1、    10kv開關(guān)柜快速滅弧裝置的應(yīng)用    林中森+鄒軍+夏良標摘 要：中低壓開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障嚴重影響了電力設(shè)備的安全運行。采用主動式快速滅弧裝置，在4 ms的時間內(nèi)將故障電弧消除在初始階段，不讓其產(chǎn)生壓力效應(yīng)、熱和輻射效應(yīng)，最大程度地減小電弧故障造成的危害。關(guān)鍵詞：10 kv開關(guān)柜；電弧故障；快速滅弧裝置；放電：tm561.5；tm591 ：a ：2095-6835（2014）24-0153-02隨著電網(wǎng)中配電網(wǎng)容量的逐漸增大，中低壓開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障嚴重制約了電力系統(tǒng)的安全運行。它不僅會使中壓開關(guān)設(shè)備被燒毀，還會威脅運行人員和設(shè)備的安全。另外，

2、系統(tǒng)內(nèi)曾經(jīng)多次出現(xiàn)因為開關(guān)柜內(nèi)部電弧短路故障而造成設(shè)備損壞、設(shè)備越級跳閘，導(dǎo)致10 kv母線停電、開關(guān)柜爆炸損壞等事件，這都嚴重威脅著電力系統(tǒng)的安全、可靠運行。目前，10 kv開關(guān)切除電弧故障的時間為100 ms2 s，并不能快速熄滅故障電弧。因此，需要探測和防護10 kv開關(guān)柜內(nèi)部的電弧，以確保設(shè)備和工作人員的安全。1 開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障危害電弧是發(fā)生在放電過程中的一種現(xiàn)象。當兩點之間的電壓超過其空氣絕緣強度極限時，就會產(chǎn)生電弧。當合適的條件出現(xiàn)時，會產(chǎn)生一個攜帶著電流的等離子，直到電源側(cè)的保護設(shè)備斷開才會消失。當電弧燃燒時，中心區(qū)溫度會達到9 726.85 以上，表面溫度達到了2 726.

3、853 726.85 ，同時，還會發(fā)出強烈的白光。由于異常電弧會釋放巨大的能量，引發(fā)各種電弧效應(yīng)，所以，會使銅排、鋁排熔毀和汽化，使電纜熔毀、電纜包覆層著火，造成柜內(nèi)被污損、保護漆被焚毀、清理困難等；再加上電弧故障的開關(guān)柜本身被嚴重損壞，使得高溫、高壓氣體極快地擴散到相鄰盤體，從而造成多組開關(guān)柜被同時燒毀。如果電弧較長時間不能被熄滅，就會有爆炸的可能，危及電力系統(tǒng)的運行安全，進而造成一定的人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失。在開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧燃燒期間，產(chǎn)生的電弧效應(yīng)包括壓力效應(yīng)、熱和輻射效應(yīng)。1.1 壓力效應(yīng)燃燒的電弧將周圍的空氣加熱，導(dǎo)致空氣急劇膨脹，在開關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生巨大的壓力。這時，開關(guān)柜的門可能

4、會被氣體炸開，致使開關(guān)柜內(nèi)部某些不牢固的部件從中噴射出。當高溫高壓氣體摻雜著金屬顆粒噴射到開關(guān)柜外部時，會對附近的工作人員造成一定的傷害。1.2 熱和輻射效應(yīng)電弧的熱（燃燒）效應(yīng)作用于開關(guān)柜的銅排、絕緣件和鋼板上，燃燒的電弧會將這些材料熔化、蒸發(fā)。電弧的燃燒效應(yīng)可能會切開母線和導(dǎo)線，在開關(guān)柜柜殼上燃燒成洞，使設(shè)備被毀壞。灼熱的氣體可能會從開關(guān)柜中爆炸而出，使得設(shè)備被損壞或造成一定的人員傷害，同時，還會產(chǎn)生有毒氣體。電弧燃燒所產(chǎn)生的亮光會引發(fā)巨大的輻射效應(yīng)。根據(jù)開關(guān)柜內(nèi)部電弧的發(fā)展過程，中壓開關(guān)柜內(nèi)部弧光故障會經(jīng)歷壓縮、膨脹、熱輻射排放等階段。其中，壓縮和膨脹階段的時間為1030 ms，在這個階

