曾新雄，李新海, 曾慶祝,姚盛華(,廣東電網(wǎng)有限責任公司中山供電局,廣東 中山 58403；.廈門安泰力達電氣有限公司, 廈門 36009 )

手車式開關(guān)柜內(nèi)部電弧保護裝置的應(yīng)用

曾新雄1，李新海1, 曾慶祝1,姚盛華2
(1,廣東電網(wǎng)有限責任公司中山供電局,廣東 中山 528403；2.廈門安泰力達電氣有限公司, 廈門 361009 )

摘 要：隨著手車式開關(guān)柜在我國的應(yīng)用越來越廣，人們也開始關(guān)注手車式開關(guān)柜的內(nèi)部構(gòu)造，其設(shè)計制造水平也在逐步提高。本文主要對手車式開關(guān)柜內(nèi)部電弧保護裝置的應(yīng)用進行闡述。

關(guān)鍵詞：手車式開關(guān)柜；內(nèi)部電弧保護裝置；原理；應(yīng)用

在10kV開關(guān)柜應(yīng)用中，內(nèi)部電弧故障是一種嚴重的事故，將導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備的損壞和威脅到操作人員的人身安全。引起開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的原因很多，主要包括以下幾方面：用戶維護不當和誤操作；開關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、制造質(zhì)量不佳；絕緣材料老化；運行條件惡劣（高溫、潮濕、污穢、化學(xué)侵蝕等）；電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變（系統(tǒng)容量增大、接地方式的改變、電纜應(yīng)用的增多、系統(tǒng)諧振過電壓、保護及自動裝置配置不當?shù)龋恍游锏倪M入、工具等外來物件遺漏在開關(guān)柜內(nèi)等外力因素。

10kV開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的發(fā)展過程為以下四個階段：

第1階段，氣體壓縮階段，當開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生電弧故障時候，電弧發(fā)生點的溫度可達10,000K。故障電弧導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)溫度上升，并產(chǎn)生動態(tài)壓力波，持續(xù)時間約5～15ms。

第2階段，即是氣體膨脹階段，持續(xù)時間約5～15ms。在這一階段短暫的時間內(nèi)，因燃弧區(qū)和周圍空氣之間存在壓力差，開始產(chǎn)生氣流。

第3階段，即是輻射排放階段，這一階段可能持續(xù)幾百毫秒。在這一階段由于電弧能量繼續(xù)輸入燃弧點，產(chǎn)生空氣流、氣流和微粒流。這種強力高速氣流的熱量及所帶的熾熱微粒使內(nèi)部電弧開始形成對外部的影響。電弧燃燒時釋放的巨大的能量，導(dǎo)致銅排、鋼板等器件氣化，空氣加熱并體積膨脹數(shù)萬倍。在排放階段開關(guān)柜柜內(nèi)壓力急驟上升，產(chǎn)生的爆破壓將造成開關(guān)柜盤體變形、破碎。

第4階段，即是熱效應(yīng)階段，亦即為燃弧的最后階段，它持續(xù)直至電弧熄滅。在這一階段電弧周邊的空氣溫度幾乎達到電弧的溫度。從這一階段開始，大部分燃弧能量作用于開關(guān)設(shè)備的固體零部件，將造成銅排、鋁排熔毀，電纜熔毀、電纜包覆層著火。

開關(guān)設(shè)備尤其是開關(guān)柜母線上發(fā)生內(nèi)部電弧故障會給設(shè)備和附近操作人員造成極大的危害?，F(xiàn)有開關(guān)柜母線故障廣泛采用變壓器后備過流進行保護，由于考慮到與饋線和母線分段開關(guān)的配合，保護跳閘時間一般整定為1.0 - 1.4秒，其動作時間過長，將無法有效保護內(nèi)部電弧故障。因此10kV開關(guān)柜母線需要一種快速的內(nèi)部電弧故障保護裝置，在電弧故障發(fā)生的第一階段即氣體壓縮階段，迅速將故障電弧熄滅，電弧持續(xù)時間將小于5ms，對開關(guān)柜的危害降到最低，從而保護開關(guān)柜。

1 手車式開關(guān)柜內(nèi)部電弧保護裝置的原理

手車式開關(guān)柜內(nèi)部電弧保護裝置是一款主動型電弧故障保護設(shè)備，能顯著降低電力系統(tǒng)發(fā)生電弧事故時產(chǎn)生的高溫及電動力對設(shè)備的破壞和影響。與系統(tǒng)僅使用傳統(tǒng)電流保護相比較，配套此類電弧故障保護設(shè)備能更快的檢測到內(nèi)部電弧故障，迅速抑制故障電弧，降低電弧故障造成的破壞。

