邊志瑞

（延長(zhǎng)油田股份有限公司志丹采油廠，陜西延安，717500）

1 10kV 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧故障危害

以目前國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)運(yùn)行模式進(jìn)行分析，10kV 開(kāi)關(guān)柜裝置是有著極其重要的用途，在開(kāi)關(guān)內(nèi)出現(xiàn)電弧故障后，這是會(huì)帶來(lái)較為顯著的破壞作用，其中產(chǎn)生的直接危害是會(huì)導(dǎo)致相關(guān)柜中元件出現(xiàn)損毀問(wèn)題，因此會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)柜的穩(wěn)定運(yùn)行造成顯著的負(fù)面影響。此外，也是會(huì)讓其所在的電力系統(tǒng)有著運(yùn)行故障問(wèn)題，甚至?xí)?duì)有關(guān)工作人員的生命安全帶來(lái)潛在的威脅，這是開(kāi)關(guān)柜中出現(xiàn)電弧故障所引發(fā)的最大危害問(wèn)題。有鑒于此，在10kV 開(kāi)關(guān)柜中生成電弧故障后，這是會(huì)有著較強(qiáng)的危害風(fēng)險(xiǎn)，既是造成電力系統(tǒng)突發(fā)運(yùn)行故障后果，也是會(huì)對(duì)有關(guān)工作人員的生命安全帶來(lái)隱患。在探討現(xiàn)有10kV開(kāi)關(guān)柜中出現(xiàn)的電弧故障時(shí)，概述其故障生成的以下常態(tài)原因：首先是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)柜自身有著絕緣問(wèn)題而引發(fā)的電弧故障，既是可能因?yàn)樵O(shè)備本身存在問(wèn)題，也是可能由于使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而讓其絕緣能力出現(xiàn)不斷減弱的狀態(tài)[1]。同時(shí)也是要關(guān)注開(kāi)關(guān)柜中電氣回路方面的影響要素，假如電器回路產(chǎn)生問(wèn)題，這是可能使得一些元件出現(xiàn)松動(dòng)后產(chǎn)生電弧故障現(xiàn)象。同時(shí)結(jié)合具體分析結(jié)論能夠了解到，要高度關(guān)注由于人為因素而產(chǎn)生的電弧故障現(xiàn)象，大量電弧故障的出現(xiàn)，均是與有關(guān)工作人員不當(dāng)操作的人為因素間存在緊密關(guān)聯(lián)，同時(shí)考量電路系統(tǒng)的線路主要是出現(xiàn)在戶外環(huán)境中，某些鳥(niǎo)類等生物也是會(huì)對(duì)其產(chǎn)生相應(yīng)的負(fù)面影響[2]。

綜上所述，在10kV 開(kāi)關(guān)柜中出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，其中可能出現(xiàn)的電弧故障有著較為顯著的危害性，所以務(wù)必要讓有關(guān)部門(mén)對(duì)此引起高度的關(guān)注，采用行之有效的保護(hù)方案，能夠做好風(fēng)險(xiǎn)防控的事前管理工作，可以保障10kV 開(kāi)關(guān)柜處于正常運(yùn)行情況，進(jìn)而會(huì)保障整體電路系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)。

2 10kv 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的物理過(guò)程

2.1 電弧故障的熱效應(yīng)分析

10kv 開(kāi)關(guān)柜短路后電弧故障出現(xiàn)的熱效應(yīng)有著呈現(xiàn)出指數(shù)增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，相關(guān)內(nèi)容見(jiàn)圖1。

圖1 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障釋放的能量與電弧燃燒時(shí)間的關(guān)系曲線