5、段內(nèi)，開關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生的動態(tài)氣體壓力波達到峰值。在輻射排放階段，電弧能量繼續(xù)輸入燃弧點，會產(chǎn)生高溫、高速的氣流和微粒，而燃弧也會產(chǎn)生大量的熱能作用于開關(guān)設(shè)備的零部件上，有可能會燒穿開關(guān)設(shè)備。熱輻射排放的時間會持續(xù)幾百毫秒甚至是幾秒鐘，直到開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障被切除。電弧產(chǎn)生的能量與i2t成正比，隨著時間的推移，內(nèi)部電弧的破壞效果會越來越強，具體情況如圖1所示。在電弧發(fā)生1030 ms的時間里，開關(guān)柜內(nèi)部氣體壓力達到峰值；在4060 ms 的時間里，低燃點的絕緣材料比如隔板、絕緣罩開始大規(guī)模燃燒；在80100 ms的時間里，開關(guān)柜內(nèi)部的電纜、環(huán)氧樹脂等絕緣材料開始大規(guī)模燃燒；在150 ms左右，銅排

6、和鋼板開始燃燒。因此，如何限制內(nèi)部電弧的燃燒時間，成為了有效解決開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障危害的主要因素。2 傳統(tǒng)內(nèi)部電弧故障保護方式目前，在中低壓開關(guān)柜中，主要采用電流保護和弧光保護的方式來保護開關(guān)柜內(nèi)部的電弧故障，常用的保護方式主要有以下4種。2.1 變壓器后備過電流保護開關(guān)柜母線故障采用變壓器后備過流保護，故障消除時間為1.21.4 s。這是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的中壓母線保護方案。考慮到饋線與母線分段開關(guān)之間的配合，一般會將保護跳閘時間整定為1.01.4 s，有時甚至會更長，達2.0 s以上。很顯然，這一動作速度遠遠不能滿足快速切除中壓母線故障的要求。2.2 高阻抗保護當開關(guān)柜母線發(fā)生故障時，采用

7、高阻抗保護的方式，故障消除時間約為100 ms。這是國外某些重要項目曾采用的專用電流差動中壓母線保護方案，典型的保護動作時間為3560 ms。考慮到斷路器的開斷時間，這一動作速度與要求在100 ms 以內(nèi)消除故障的速度比相對較慢。采用這種方案，接線較為復(fù)雜，對ct的要求很高，同時，在有很多出線的635 kv的母線上安裝保護開關(guān)時會遇到很多問題。另外，這種方式也很不經(jīng)濟。2.3 速斷保護當開關(guān)柜電纜室發(fā)生故障時，采用速斷保護的方式，故障消除時間為100 ms。利用電流速斷的方式施行保護，保護斷路器的開斷時間為100 ms。當故障切除時間過長，且電纜室發(fā)生單相接地的內(nèi)部電弧故障時，電流速斷保護無法

8、迅速動作。2.4 弧光保護當開關(guān)柜出現(xiàn)故障時，采用弧光保護的方式，故障消除的時間為70 ms。20世紀60 年代，一些發(fā)達國家開始研究弧光短路故障。20世紀8090 年代，已經(jīng)對這種故障特性有了深入的了解，并提出了各種弧光短路的防護措施。電弧光保護系統(tǒng)作為一種主動性防護措施，被廣泛應(yīng)用于歐美國家的電力系統(tǒng)和廠礦企業(yè)中，距今已有20年的歷史了。弧光保護是將安裝在柜內(nèi)各間隔中的弧光傳感器作為光感應(yīng)元件，檢測母線故障和斷路器室、電纜室故障。在發(fā)生弧光故障時，會檢測到突然增強的弧光信號，這時，光信號就會把弧光傳輸給主控單元。弧光保護系統(tǒng)通過檢測開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生故障時發(fā)出的弧光和電流突變量，來判斷是否有故

9、障發(fā)生。在跳閘回路中，弧光保護采用快速固態(tài)繼電器，系統(tǒng)從檢測弧光到出口跳閘的時間小于4 ms，斷路器開斷時間約為60 ms，故障消除時間約為70 ms。endprint以上4種保護方式的動作時間都較長，無法在內(nèi)部電弧產(chǎn)生的最初階段熄滅電弧，將故障損失降到最低。在1030 ms時，開關(guān)柜內(nèi)部的氣體壓力就已經(jīng)達到了峰值，因此，需要一種主動性較強、能快速熄滅電弧的裝置保護開關(guān)設(shè)備。3 快速滅弧裝置的原理和應(yīng)用快速滅弧裝置要將故障電弧消除在初始階段，不讓其產(chǎn)生壓力效應(yīng)、熱和輻射效應(yīng)。與傳統(tǒng)的保護方式相比，使用該裝置具有熄滅電弧時間小于4 ms，能最大程度地減少電弧故障的優(yōu)點。在發(fā)生電弧故障、開關(guān)柜柜內(nèi)

