，一次主元件在1.5ms 之內獲取動作指令，把一次系統中三相主回路進行斷路處理，同時展開接地操作，能夠瞬間讓故障區域中的電弧電壓消失，由此會在極短時間內將故障電弧熄滅，從而降低因此而產生的破壞問題。

4.3 擴展弧光檢測單元

控制單元設置擴展端口，選擇專用控制電纜將多個擴展弧光檢測單元進行連接操作，計算現場中10kV 開關柜的數量，能夠靈活應用擴展弧光檢測單元。在控制單元中提供具備不同擴展弧光檢測單元指向性的指示燈功能，然后也對弧光信號進行檢測操作。而且擴展弧光檢測單元同樣有著指示燈功能，能夠顯示相應的檢測到弧光的探頭位置。如果出現開關柜電弧故障現象后，可以參考點亮的指示燈快速鎖定10kV 開關柜中的故障區段，能夠顯著減少故障處理時間。

5 10kV 開關柜的內部電弧故障保護措施

在10kV 開關柜使用時，要密切關注其內部電弧故障的保護工作。譬如要展開電壓檢測活動，這也是相關故障檢測中有著較好效果的技術應用體系，主要是針對內部回路電壓進行實時檢測活動。假如產生內部電弧故障情況后，相關區段的內部回路電壓有著較為強烈的反應現象以及幅值波動性。所以，能夠根據實測的電壓數據改變情況，從而進行故障的分析與處理。除此之外，也是有著壓力檢測方式，同樣是在電弧故障檢測中存在較為理想的技術應用體系，并且屬于其中的特別重要檢測手段，重點是對內部出現的空間壓力改變情況進行相應的檢測活動，由此分析10kV 開關柜中電弧故障問題，由于其出現相關故障信號后會產生顯著的升溫情況與壓力增大現象，所以能夠對其內部壓力值進行檢測，并且分析其所存在的故障問題。

在使用10kV 開關柜時，假如產生內部電弧故障問題，這是會顯著影響系統運行的安全性和穩定性，要選擇所需的保護裝置能夠對其展開高效的處理。此類保護裝置務必要能夠產生積極的解決效果，所以需要保障如下所述的幾類功能：首先是要保證內部電弧具備速動性特征，從而得到強化保護裝置的實際工作效能，在最大化層面上降低電弧故障產生的風險，所以要分析以速度性特征為切入點的保護方式，以此可以產生快速有效的保護作用。然后是要讓保護裝置具備穩定性特征，盡可能降低某些對保護裝置產生擾亂的外界影響要素，可以更好的發揮出保護裝置自身的功能。接著是要讓保護裝置有著選擇性特征，也是要保障企有著恰當的控制操作方式，能夠更好的展現出其所具備的保護作用，規避某些多余的操作流程。最后是要讓保護裝置具備簡捷操作功能，可以在10kV 開關柜有著中較為簡單的安裝流程，規避其繁瑣的安裝步驟給開關柜的使用產生不必要的麻煩。簡而言之，在分析10kv 開關柜中電弧故障保護裝置時，要保障其具備穩定性、有效性以及系統運行高效性等。