當(dāng)故障電弧持續(xù)時(shí)間高于100ms 時(shí)會(huì)將電纜引燃，其高于150ms 時(shí)會(huì)將銅（或鋁）母線引燃，其高于200ms 時(shí)也是會(huì)將開(kāi)關(guān)柜外殼鋼板引燃，因此會(huì)讓開(kāi)關(guān)柜出現(xiàn)爆炸的事故風(fēng)險(xiǎn)。假如能夠10kv 開(kāi)關(guān)柜中短路后生成的故障電弧在5ms 內(nèi)熄滅，這是會(huì)顯著降低因電弧故障而出現(xiàn)的熱效應(yīng)而給開(kāi)關(guān)柜產(chǎn)生的損壞問(wèn)題，只是會(huì)給開(kāi)關(guān)柜中的環(huán)氧樹(shù)脂絕緣層與熱縮套管等帶來(lái)輕微的損傷，而在開(kāi)關(guān)柜中國(guó)其他非故障區(qū)域的電纜、母線以及元器件等均有著正常運(yùn)行的狀態(tài)。

2.2 電弧故障的壓力效應(yīng)分析

10kv 開(kāi)關(guān)柜因短路而出現(xiàn)的故障電弧與生成的壓力效應(yīng)，這是和以下幾類考量要素間存在關(guān)聯(lián)性，譬如電弧電壓因素、持續(xù)時(shí)間與長(zhǎng)度因素短路、電弧電流強(qiáng)弱因素以及開(kāi)關(guān)柜隔室體積因素等。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜中出現(xiàn)短路故障后，模擬分析開(kāi)關(guān)柜中氣壓和電弧燃燒時(shí)間的關(guān)系，曲線圖相關(guān)內(nèi)容見(jiàn)圖2（計(jì)算條件如下所述：選擇 Zx2 開(kāi)關(guān)柜，出現(xiàn)故障點(diǎn)的母線室有著充分的空氣，故障電弧電流是38KA，其持續(xù)時(shí)間是100ms，處于相對(duì)壓力為220kpa 時(shí)啟動(dòng)壓力釋放裝置）。如果開(kāi)關(guān)柜中母線室內(nèi)部產(chǎn)生短路電流故障現(xiàn)象時(shí)，當(dāng)處于電弧燃燒時(shí)間長(zhǎng)度為13ms 時(shí)，其內(nèi)部相對(duì)壓力達(dá)到峰值的2500kpa，此時(shí)會(huì)觸發(fā)壓力釋放裝置啟動(dòng)運(yùn)行；而當(dāng)電弧燃燒持續(xù)時(shí)間不足5ms 時(shí)，其母線室中氣體相對(duì)壓力大概是110kpa，這是沒(méi)有觸發(fā)壓力釋放裝置的動(dòng)作[3]。

圖2 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)氣壓與電弧燃燒時(shí)間關(guān)系曲線

從以上兩圖中可以了解到，其10kv 開(kāi)關(guān)柜中出現(xiàn)電弧故障的危害水平，這是受到電弧電流強(qiáng)弱及其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短的決定性影響。要是可以在電弧持續(xù)燃燒時(shí)間不足5ms 時(shí)將其熄滅，此時(shí)開(kāi)關(guān)柜中氣體相對(duì)壓力遠(yuǎn)低于最大值，因此，也是沒(méi)有因短路故障而產(chǎn)生很強(qiáng)的熱效應(yīng)現(xiàn)象。

3 現(xiàn)有10kv 開(kāi)關(guān)柜母線內(nèi)部電弧故障保護(hù)方案存在的缺陷

考量以上三類10Kv 開(kāi)關(guān)柜中母線及其至饋線電流互感器間產(chǎn)生的短路故障保護(hù)體系，其相對(duì)應(yīng)的經(jīng)典故障切除時(shí)間段分別是1.0～1.4s、350～450ms、以及50～65ms 等。上述三類保護(hù)舉措對(duì)應(yīng)的最快故障切除時(shí)間均慢于50ms，由此造成故障電弧有著較高的持續(xù)時(shí)間情況，因此會(huì)讓開(kāi)關(guān)柜中電弧故障而出現(xiàn)的壓力效應(yīng)達(dá)到峰值，這是會(huì)對(duì)柜中各類設(shè)備與元器件帶來(lái)顯著的破壞問(wèn)題，在對(duì)開(kāi)關(guān)柜產(chǎn)生較為顯著的損現(xiàn)象時(shí)，也是會(huì)給周邊區(qū)域的相關(guān)工作人員帶來(lái)生命安全危害風(fēng)險(xiǎn)。

