曾新雄，李新海，曾慶祝，孟晨旭，肖星，姚盛華

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 中山 528401；2. 廈門安泰力達電氣有限公司，福建 廈門 361006)

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10 kV開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的危害與保護

曾新雄1，李新海1，曾慶祝1，孟晨旭1，肖星1，姚盛華2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 中山 528401；2. 廈門安泰力達電氣有限公司，福建 廈門 361006)

摘要：針對10 kV開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障危害性大，故障危害程度與電弧燃燒時間成正比的特點，為解決現(xiàn)有電流式保護、弧光保護和斷路器切除電弧故障的動作時間長、方案復(fù)雜等問題，提出并研發(fā)了用于限制內(nèi)部電弧燃燒時間的主動型電弧故障保護裝置。當(dāng)發(fā)生10 kV開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障時，該裝置能在小于5 ms內(nèi)控制熄弧單元主動將故障所在的10 kV母線進行三相金屬性接地，從而熄滅故障電弧，同時該裝置發(fā)出跳閘命令給進線斷路器跳閘，將電源切除，隔離故障，避免了開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障造成的設(shè)備損壞，保障了現(xiàn)場工作人員的安全，實現(xiàn)了10 kV開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的主動快速防護。

關(guān)鍵詞：10 kV開關(guān)柜；內(nèi)部電弧故障；主動型電弧故障保護；熄弧單元；弧光

在長期的運行過程中，由于電氣元器件絕緣老化損壞、絕緣件表面灰塵積聚、開關(guān)設(shè)備長期過載運行導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重、工作人員誤操作、系統(tǒng)過電壓和小動物侵入10 kV開關(guān)柜觸電等原因，可能引起10 kV開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部電弧故障，使故障所在的開關(guān)柜及相鄰的開關(guān)柜爆炸燒毀、10 kV母線被迫停電，造成供電區(qū)域大面積停電，帶來重大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部短路故障后，設(shè)備損壞嚴(yán)重，維修時間長，大大影響了10 kV用戶供電可靠性。

目前，10 kV電壓等級主要采用變壓器后備過流保護、饋線速斷保護閉鎖的變壓器后備過流保護、弧光保護等切除開關(guān)柜內(nèi)部母線電弧故障[1-2]。這3種保護采用跳開進線斷路器切除短路故障、熄滅故障電弧的模式，存在保護動作時間長、接線復(fù)雜等缺點。當(dāng)發(fā)生10 kV母線內(nèi)部電弧故障時，上述3種保護最快切除故障時間分別為1.0 s、350 ms、50 ms，故障電弧燃燒持續(xù)時間較長，造成很大危害。

本文提出并研發(fā)了主動型電弧故障保護裝置，當(dāng)發(fā)生10 kV母線內(nèi)部電弧故障時，采用先將母線三相金屬性接地、熄滅故障電弧后再跳開進線斷路器來切除短路故障的模式，實現(xiàn)在5 ms內(nèi)完成10 kV開關(guān)柜內(nèi)部母線電弧故障的檢測并將電弧熄滅，從而有效避免開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障造成的設(shè)備損壞和人身傷害。

110 kV開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的危害與物理過程

1.110 kV開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障產(chǎn)生的危害

10 kV開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)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(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生巨大的壓力[3]，可能造成的危害如下：