手車式開關(guān)柜內(nèi)部電弧保護裝置由熄弧手車和電弧檢測裝置組成。在電弧故障出現(xiàn)后5ms內(nèi)熄滅電弧。通過內(nèi)部電弧保護裝置，能實現(xiàn)電弧故障的主動快速防護。該裝置采用檢測弧光和過流雙判據(jù)原理，具有原理簡單、動作可靠迅速、對變電站一次設(shè)備無特殊要求、適應(yīng)于各種運行方式、且在各種運行方式下保護不需要切換等優(yōu)點。與傳統(tǒng)的保護相比較，配置手車式開關(guān)柜內(nèi)部電弧保護裝置能更快檢測到內(nèi)部電弧故障，迅速抑制故障電弧，降低電弧故障造成的破壞。在開關(guān)柜柜內(nèi)壓力和溫度急劇增加以前就可以熄滅故障電弧并切除短路電流,使損失減到最小。

電弧檢測裝置連接安裝在10kV開關(guān)柜的母線室、斷路器室內(nèi)的電弧檢測探頭，電弧檢測探頭通過判斷光線強度來識別開關(guān)柜內(nèi)是否有內(nèi)部電弧產(chǎn)生。電弧檢測裝置同時采集進線開關(guān)柜的電流信號，判斷故障時候是否有過電流發(fā)生。裝置采用雙重判據(jù)方式，即電弧檢測探頭判斷有弧光產(chǎn)生且進線開關(guān)柜有過電流發(fā)生時候，判斷有內(nèi)部電弧故障。內(nèi)部電弧檢測探頭通常沿母線放置。探頭使用光纖傳輸光信號，具有抗電磁干擾的特性。光纖可按需要選擇任意長度。電弧檢測裝置可采集同一個開關(guān)柜母線上若干個由內(nèi)部電弧檢測探頭傳來的電弧光信號，用于保護開關(guān)柜母線故障。

熄弧手車由手車底盤，手車絲桿機構(gòu)，熄弧元件，銅排，觸臂和動觸頭，接地銅排，手車控制線連接插頭組成，熄弧手車安裝在開關(guān)柜的斷路器隔室中。通過手車搖把驅(qū)動手車絲桿機構(gòu)，將手車從開關(guān)柜試驗位置推到工作位置，熄弧手車投入運行，對開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障進行保護。熄弧手車上安裝三相熄弧元件，熄弧元件上端通過觸臂連接到系統(tǒng)帶電母線，下端連接到手車的接地母線。

熄弧元件采用真空滅弧室與氣體發(fā)生器驅(qū)動機構(gòu)相結(jié)合，在收到電弧檢測裝置發(fā)出的動作信號后，熄弧元件的氣體發(fā)生器驅(qū)動機構(gòu)動作，將真空滅弧室的接地的動觸頭驅(qū)動到帶電的靜觸頭上，動觸頭到位后自動閉鎖，確保一次母線與地可靠連接。熄弧元件動作后實現(xiàn)系統(tǒng)三相金屬性接地短路，故障電流將流向接地母線，主母線上電壓將急劇下降。在開關(guān)柜故障電弧發(fā)生處，由于電弧弧壓降低，導(dǎo)致的故障電弧迅速熄滅，起到保護作用。在熄弧元件動作將系統(tǒng)三相金屬性短路后，故障電流仍然存在，開關(guān)柜進線柜的過電流保護或變壓器后備過流保護動作，將開關(guān)柜進線跳閘，切除電源回路。

2 手車式開關(guān)柜內(nèi)部電弧保護裝置的應(yīng)用

手車式安裝內(nèi)部電弧保護裝置具有方便檢修和維護的優(yōu)點。在例行檢修過程中，將內(nèi)部電弧保護手車抽出開關(guān)柜，進行檢修和試驗，開關(guān)柜母線無需停電。而熄弧元件固定安裝方式在熄弧元件檢修和維護時，需要將開關(guān)柜母線進行停電，造成安裝和維護困難。當開關(guān)柜內(nèi)部電弧發(fā)生，內(nèi)部電弧保護手車的熄弧元件動作后，將手車從工作位置搖到試驗位置。并將手車抽出開關(guān)柜，就可以對熄弧元件進行更換并重新投入運行。開關(guān)柜內(nèi)部電弧保護裝置手車安裝方式可有效縮短熄弧元件更換時間。

通過安裝手車式開關(guān)柜內(nèi)部電弧保護裝置，主動將故障所在的母線進行金屬性接地，從而熄滅故障電弧，避免故障擴大，保護人員、設(shè)備的安全。手車式開關(guān)柜內(nèi)部電弧保護裝置能在小于5ms時間內(nèi)快速熄滅故障電弧，避免因開關(guān)柜內(nèi)部電弧短路故障而造成設(shè)備損壞、人員傷害，并實現(xiàn)用戶停電恢復(fù)時間由原來2天至3個星期縮短到2個小時內(nèi)，減少用戶損失及供電損失。內(nèi)部電弧保護裝置是目前發(fā)電廠、變電站、工業(yè)及商業(yè)配電系統(tǒng)10kV中低壓母線保護理想的解決方案。

3 結(jié)語

參考文獻：

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