UFES快速滅弧柜應用問題研究

趙東方　肖洋　姚松彪

摘要：社會與國家在進步，發展離不開建設更離不開電力系統的支持。經濟活動的深度與廣度在不斷增大，中壓開關柜是我國電力系統的核心部分，但其改進速度遠滯后于經濟發展的速度，因此在生產過程中較容易出現中壓開關柜內部故障問題。我國相關電力部門人員應當重視中壓開關柜的內部問題，從源頭上出發避免故障電弧帶來的危害，促進有關行業持續穩定的發展。

關鍵詞：內電弧故障;保護措施;快速滅弧柜

1 概述

開關柜是電力系統中必不可少的構件之一，也是容易出現故障的主要構件。從電力學的角度分析，當電力系統的內部電弧出現故障時，電壓與電流會在短時間內出現大幅度的變動，一般情況下故障電弧電流及電壓的波形會變為正弦與斜頂梯形波。不僅如此，電弧出現故障后，電力系統會出現短路的情況，電流短時間內激增，電壓頂部隨之傾斜。從能量守恒的角度分析，短時間內電壓迅速增多會導致電能轉化成為內能，且轉化率較高。電力系統內部是一個相對封閉的空間環境，電弧能量難以及時釋放，因此較易出現氣體爆炸的故障現象。開關柜質量不達標會造成柜門承受不住爆炸力度，最后柜內原件破壞，周圍工作人員的生命安全受到威脅。電弧故障導致的開關柜爆炸是電力系統常出現的安全事故，事故本身不但導致區域范圍內停電現象，影響人民群眾的生產和生活，而且對工作人員的生命造成較大的威脅。

2 內部電弧的危害及防護措施

開關柜內部故障電弧燃燒期間產生的電弧效應包括壓力效應、熱效應、輻射及聲效應。在這四種效應中壓力效應及熱效應尤為突出，其危害主要表現在造成現場工作人員的傷害和對開關設備及鄰近配電設備的損害。開關柜內部發生電弧故障時，弧光發生點的溫度高達20，000oC，為太陽表面溫度的4 倍，如此高的溫度將在短時間內造成電纜燒毀，銅排鋁排熔毀氣化，造成人員傷亡（觸電、皮膚燒傷、刺傷眼睛、碎片飛射損傷等），柜內污損。電弧燃燒時釋放的能量巨大，高溫對空氣加熱而膨脹，金屬氣化時體積膨脹67，000 倍，從而使柜內壓力急驟上升。它產生的壓力相當于爆炸產生的能量會使開關柜體變、破碎，波及鄰近設備，甚至造成“火燒連營”事故。為了最大限度地保護人員和設備免受故障電弧的損害，目前采取的措施分為消極防護措施和積極防護措施。消極防護措施是通過加強開關柜的結構來限制故障電弧產生的各種效應，如加強開關柜的結構、密封隔離各單元室、設置壓力釋放板壓力通道等。這種措施在一定程度上減少損壞程度，同時增加很大的設備投資（依賴于其耐受電弧及耐受時間）。積極防護措施是指，通過保護系統及時檢測開關柜內的故障電弧，并盡可能快的速度切除，如能在電弧開始階段就切斷電弧，大大減少故障電弧的能量，限制了開關設備的損壞。目前，常用的積極防護措施有兩種：一種是通過常規繼電器檢測故障，驅動上游側斷路器動作切除故障，需要100 至200 毫秒的時間;另一種是通過弧光保護繼電器檢測，驅動上游側斷路器動作，切除燃弧故障平均所需時間在100 毫秒左右。