a) 開關(guān)柜內(nèi)銅排、鋁排在高溫下熔毀、氣化；

b) 開關(guān)柜內(nèi)電纜及其他元器件著火、熔毀；

c) 開關(guān)柜設(shè)備強烈振動，使固定元件松脫；

d) 開關(guān)柜內(nèi)相對氣體壓力急劇上升可達250 kPa，極易造成爆炸；

e) 開關(guān)柜爆炸產(chǎn)生的金屬和非金屬材料碎片飛射，造成人身傷害；

f) 附近的工作人員被高溫?zé)破つw，強光刺傷眼睛；

g) 電弧產(chǎn)生大量的有害氣體，對運行、檢修人員呼吸系統(tǒng)造成傷害；

此外，相鄰的開關(guān)柜也可能受高溫、高壓沖擊而損壞，嚴(yán)重者可引起10 kV高壓開關(guān)室內(nèi)火災(zāi)，擴大了故障范圍。

1.210 kV開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的物理過程

1.2.1電弧故障的熱效應(yīng)分析

10 kV開關(guān)柜內(nèi)部短路故障電弧產(chǎn)生的熱效應(yīng)(電弧能量)呈指數(shù)規(guī)律快速上升，如圖1所示。

圖1　開關(guān)柜內(nèi)部故障釋放的能量與電弧燃燒時間的關(guān)系曲線[3]

故障電弧持續(xù)時間超過100 ms時電纜開始燃燒，超過150 ms時銅或鋁母線開始燃燒，超過200 ms時開關(guān)柜外殼的鋼板也發(fā)生燃燒，開關(guān)柜設(shè)備有發(fā)生爆炸的危險。如果在5 ms內(nèi)將10 kV開關(guān)柜內(nèi)部短路故障電弧熄滅，其電弧故障產(chǎn)生的熱效應(yīng)對開關(guān)柜造成的損壞很小，僅對開關(guān)柜熱縮套管和環(huán)氧樹脂絕緣造成輕微損壞，其他10 kV開關(guān)柜內(nèi)的非故障部位的母排、電纜、元器件將保持完好狀態(tài)。

1.2.2電弧故障的壓力效應(yīng)分析

10 kV開關(guān)柜內(nèi)部短路故障電弧產(chǎn)生的壓力效應(yīng)與開關(guān)柜隔室體積，電弧電壓、長度和持續(xù)時間、短路電弧電流大小有關(guān)。根據(jù)文獻[4]的分析，某開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生短路故障時，模擬計算的開關(guān)柜內(nèi)氣壓與電弧燃燒時間關(guān)系曲線如圖2所示(計算條件為：開關(guān)柜為ZX2開關(guān)柜，其母線室充空氣，故障點在母線室，故障電弧電流為38 kA，電弧持續(xù)時間為100 ms，壓力釋放裝置在相對壓力220 kPa時動作[4])。當(dāng)開關(guān)柜母線室發(fā)生內(nèi)部短路電弧故障時，其內(nèi)部相對壓力在電弧燃燒13 ms時可達到最大值250 kPa，壓力釋放裝置動作；而在電弧燃燒5 ms內(nèi)，母線室內(nèi)部氣體相對壓力約為110 kPa，壓力釋放裝置不會動作。

圖2　開關(guān)柜內(nèi)氣壓與電弧燃燒時間關(guān)系曲線[4]

從圖1、圖2可知，10 kV開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的危害程度取決于電弧電流大小及持續(xù)時間，如果能在5 ms內(nèi)熄滅故障電弧，開關(guān)柜內(nèi)部氣體相對壓力遠未達到峰值，所受的短路故障引起的熱效應(yīng)也很小。

2現(xiàn)有10 kV開關(guān)柜母線內(nèi)部電弧故障保護方案存在的缺陷

對于上述3種10 kV開關(guān)柜母線及母線至饋線電流互感器之間發(fā)生的短路故障保護，其典型的故障切除時間分別為1.0～1.4 s、350～450 ms、50～65 ms[5-7]。

3種保護方案的故障最快切除時間都大于50 ms，導(dǎo)致故障電弧持續(xù)時間較長，開關(guān)柜內(nèi)電弧故障產(chǎn)生的壓力效應(yīng)已經(jīng)達到最大值，熱效應(yīng)也對柜內(nèi)設(shè)備造成較大破壞，開關(guān)柜仍受到較嚴(yán)重的損壞，附近的工作人員仍可能受到傷害。