10、壓力和溫度急劇增加以前，采用快速滅弧裝置可以熄滅故障電弧，并切除短路電流，將損失降到最低。在排除了電弧故障，完成了有限清理工作后，開關(guān)柜可以繼續(xù)工作，并迅速恢復(fù)供電。快速滅弧裝置是由一次主元件、檢測控制裝置和弧光檢測探頭組成的。檢測控制裝置在2 ms內(nèi)能檢測出故障弧光和故障電流信號，一次主元件收到動作指令后，在1.5 ms內(nèi)動作，將三相主回路接地，熄滅電弧（電弧故障出現(xiàn)后4 ms內(nèi)熄滅電弧）。弧光檢測控制裝置通過持續(xù)監(jiān)測保護范圍內(nèi)的系統(tǒng)電流和弧光信號，迅速、可靠地判斷出是否有電弧故障發(fā)生。如果裝置判斷電弧故障已經(jīng)發(fā)生，檢測控制裝置會立即觸發(fā)3個一次主元件動作，將帶電母線連接到接地回路，實現(xiàn)系統(tǒng)

11、三相金屬性接地短路，以熄滅電弧。快速滅弧裝置一次主元件安裝在系統(tǒng)帶電母線與地之間，每相1個。一次主元件是將真空滅弧室與微型氣體發(fā)生器和驅(qū)動機構(gòu)有效結(jié)合起來，其動作時間小于1.5 ms。當動作信號被觸發(fā)后，一次主元件內(nèi)部微型氣體發(fā)生器會快速地提升活塞室底部的氣壓，推動活塞運動，破開預(yù)先處理過的連接點，驅(qū)動接地的動觸頭擊穿隔膜并插入高壓電位的靜觸頭中。動觸頭到位后實現(xiàn)自動閉鎖，確保一次母線與地可靠連接。一次主元件結(jié)構(gòu)如圖2所示。弧光檢測控制裝置作為快速滅弧裝置的基本單元，可以快速、可靠地檢測出設(shè)備內(nèi)部的電弧故障。弧光檢測是利用安裝在開關(guān)設(shè)備隔室內(nèi)的弧光檢測探頭完成對光強度的檢測，當光照強度達到定值

12、時動作。弧光檢測探頭是利用絕緣的光纖與裝置連接在一起，當檢測到弧光動作信號時，裝置面板上能夠準確顯示動作的弧光檢測通道號。弧光檢測裝置完全采用快速的模擬電子電路，特殊設(shè)計的硬件可以保證整個檢測控制系統(tǒng)功能的安全性。電流檢測通常是通過檢測系統(tǒng)本段的進線保護級電流互感器來實現(xiàn)的，如果瞬時電流大于設(shè)定值，那么，故障電流動作判據(jù)將被激活。該弧光檢測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，在各種運行方式下保護都不需要切換等優(yōu)點。弧光檢測探頭（光傳感器）可放置在開關(guān)設(shè)備的任何位置，通常安裝在開關(guān)柜各間隔室中，也可沿母線放置。弧光傳感器

13、使用的光纖，內(nèi)芯材料為聚甲基丙稀酸甲脂，外表護套材料為pvc，易于安裝和使用。另外，使用光纖線傳輸具有抗電磁干擾的優(yōu)勢，不需要使用特殊保護護套或其他保護設(shè)備。光纖傳輸保證了電弧光保護系統(tǒng)的響應(yīng)時間最短。在規(guī)劃安裝探頭時，必須要保證快速滅弧裝置保護區(qū)內(nèi)的所有開關(guān)柜隔室都能被監(jiān)測到，保護區(qū)內(nèi)系統(tǒng)所有的開關(guān)柜都能被監(jiān)測到。與傳統(tǒng)的保護相比，配置快速滅弧裝置能更快地檢測到內(nèi)部電弧故障（2 ms），迅速抑制故障電弧（4 ms），減少電弧故障造成的破壞。它可應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站、工業(yè)和商業(yè)配電系統(tǒng)的10 kv中壓母線上。使用該設(shè)備，可以確保從事運行檢修工作人員的安全，當發(fā)生嚴重的電弧故障時，能避免開關(guān)設(shè)備