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

4.1 熄弧單元?jiǎng)幼鲿r(shí)間小于3ms

現(xiàn)在，選擇具備電磁操作機(jī)構(gòu)，或者彈簧機(jī)構(gòu)的10kV 開(kāi)關(guān)柜，其動(dòng)作時(shí)間要慢于40ms，這是未符合電弧快速熄滅的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)研發(fā)的熄弧構(gòu)件對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)單元，這是選擇爆炸式氣體發(fā)生裝置，有關(guān)結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3。

圖3 熄弧單元組成

氣體發(fā)生裝置中是由小型專用炸藥構(gòu)成，在獲取控制單元發(fā)送的脈沖信號(hào)后，觸發(fā)氣體發(fā)生裝置的炸藥后產(chǎn)生爆炸。從而出現(xiàn)很多的高壓氣體，并且在封閉的氣室空間中快速對(duì)活塞進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，然后活塞會(huì)引動(dòng)熄弧單元的動(dòng)觸頭產(chǎn)生動(dòng)作，可以讓真空滅弧室中處于接地狀態(tài)的動(dòng)觸頭插進(jìn)出現(xiàn)帶電現(xiàn)象的靜觸頭中。鑒于選擇能夠瞬間生成高壓氣體環(huán)境的爆炸式氣體發(fā)生裝置，在活塞飛速動(dòng)作時(shí)，能夠讓熄弧單元電的動(dòng)作時(shí)間低于3ms，從而能夠?qū)崿F(xiàn)將電弧快速熄滅的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[4]。

熄弧單元選擇插入式連接方式內(nèi)置動(dòng)觸頭與靜觸頭，當(dāng)其被觸發(fā)后產(chǎn)生合閘動(dòng)作，能夠以自動(dòng)方式將動(dòng)觸頭閉鎖，由此防止出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象，可以解決板式接觸中的兩類觸頭在合閘過(guò)程中帶來(lái)的彈跳問(wèn)題，可以保障已經(jīng)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(huán)氧澆注技術(shù)，在整個(gè)真空滅弧室與操作機(jī)構(gòu)上澆注環(huán)氧樹(shù)脂外殼，規(guī)避真空滅弧室中陶瓷外殼處于空氣環(huán)境下的受灰與受潮等問(wèn)題，強(qiáng)化熄弧單元中的絕緣性能，并且加大爬距參數(shù)，而且因?yàn)檎婵諟缁∈抑械奶沾赏鈿け粷仓h(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)層，因此也是會(huì)相應(yīng)的增強(qiáng)熄弧單元的抗機(jī)械碰撞性能，能夠強(qiáng)化相關(guān)機(jī)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)安裝效率。在熄弧單元中的真空滅弧室與操作機(jī)構(gòu)中，選擇免維護(hù)技術(shù)體系，在日常設(shè)備維護(hù)時(shí)，只是給環(huán)氧樹(shù)脂外表面展開(kāi)清潔處理工作即可。

4.2 嘗試開(kāi)關(guān)柜快速滅弧器

快速滅弧器屬于主動(dòng)式電弧故障保護(hù)裝置，可以明顯減少在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)電弧事故的高溫環(huán)境給相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生的損壞問(wèn)題。相較于系統(tǒng)只是應(yīng)用傳統(tǒng)電流保護(hù)舉措而言，這種電弧故障的保護(hù)裝置是選擇一次主元件與檢測(cè)控制裝置的構(gòu)成方式，檢測(cè)控制裝置可以在2ms 之內(nèi)有效將故障弧光信號(hào)與故障電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，一次主元件在1.5ms 之內(nèi)獲取動(dòng)作指令，把一次系統(tǒng)中三相主回路進(jìn)行斷路處理，同時(shí)展開(kāi)接地操作，能夠瞬間讓故障區(qū)域中的電弧電壓消失，由此會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)將故障電弧熄滅，從而降低因此而產(chǎn)生的破壞問(wèn)題。