3主動型電弧故障保護裝置的整體結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

3.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

主動型電弧故障保護裝置由弧光探頭、控制單元、擴展弧光檢測單元與熄弧單元組成?？刂茊卧c熄弧單元集成安裝在10 kV快速滅弧高壓柜上，其中控制單元安裝在高壓柜儀表室中，熄弧單元安裝在高壓柜的熄弧小車上，和10 kV開關(guān)柜主母線相連接。擴展弧光檢測單元安裝在其他高壓柜的儀表室內(nèi)，通過控制電纜與控制單元連接。弧光探頭則安裝在各10 kV高壓柜的母線室、斷路器、電壓互感器(voltage transformer，VT)室，并通過絕緣的光纖連接到控制單元和擴展弧光檢測單元。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3　主動型電弧故障保護裝置結(jié)構(gòu)圖

主動型電弧故障保護裝置通過控制單元、弧光探頭來檢測電弧。當(dāng)發(fā)生10 kV開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障時，其電弧特性為強烈的氣體自持放電，電弧具有明亮的弧光柱和電極斑點，其弧光柱在弧光探頭上產(chǎn)生的照度可達2×104lx以上[8](變電站10 kV高壓開關(guān)室內(nèi)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)照度為100 lx[9])。弧光探頭采集弧光信號并傳送到控制單元，通過光信號強弱判斷開關(guān)柜是否發(fā)生內(nèi)部電弧故障，同時控制單元采集進線開關(guān)柜的電流信號，也輔助判斷開關(guān)柜內(nèi)是否發(fā)生短路故障，進而啟動控制單元輸出脈沖電信號觸發(fā)熄弧單元，將10 kV母線三相短路接地，使故障處電弧電壓瞬間下降至零，從而熄滅故障電弧。通過轉(zhuǎn)移電弧到金屬短接回路將電弧快速消除，可對人員提供高等級的保護[10]?？刂茊卧谟|發(fā)熄弧單元的同時也發(fā)出跳閘信號至進線斷路器，通過進線斷路器跳閘來切除電源，隔離故障。

3.2功能設(shè)計

主動型電弧故障保護裝置主要功能如下：

a)控制單元的電弧光檢測時間小于1 ms，判斷有過電流發(fā)生后，控制單元在2 ms內(nèi)發(fā)出動作信號[11-12]，觸發(fā)熄弧單元?？刂茊卧€具有跳閘輸出和閉鎖輸出接點，在觸發(fā)熄弧單元的同時發(fā)出跳閘信號和閉鎖信號，使給故障電弧供電的進線斷路器跳閘并閉鎖其合閘回路，防止故障還未排除時該進線斷路器被誤合閘。故障排除后該閉鎖輸出接點需手動復(fù)歸，方可重新合閘被閉鎖的進線斷路器。

b)弧光探頭通過絕緣的光纖將采集到的光信號直接傳送到控制單元，該連接方式在信號傳送過程中無需將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，不受10 kV開關(guān)柜內(nèi)部強電磁場干擾?；」馓筋^根據(jù)其母線室的結(jié)構(gòu)進行安裝，每個封閉的10 kV高壓柜的母線室、斷路器、VT室至少安裝一個探頭，也可視情況增加探頭，確保在上述高壓柜各隔室任何地點發(fā)生內(nèi)部電弧故障的時候，弧光探頭都可檢測到故障電弧。

c)熄弧單元采用氣體發(fā)生器的驅(qū)動機構(gòu)，在收到控制單元的觸發(fā)脈沖電信號后，熄弧單元在3 ms內(nèi)動作，將帶電10 kV母線進行三相短路接地，熄滅故障電弧。

主動型電弧故障保護裝置的控制單元動作時間小于2 ms，熄弧單元動作時間小于3 ms，裝置總動作時間小于5 ms。該裝置在電弧故障初期就能將電弧熄滅，此時故障電弧產(chǎn)生的熱效應(yīng)相當(dāng)于10 kV開關(guān)柜采用常規(guī)保護時的幾十分之一，同時柜內(nèi)氣體壓力上升約110 kPa，壓力釋放裝置不會動作，開關(guān)柜不會發(fā)生爆炸現(xiàn)象，確保了開關(guān)設(shè)備和工作人員的安全。