14、嚴重受損，減少開關(guān)設(shè)備的停電時間和維修成本，限制故障發(fā)生時開關(guān)設(shè)備內(nèi)部壓力上升。當發(fā)生內(nèi)部電弧故障時，在壓力和溫度急劇升高以前，采用快速滅弧裝置就可以熄滅故障電弧并切除短路電流，將損失降到最低。在排除了電弧故障，完成了有限清理工作后，開關(guān)柜可以繼續(xù)工作，供電也將迅速恢復(fù)，進而有效提高供電的可靠性。編輯：白潔endprint以上4種保護方式的動作時間都較長，無法在內(nèi)部電弧產(chǎn)生的最初階段熄滅電弧，將故障損失降到最低。在1030 ms時，開關(guān)柜內(nèi)部的氣體壓力就已經(jīng)達到了峰值，因此，需要一種主動性較強、能快速熄滅電弧的裝置保護開關(guān)設(shè)備。3 快速滅弧裝置的原理和應(yīng)用快速滅弧裝置要將故障電弧消除在初始階段

15、，不讓其產(chǎn)生壓力效應(yīng)、熱和輻射效應(yīng)。與傳統(tǒng)的保護方式相比，使用該裝置具有熄滅電弧時間小于4 ms，能最大程度地減少電弧故障的優(yōu)點。在發(fā)生電弧故障、開關(guān)柜柜內(nèi)壓力和溫度急劇增加以前，采用快速滅弧裝置可以熄滅故障電弧，并切除短路電流，將損失降到最低。在排除了電弧故障，完成了有限清理工作后，開關(guān)柜可以繼續(xù)工作，并迅速恢復(fù)供電。快速滅弧裝置是由一次主元件、檢測控制裝置和弧光檢測探頭組成的。檢測控制裝置在2 ms內(nèi)能檢測出故障弧光和故障電流信號，一次主元件收到動作指令后，在1.5 ms內(nèi)動作，將三相主回路接地，熄滅電弧（電弧故障出現(xiàn)后4 ms內(nèi)熄滅電弧）。弧光檢測控制裝置通過持續(xù)監(jiān)測保護范圍內(nèi)的系統(tǒng)電流

16、和弧光信號，迅速、可靠地判斷出是否有電弧故障發(fā)生。如果裝置判斷電弧故障已經(jīng)發(fā)生，檢測控制裝置會立即觸發(fā)3個一次主元件動作，將帶電母線連接到接地回路，實現(xiàn)系統(tǒng)三相金屬性接地短路，以熄滅電弧。快速滅弧裝置一次主元件安裝在系統(tǒng)帶電母線與地之間，每相1個。一次主元件是將真空滅弧室與微型氣體發(fā)生器和驅(qū)動機構(gòu)有效結(jié)合起來，其動作時間小于1.5 ms。當動作信號被觸發(fā)后，一次主元件內(nèi)部微型氣體發(fā)生器會快速地提升活塞室底部的氣壓，推動活塞運動，破開預(yù)先處理過的連接點，驅(qū)動接地的動觸頭擊穿隔膜并插入高壓電位的靜觸頭中。動觸頭到位后實現(xiàn)自動閉鎖，確保一次母線與地可靠連接。一次主元件結(jié)構(gòu)如圖2所示。弧光檢測控制裝置

17、作為快速滅弧裝置的基本單元，可以快速、可靠地檢測出設(shè)備內(nèi)部的電弧故障。弧光檢測是利用安裝在開關(guān)設(shè)備隔室內(nèi)的弧光檢測探頭完成對光強度的檢測，當光照強度達到定值時動作。弧光檢測探頭是利用絕緣的光纖與裝置連接在一起，當檢測到弧光動作信號時，裝置面板上能夠準確顯示動作的弧光檢測通道號。弧光檢測裝置完全采用快速的模擬電子電路，特殊設(shè)計的硬件可以保證整個檢測控制系統(tǒng)功能的安全性。電流檢測通常是通過檢測系統(tǒng)本段的進線保護級電流互感器來實現(xiàn)的，如果瞬時電流大于設(shè)定值，那么，故障電流動作判據(jù)將被激活。該弧光檢測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

18、運行方式，在各種運行方式下保護都不需要切換等優(yōu)點。弧光檢測探頭（光傳感器）可放置在開關(guān)設(shè)備的任何位置，通常安裝在開關(guān)柜各間隔室中，也可沿母線放置。弧光傳感器使用的光纖，內(nèi)芯材料為聚甲基丙稀酸甲脂，外表護套材料為pvc，易于安裝和使用。另外，使用光纖線傳輸具有抗電磁干擾的優(yōu)勢，不需要使用特殊保護護套或其他保護設(shè)備。光纖傳輸保證了電弧光保護系統(tǒng)的響應(yīng)時間最短。在規(guī)劃安裝探頭時，必須要保證快速滅弧裝置保護區(qū)內(nèi)的所有開關(guān)柜隔室都能被監(jiān)測到，保護區(qū)內(nèi)系統(tǒng)所有的開關(guān)柜都能被監(jiān)測到。與傳統(tǒng)的保護相比，配置快速滅弧裝置能更快地檢測到內(nèi)部電弧故障（2 ms），迅速抑制故障電弧（4 ms），減少電弧故障造成的破壞