4.3 擴(kuò)展弧光檢測(cè)單元

控制單元設(shè)置擴(kuò)展端口，選擇專用控制電纜將多個(gè)擴(kuò)展弧光檢測(cè)單元進(jìn)行連接操作，計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)中10kV 開(kāi)關(guān)柜的數(shù)量，能夠靈活應(yīng)用擴(kuò)展弧光檢測(cè)單元。在控制單元中提供具備不同擴(kuò)展弧光檢測(cè)單元指向性的指示燈功能，然后也對(duì)弧光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)操作。而且擴(kuò)展弧光檢測(cè)單元同樣有著指示燈功能，能夠顯示相應(yīng)的檢測(cè)到弧光的探頭位置。如果出現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜電弧故障現(xiàn)象后，可以參考點(diǎn)亮的指示燈快速鎖定10kV 開(kāi)關(guān)柜中的故障區(qū)段，能夠顯著減少故障處理時(shí)間。

5 10kV 開(kāi)關(guān)柜的內(nèi)部電弧故障保護(hù)措施

在10kV 開(kāi)關(guān)柜使用時(shí)，要密切關(guān)注其內(nèi)部電弧故障的保護(hù)工作。譬如要展開(kāi)電壓檢測(cè)活動(dòng)，這也是相關(guān)故障檢測(cè)中有著較好效果的技術(shù)應(yīng)用體系，主要是針對(duì)內(nèi)部回路電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)活動(dòng)。假如產(chǎn)生內(nèi)部電弧故障情況后，相關(guān)區(qū)段的內(nèi)部回路電壓有著較為強(qiáng)烈的反應(yīng)現(xiàn)象以及幅值波動(dòng)性。所以，能夠根據(jù)實(shí)測(cè)的電壓數(shù)據(jù)改變情況，從而進(jìn)行故障的分析與處理。除此之外，也是有著壓力檢測(cè)方式，同樣是在電弧故障檢測(cè)中存在較為理想的技術(shù)應(yīng)用體系，并且屬于其中的特別重要檢測(cè)手段，重點(diǎn)是對(duì)內(nèi)部出現(xiàn)的空間壓力改變情況進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)活動(dòng)，由此分析10kV 開(kāi)關(guān)柜中電弧故障問(wèn)題，由于其出現(xiàn)相關(guān)故障信號(hào)后會(huì)產(chǎn)生顯著的升溫情況與壓力增大現(xiàn)象，所以能夠?qū)ζ鋬?nèi)部壓力值進(jìn)行檢測(cè)，并且分析其所存在的故障問(wèn)題。

在使用10kV 開(kāi)關(guān)柜時(shí)，假如產(chǎn)生內(nèi)部電弧故障問(wèn)題，這是會(huì)顯著影響系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，要選擇所需的保護(hù)裝置能夠?qū)ζ湔归_(kāi)高效的處理。此類保護(hù)裝置務(wù)必要能夠產(chǎn)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(nèi)部電弧具備速動(dòng)性特征，從而得到強(qiáng)化保護(hù)裝置的實(shí)際工作效能，在最大化層面上降低電弧故障產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，所以要分析以速度性特征為切入點(diǎn)的保護(hù)方式，以此可以產(chǎn)生快速有效的保護(hù)作用。然后是要讓保護(hù)裝置具備穩(wěn)定性特征，盡可能降低某些對(duì)保護(hù)裝置產(chǎn)生擾亂的外界影響要素，可以更好的發(fā)揮出保護(hù)裝置自身的功能。接著是要讓保護(hù)裝置有著選擇性特征，也是要保障企有著恰當(dāng)?shù)目刂撇僮鞣绞?，能夠更好的展現(xiàn)出其所具備的保護(hù)作用，規(guī)避某些多余的操作流程。最后是要讓保護(hù)裝置具備簡(jiǎn)捷操作功能，可以在10kV 開(kāi)關(guān)柜有著中較為簡(jiǎn)單的安裝流程，規(guī)避其繁瑣的安裝步驟給開(kāi)關(guān)柜的使用產(chǎn)生不必要的麻煩。簡(jiǎn)而言之，在分析10kv 開(kāi)關(guān)柜中電弧故障保護(hù)裝置時(shí)，要保障其具備穩(wěn)定性、有效性以及系統(tǒng)運(yùn)行高效性等。