3.3熄弧波形

圖4為10 kV開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部電弧故障、主動型電弧故障保護裝置動作時，通過模擬計算得出的故障電弧電流波形和流過熄弧單元的電流波形，其中縱坐標(biāo)為故障電流與短路后最大故障電流(10 ms時刻的電流)的百分比值。曲線1為故障電弧電流波形，在5 ms的時間內(nèi)，電弧電流降到零，電弧熄滅，故障電流轉(zhuǎn)移到熄弧單元主回路。曲線2為通過熄弧單元的電流波形，由于熄弧單元將主回路三相金屬性短路，其電流為三相短路電流。流過熄弧單元的短路電流將由進線斷路器跳閘來切除。

圖4　熄弧過程中通過故障電弧和熄弧單元的電流

4主動型電弧故障保護裝置的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點

4.1熄弧單元動作時間小于3 ms

目前，采用彈簧或電磁操作機構(gòu)的10 kV開關(guān)設(shè)備，其動作時間在40 ms以上，不能滿足快速熄滅電弧的要求。所研制的熄弧單元的驅(qū)動機構(gòu)采用爆炸式氣體發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。氣體發(fā)生器內(nèi)部由小型專用炸藥組成，在收到控制單元的脈沖電信號后，氣體發(fā)生器內(nèi)的炸藥被觸發(fā)爆炸而產(chǎn)生大量的高壓氣體，在封閉的氣室內(nèi)迅速驅(qū)動活塞，活塞帶動熄弧單元中的動觸頭動作，將真空滅弧室的接地的動觸頭插入到帶電的靜觸頭上。由于采用了可瞬間產(chǎn)生高壓氣體的爆炸式氣體發(fā)生器，通過活塞高速運動，使熄弧單元的動作時間控制在3 ms內(nèi)，達到了快速熄滅電弧的功能要求。

圖5　熄弧單元組成

熄弧單元的動觸頭和靜觸頭采用插入式連接，熄弧單元被觸發(fā)合閘后可自動閉鎖動觸頭，防止產(chǎn)生彈跳，克服了板式接觸的動靜觸頭合閘時候產(chǎn)生的彈跳問題，確保了連接到靜觸頭上的10 kV三相母線可靠接地。

熄弧單元采用環(huán)氧澆注技術(shù)，將真空滅弧室和操作機構(gòu)整體澆注到環(huán)氧樹脂外殼中，避免了真空滅弧室的陶瓷外殼暴露在空氣中受外部灰塵、潮濕的影響，提高了熄弧單元的絕緣強度，增加了爬距，同時由于真空滅弧室陶瓷外殼受到環(huán)氧樹脂的支撐，也提高了熄弧單元抗機械碰撞的能力，有利于現(xiàn)場安裝。熄弧單元的真空滅弧室和操作機構(gòu)采用免維護技術(shù)，平常僅需對環(huán)氧樹脂外表面進行清潔處理即可。

4.2小車式安裝方式方便現(xiàn)場檢修、維護

熄弧單元采用小車式安裝方式，熄弧小車安裝在10 kV快速滅弧高壓柜的熄弧小車室內(nèi)，與10 kV母線相連接。運行人員可將熄弧小車從試驗位置搖至工作位置，或反向操作，還可將熄弧小車抽出高壓柜進行檢修、維護和試驗，此時10 kV開關(guān)柜母線無需停電。當(dāng)開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部電弧故障且熄弧單元動作后，將熄弧小車抽出高壓柜，更換已經(jīng)動作過的熄弧單元，就可以將熄弧單元重新投入運行。相對于固定式安裝方式，采用小車式安裝方式將更方便對熄弧單元進行檢修和維護。

4.3弧光與過電流雙重判據(jù)防誤動

只有弧光照度超過整定越限值且進線開關(guān)柜的電流值超過整定動作電流值時，控制單元才判定開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生電弧故障。通過弧光和電流的雙重判據(jù)，有效防止了主動型電弧故障保護裝置的誤動。