3 ?新型UFES快速滅弧器

新型快速滅弧器是一種積極防護措施，主要包含兩部分一是檢測部分一是動作部分。要做到快速滅弧就需要從這兩個方面考慮：檢測故障要快、動作要快。ABB 生產的UFES 快速滅弧器就將快速光纖檢測與快速動作有機結合在一起，由一次主元件PSE 和檢測控制裝置QRU 兩部分組成。是一種特別的安全措施，類似于汽車的安全氣囊。UFES 快速滅弧器一次主元件PSE 是ABB 真空泡（20 多年運行經驗）與ABB 限流器（50 多年運行經驗）兩種技術的創新組合，其動作原理是在內部電弧發生時將系統三相短路并接地，快速熄滅電弧。鑒于其設計的特殊性，微型氣體發生器驅 動其缸內活塞超快速動作（動作時間小于1.5ms），在故障電流第一個1/4 周波內完成動作，避免開關柜系統承受故障峰值電流，從而 大大減少了設備維修成本及停電時間，提高了系統的可靠性，保證了設備工作人員的安全，無論開關柜是否具備內電弧防護能力，也 無論開關柜是在運行情況或維修/ 維護狀況時。UFES 快速滅弧器檢測控制裝置QRU，集測量、邏輯判斷與動作出口于一體，通過探頭式光纖（設置于每個高壓隔室）獨立精確地檢測電弧故障的位置，通過電流輸入口的電流檢測作為判據以提高動作可靠性，實時、完善的自檢功能及測試模式確保設備正常可靠。從故障檢測到裝置出口僅需1ms，為系統快速滅弧提供了保障。QRU1 有9 路光纖輸入口，同時可以通過TVOC 可擴展45 路光輸入口，為系統安裝配置提供了方便。UFES 快速滅弧器通過檢測控制裝置QRU 檢測到弧光信號后將信號通過光纖傳輸至UFES 一次主元件PSE，一次主元件 PSE 內的微型氣體發生器快速動作，使系統短路并接地熄滅電弧。UFES 快速滅弧器的設置是以母線為單元，通常一段母線只需設置一套，一套UFES 可以為17 面開關柜（每面開關柜按三個高壓隔室計算）提供保護。無論是新采購開關柜還是現有開關柜，均可適用，特別是對于舊型號、不具備內電弧防護等級的開關柜系統，UFES 快速滅弧裝置會更好地為操作人員安全提供保障，滿足標準IEC62271 - 200 中的防護要求。對于新生產的開關柜，隨著制造水平和制造工藝的提高，滿足內電弧防護等級標準要求已非常普及，但內電弧的防護等級是在開關柜關門的情況下，如設備在檢修或維護 時需要打開柜門，是無法達到該要求的。為保障操作人員的安全，建議新柜上同樣考慮配置快速滅弧器，亦如好車配有安全氣囊一樣。對于已在現場使用的開關柜，尤其是不具備內電弧防護等級要求的開關柜，有兩種非常簡單的通用方案適用于中壓空氣絕緣柜：固定式和手車式服務單元。如系統中有備用柜，可以選用手車式，主回路部分僅需將斷路器手車移出將快速滅弧 器手車移入，不需要作任何額外改動即可投入使用，縮短了系統停電時間。對系統中沒有備用柜時，建議采用固定式服務單元，可根 據現場實際情況安裝于側面或頂部。當然也可以增加一臺帶快速限流器的開關柜或改造現有柜達到同樣目的，這需要根據系統的實際 配置情況，成本預算及停電時間等等進行綜合評估后確定。UFES 快速滅弧裝置主元件結構原理的特殊性，其動作壽命只有一次，執行完成后需更換主元件，一般安裝時均會考慮方便更換。針對常規系統如單母線分段方式，建議兩段母線各配置一套UFES 快速滅弧器的同時備一套主元件以便需要時能及時更換，提高系統 的利用率，減少停電時間。

4 結語

實際運行中，盡管采取了各種加強開關柜的措施，但開關柜內電弧故障仍時有發生。雖然概率不高，但卻是不能完全排除，一旦發生會給附近操作人員和設備造成極大危害。通過加強開關柜的結構可以限制一定的危害;通過保護設備可以以最快的速度將故障切除，將電弧故障保護造成的損害降到最低，尤其是新型快速滅弧器超快速動作使操作人員和開關設備免受內電弧的影響。

參考文獻

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