手車式開關柜內部電弧保護裝置的應用

曾新雄，李新海, 曾慶祝,姚盛華(,廣東電網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 )

手車式開關柜內部電弧保護裝置的應用

曾新雄1，李新海1, 曾慶祝1,姚盛華2
(1,廣東電網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：隨著手車式開關柜在我國的應用越來越廣，人們也開始關注手車式開關柜的內部構造，其設計制造水平也在逐步提高。本文主要對手車式開關柜內部電弧保護裝置的應用進行闡述。

關鍵詞：手車式開關柜；內部電弧保護裝置；原理；應用

在10kV開關柜應用中，內部電弧故障是一種嚴重的事故，將導致開關設備的損壞和威脅到操作人員的人身安全。引起開關柜內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；開關柜結構設計不合理、制造質量不佳；絕緣材料老化；運行條件惡劣（高溫、潮濕、污穢、化學侵蝕等）；電網結構的改變（系統容量增大、接地方式的改變、電纜應用的增多、系統諧振過電壓、保護及自動裝置配置不當等）；小動物的進入、工具等外來物件遺漏在開關柜內等外力因素。

10kV開關柜內部電弧故障的發展過程為以下四個階段：

第1階段，氣體壓縮階段，當開關柜內部發生電弧故障時候，電弧發生點的溫度可達10,000K。故障電弧導致設備內溫度上升，并產生動態壓力波，持續時間約5～15ms。

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

第3階段，即是輻射排放階段，這一階段可能持續幾百毫秒。在這一階段由于電弧能量繼續輸入燃弧點，產生空氣流、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，導致銅排、鋼板等器件氣化，空氣加熱并體積膨脹數萬倍。在排放階段開關柜柜內壓力急驟上升，產生的爆破壓將造成開關柜盤體變形、破碎。

第4階段，即是熱效應階段，亦即為燃弧的最后階段，它持續直至電弧熄滅。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設備的固體零部件，將造成銅排、鋁排熔毀，電纜熔毀、電纜包覆層著火。

開關設備尤其是開關柜母線上發生內部電弧故障會給設備和附近操作人員造成極大的危害。現有開關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，將無法有效保護內部電弧故障。因此10kV開關柜母線需要一種快速的內部電弧故障保護裝置，在電弧故障發生的第一階段即氣體壓縮階段，迅速將故障電弧熄滅，電弧持續時間將小于5ms，對開關柜的危害降到最低，從而保護開關柜。

1 手車式開關柜內部電弧保護裝置的原理

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

手車式開關柜內部電弧保護裝置由熄弧手車和電弧檢測裝置組成。在電弧故障出現后5ms內熄滅電弧。通過內部電弧保護裝置，能實現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原理，具有原理簡單、動作可靠迅速、對變電站一次設備無特殊要求、適應于各種運行方式、且在各種運行方式下保護不需要切換等優點。與傳統的保護相比較，配置手車式開關柜內部電弧保護裝置能更快檢測到內部電弧故障，迅速抑制故障電弧，降低電弧故障造成的破壞。在開關柜柜內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開關柜的母線室、斷路器室內的電弧檢測探頭，電弧檢測探頭通過判斷光線強度來識別開關柜內是否有內部電弧產生。電弧檢測裝置同時采集進線開關柜的電流信號，判斷故障時候是否有過電流發生。裝置采用雙重判據方式，即電弧檢測探頭判斷有弧光產生且進線開關柜有過電流發生時候，判斷有內部電弧故障。內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柜母線上若干個由內部電弧檢測探頭傳來的電弧光信號，用于保護開關柜母線故障。

熄弧手車由手車底盤，手車絲桿機構，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柜的斷路器隔室中。通過手車搖把驅動手車絲桿機構，將手車從開關柜試驗位置推到工作位置，熄弧手車投入運行，對開關柜內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生器驅動機構相結合，在收到電弧檢測裝置發出的動作信號后，熄弧元件的氣體發生器驅動機構動作，將真空滅弧室的接地的動觸頭驅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系統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。在開關柜故障電弧發生處，由于電弧弧壓降低，導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三相金屬性短路后，故障電流仍然存在，開關柜進線柜的過電流保護或變壓器后備過流保護動作，將開關柜進線跳閘，切除電源回路。

2 手車式開關柜內部電弧保護裝置的應用

手車式安裝內部電弧保護裝置具有方便檢修和維護的優點。在例行檢修過程中，將內部電弧保護手車抽出開關柜，進行檢修和試驗，開關柜母線無需停電。而熄弧元件固定安裝方式在熄弧元件檢修和維護時，需要將開關柜母線進行停電，造成安裝和維護困難。當開關柜內部電弧發生，內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。并將手車抽出開關柜，就可以對熄弧元件進行更換并重新投入運行。開關柜內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柜內部電弧保護裝置，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、設備的安全。手車式開關柜內部電弧保護裝置能在小于5ms時間內快速熄滅故障電弧，避免因開關柜內部電弧短路故障而造成設備損壞、人員傷害，并實現用戶停電恢復時間由原來2天至3個星期縮短到2個小時內，減少用戶損失及供電損失。內部電弧保護裝置是目前發電廠、變電站、工業及商業配電系統10kV中低壓母線保護理想的解決方案。

3 結語

參考文獻：

[1] 姚淑娜,宗廣志.光纖技術在開關配電設備中的應用[J].北京聯合大學學報,2004(01).

[2]張賓,李月,盧金.Lyapunov特性指數用于混沌判據[J].吉林大學學報(信息科學版),2004(02).

[3] 李達義,陳喬夫,賈正春.基于Matlab中FFT函數的電力諧波分析方法[J].電測與儀表,2002(07).