4.4擴展弧光檢測單元

控制單元留有擴展接口，通過專用控制電纜可連接若干個擴展弧光檢測單元，每個擴展弧光檢測單元可連接若干個弧光探頭，根據(jù)現(xiàn)場10 kV開關(guān)柜數(shù)量的多少，可靈活配置擴展弧光檢測單元。控制單元上有指示燈，顯示對應(yīng)的擴展弧光檢測單元檢測到弧光；擴展弧光檢測單元也有指示燈，顯示對應(yīng)的弧光探頭檢測到弧光。在內(nèi)部電弧故障發(fā)生后，可根據(jù)指示燈迅速找到10 kV開關(guān)柜的故障點，縮短故障處理時間。

5結(jié)束語

主動型電弧故障保護裝置有效解決了以往過流保護、弧光保護切除10 kV開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障時間長的問題。該裝置在小于5 ms內(nèi)主動將內(nèi)部電弧故障所在的10 kV母線進行三相金屬性接地，從而熄滅故障電弧，避免了開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障造成的設(shè)備損壞和人身傷害。采用主動型電弧故障保護裝置，故障所在的10 kV高壓柜的主要元器件在電弧故障時僅有輕微損壞，相鄰的高壓柜及其元器件則保持完好無損，較采用其他保護方式減少了故障損失。開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障發(fā)生后，檢修人員通過該裝置可以迅速查找、定位到故障所在的開關(guān)柜和故障點，隔離或更換故障元器件后可以迅速恢復(fù)10 kV母線供電，時間可由原來的2至7天縮短到3 h，極大地縮短了母線因短路故障造成的非計劃停運時間，大大減少了10 kV用戶損失和供電損失，提高了用戶的供電可靠性，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

目前，主動型電弧故障保護裝置已經(jīng)成功應(yīng)用于中山供電局110 kV元中變電站10 kV W1、W2母線開關(guān)柜，實現(xiàn)了對母線及母線至饋線電流互感器之間發(fā)生的短路故障電弧的有效防護。該技術(shù)除了應(yīng)用在10 kV開關(guān)柜外，也可推廣應(yīng)用到6 kV、35 kV開關(guān)柜上，對提高開關(guān)柜內(nèi)部電弧防護技術(shù)水平有著積極的推動作用。

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Harm and Protection of Arc Fault Inside 10 kV Switchgear

ZENG Xinxiong1,LI Xinhai1, ZENG Qingzhu1, MENG Chenxu1,XIAO Xing1, YAO Shenghua2

(1.Zhongshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Zhongshan, Guangdong 528401, China; 2.Xiamen Antailida Electric Co., Ltd., Xiamen, Fujian 361006, China)

Abstract：In allusion to problems that arc fault inside 10 kV switchgear may cause great harm and degree of harm is in proportion to combustion time of electric arc, a kind of proactive arc protection device for restricting combustion time of internal electric arc is presented and developed in order to solve problems of long action time and complicated scheme of current protection, arc protection and breaker clearing electric arc fault. When arc fault occurs inside 10 kV switchgear, this device may cause three-phase metallic earth of 10 kV bus with the fault in less than 5 ms by controlling arc quenching unit and consequently extinguish faulted electric arc. Meanwhile, the device sends out tripping order to the incoming circuit breaker to cut off power supply and isolate fault which may avoid damages of equipments caused by arc fault inside the switchgear, ensure security of field personnel and realize initiative and fast protection for arc fault inside 10 kV switchgear.

Key words：10 kV switchgear; internal arc fault; proactive arc protection; arc quenching unit; arc light

收稿日期：2015-12-16修回日期：2016-02-26

基金項目：廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司科研項目(K-GD2014-050)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.012

中圖分類號：TM591；TM561.5

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-290X(2016)06-0067-05

作者簡介：

曾新雄(1975)，男，廣東韶關(guān)人。高級技師，工學(xué)學(xué)士，主要從事電力系統(tǒng)及自動化的研究及變電運行管理工作。

李新海(1971)，男，廣西臨桂人。高級工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事電力系統(tǒng)及自動化的研究及變電運行管理工作。

曾慶祝(1977)，男，湖南常寧人。工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事電力系統(tǒng)及自動化的研究及變電運行管理工作。

(編輯霍鵬)