19、。它可應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站、工業(yè)和商業(yè)配電系統(tǒng)的10 kv中壓母線上。使用該設(shè)備，可以確保從事運行檢修工作人員的安全，當發(fā)生嚴重的電弧故障時，能避免開關(guān)設(shè)備嚴重受損，減少開關(guān)設(shè)備的停電時間和維修成本，限制故障發(fā)生時開關(guān)設(shè)備內(nèi)部壓力上升。當發(fā)生內(nèi)部電弧故障時，在壓力和溫度急劇升高以前，采用快速滅弧裝置就可以熄滅故障電弧并切除短路電流，將損失降到最低。在排除了電弧故障，完成了有限清理工作后，開關(guān)柜可以繼續(xù)工作，供電也將迅速恢復(fù)，進而有效提高供電的可靠性。編輯：白潔endprint以上4種保護方式的動作時間都較長，無法在內(nèi)部電弧產(chǎn)生的最初階段熄滅電弧，將故障損失降到最低。在1030 ms時，開關(guān)柜內(nèi)

20、部的氣體壓力就已經(jīng)達到了峰值，因此，需要一種主動性較強、能快速熄滅電弧的裝置保護開關(guān)設(shè)備。3 快速滅弧裝置的原理和應(yīng)用快速滅弧裝置要將故障電弧消除在初始階段，不讓其產(chǎn)生壓力效應(yīng)、熱和輻射效應(yīng)。與傳統(tǒng)的保護方式相比，使用該裝置具有熄滅電弧時間小于4 ms，能最大程度地減少電弧故障的優(yōu)點。在發(fā)生電弧故障、開關(guān)柜柜內(nèi)壓力和溫度急劇增加以前，采用快速滅弧裝置可以熄滅故障電弧，并切除短路電流，將損失降到最低。在排除了電弧故障，完成了有限清理工作后，開關(guān)柜可以繼續(xù)工作，并迅速恢復(fù)供電。快速滅弧裝置是由一次主元件、檢測控制裝置和弧光檢測探頭組成的。檢測控制裝置在2 ms內(nèi)能檢測出故障弧光和故障電流信號，一次

21、主元件收到動作指令后，在1.5 ms內(nèi)動作，將三相主回路接地，熄滅電弧（電弧故障出現(xiàn)后4 ms內(nèi)熄滅電弧）。弧光檢測控制裝置通過持續(xù)監(jiān)測保護范圍內(nèi)的系統(tǒng)電流和弧光信號，迅速、可靠地判斷出是否有電弧故障發(fā)生。如果裝置判斷電弧故障已經(jīng)發(fā)生，檢測控制裝置會立即觸發(fā)3個一次主元件動作，將帶電母線連接到接地回路，實現(xiàn)系統(tǒng)三相金屬性接地短路，以熄滅電弧。快速滅弧裝置一次主元件安裝在系統(tǒng)帶電母線與地之間，每相1個。一次主元件是將真空滅弧室與微型氣體發(fā)生器和驅(qū)動機構(gòu)有效結(jié)合起來，其動作時間小于1.5 ms。當動作信號被觸發(fā)后，一次主元件內(nèi)部微型氣體發(fā)生器會快速地提升活塞室底部的氣壓，推動活塞運動，破開預(yù)先處理過的連接點，驅(qū)動接地的動觸頭擊穿隔膜并插入高壓電位的靜觸頭中。動觸頭到位后實現(xiàn)自動閉鎖，確保一次母線與地可靠連接。一次主元件結(jié)構(gòu)如圖2所示。弧光檢測控制裝置作為快速滅弧裝置的基本單元，可以快速、可靠地檢測出設(shè)備內(nèi)部的電弧故障。弧光檢測是利用安裝在開關(guān)設(shè)備隔室內(nèi)的弧光檢測探頭完成對光強度的檢測，當光照強度達到定值時動作。弧光檢測探頭是利用絕緣的光纖與裝置連接在一起，當檢測到弧光動作信號時，裝置面板上能夠準確顯示動