弧光保護在中低壓開關中的應用

高波　常瑞強　李楠

摘 要：

針對轄區近年來多個變電站中低壓開關柜出現的弧光閃絡、爆炸事故，分析了故障發生的原因和產生的危害以及現有保護的不足之處，提出相應的應對措施，得出弧光保護的推廣和應用，能有效的降低故障損害，提高經濟效益的結論。

關鍵詞：

短路；閃絡；爆炸；弧光保護

中圖分類號：

TB

文獻標識碼：A

文章編號：16723198（2014）06019002

0 引言

近年來，隨著我國電力工業的發展，轄區中低壓開關柜的應用數量也越來越多，由于開關柜弧光短路引發的中低壓母線故障也日益增多，通過近幾年的統計，每年發生的開關柜閃絡、短路、接地，或爆炸事故達十幾起，不僅造成了停電事故，影響了供電可靠性，還造成了許多設備的永久性損毀，帶來了許多不可挽回的損失，為了確保人身、設備安全，避免類似事故再次出現，結合國內外運行經驗，很有必要在中低壓開關柜加裝電弧光保護。

1 弧光形成的原因

（1）帶電誤操作；

（2）設備本身質量、工藝問題，故障或斷路器滅弧失敗；

（3）人或者動物誤入帶電線路區間，維修后工具遺留等；

（4）電纜、套管、支持瓷瓶、絕緣子等其他輔件絕緣老化，設備破損；

（5）天氣如臺風，雷電等造成線路破損及各種外力破壞造成的故障；

（6）系統接地、諧振、操作、雷電等各種原因造成的系統過電壓；

（7）氣候條件，污穢（嚴重）、空氣濕度（過大）、溫度（過熱）。

2 弧光的危害

2.1 電弧性短路起火

如將兩電極接觸后再拉開建立了電弧，則維持此10mm長的電弧只需要20V的電壓，也就是說只要先接觸，之后又分開，很可能產生局部溫度很高的電弧而成為起火源。

2.2 電弧光爆炸

電弧光不僅能引起絕緣物質燃燒，而且可以引起金屬（銅排、鋁排）熔化、飛濺，構成火災、爆炸的火源；電氣設備本身除多油斷路器、電力變壓器、電力電容器、充油套管等充油設備可能炸裂外，一般不會出現爆炸事故，但是以下情況可能引起空間爆炸：

（1）周圍空氣有爆炸性混合物，在危險溫度或電火花作用下引起空間爆炸。

（2）充油設備的絕緣油在電弧作用下分解或氣化，噴出大量油霧和可燃氣體，引起爆炸。

（3）發電機氫冷卻裝置漏氣，酸性蓄電池排出氫氣等，形成爆炸性混合物，引起空間爆炸。

2.3 對人的危害

（1）弧光的光強約9000Lux，而人眼感受到的最大光強約300Lux，很容易使人的眼睛刺傷，使角膜上皮脫落，出現怕光、流淚、異物感、結膜充血等癥狀。

（2）電弧爆炸造成的燒傷是最嚴重的傷害，主要來自于電爆炸時散發出大量的熱能輻射和飛濺的熔化金屬，再者就是衣物被點燃后燃燒的熔滴而造成的嚴重燒傷。

（3）電爆時產生的巨響對聽覺的傷害和爆炸彈力對人體的傷害熱能和火焰是可以致命的傷害。

（4）電弧周圍的空氣在弧光強烈輻射作用下，還會產生臭氧、氮氧化物等有毒氣體傷害呼吸系統。

2.4 對設備的危害

弧光短路是電網最嚴重的故障，尤其是發生在中、低壓開關柜內部的情形，由于電弧電阻的原因，短路電流往往達不到過流速斷整定值而不能動作快速切斷故障，電弧持續燃燒釋放出巨大的能量，從而造成災難性的后果：開關柜嚴重燒毀、重要用戶停電、經濟損失等，見下圖1～圖4：

3 弧光危害程度及現有保護分析

3.1 燃弧時間對設備損壞程度的影響

當系統出現弧光的時候，弧光以300m/s的速度爆發，摧毀途中的任何物質。只要系統中不斷電，弧光就會一直存在；而在中低壓開關柜內，弧光可以迅速的在10ms內達到3M遠，因此要想最大程度降低損失，保障運行、維護、操作人員的安全，時間是最主要的因素。根據國外經驗數據，燃弧時間與設備損毀的關系如下：

（1）燃弧時間≤35ms，沒有顯著的損壞，一般可以再檢驗絕緣電阻后投入使用。

（2）燃弧時間≤100ms，損壞較小，在開關柜再次投入運行以前需要進行清潔或某些小的修理。

（3）燃弧時間≤500ms，設備損壞很嚴重，在現場的人員也受到嚴重的傷害，必須更換部分設備，更換才可以再投入運行。

3.2 常規保護的動作切弧時間

中低壓開關柜一般配備有過流速斷、變壓器后備、母線差動保護。保護動作出口時間加上開關機構固有的動作延時以及斷路器的滅弧時間，造成實際的延遲息弧息弧時間會大于如下時間：

對瞬時性保護（速斷、母線差動）延時一般大于40～60ms（0s（整定值）+保護啟動出口延時10ms+斷路器分閘時間30～50ms）。

對變壓器后備保護一時限跳主變本側母聯500ms；二時限跳主變本側1000ms；三時限跳主變全側1500ms（常規整定值）。

帶時限的過流（II段）保護延時300ms～500ms。

據以上分析可見，常規保護的故障切除時間很難確保設備安全再運行，現場多年實際運維經驗也證明了這一點，幾乎所有的放電開關柜，不經過防污閃處理或設備更換，做工頻耐壓試驗都不合格，大大增加了人力、財力、物力成本。

4 弧光保護原理簡介

電弧光保護動作判據為故障時需產生兩個條件：弧光和過電流。當同時檢測到弧光和電流增量時發出跳閘指令信號；當只檢測到弧光或者電流增量時發出報警信號，并不會發出跳閘指令，僅發告警信號，如圖5：

5 結束語

降低電弧損毀程度的關鍵是減少燃弧時間，只有以最快的速度將電弧切除才能最大限度的降低電弧對生命、財產、安全的破壞，實踐證明電弧光保護系統輸出跳閘信號時間小于1ms，即使加上斷路器固有跳閘息弧時間（30～50ms），也能確保燃弧時間不大于100ms，從而大大提高了設備的簡單處理再運行率，在安裝或者維護的時候也能保護操作人員的安全，有很好的經濟、安全和推廣應用價值。

參考文獻

[1]TYSEN-KLD弧光保護技術說明書[Z].北京蒂森克羅德電力技術有限公司，2013.

[2]電力設備預防性試驗規程（DL/T596—1996）[S].

[3]電氣設備交接試驗標準（GB50150-2006）[S].