10kV開關柜快速滅弧裝置的應用

楊加興 姚堯 薛陽艷

湖南平高開關有限公司 湖南長沙 410006

1 開關柜對弧光保護的要求

對于開關柜而言，出現(xiàn)內(nèi)部電弧故障的幾率相對較低，但是在理論之上的影響因素較多：

依據(jù)國外的相關研究與試驗結果得知，引發(fā)故障電弧的主要有四個環(huán)節(jié)：

（1）壓縮階段。持續(xù)時間約為5-15ms。該環(huán)節(jié)的溫度會急驟上升，并伴隨發(fā)生動態(tài)壓力波。（2）膨脹階段。持續(xù)時長約為5-15ms。該環(huán)節(jié)會在較短的時間之內(nèi)，由于燃弧區(qū)以及周邊空氣之間出現(xiàn)壓力差，從而引發(fā)氣流。（3）排放階段。該環(huán)節(jié)基本會持續(xù)幾百毫秒。以內(nèi)電弧能力的持續(xù)性輸入燃弧點，從而引發(fā)微粒流、氣流與空氣流。該類強力高速氣流的熱量和攜帶的熾熱微粒，內(nèi)部電弧就會影響到外部環(huán)境。（4）熱效應階段，也就是燃弧的最后一個環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)主要包圍短路電弧的空氣基本上會達到電弧的問題，從該環(huán)節(jié)初始，大多數(shù)燃弧的能量基本上都是作用在開關設備的固體零部件。在這種情況之下，開關設備很有可能會出現(xiàn)燒穿的危險，在清除故障之后，該環(huán)節(jié)也就結束了。

開關柜內(nèi)部所出現(xiàn)的弧光故障的能量基本可以達到8-60MW，其主要是和電弧的燃燒時長、短路電流之間有關。電弧燃燒的持續(xù)時間大于100ms，那么釋放出來的能量也會變大，約為100ms左右電纜開始燃燒，150ms左右銅排燃燒，到了200ms左右鋼材開始燃燒，如圖1所示。

圖1 開關柜內(nèi)部燃弧時間及其造成的損壞圖

2 內(nèi)部電弧的危害及防護措施

開關柜內(nèi)部故障電弧燃燒期間產(chǎn)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(xiàn)在造成現(xiàn)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(nèi)部發(fā)生電弧故障時，弧光發(fā)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(nèi)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(nèi)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(nèi)壓力急驟上升。它產(chǎn)生的壓力相當于爆炸產(chǎn)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。

3 10kV開關柜快速滅弧裝置的應用

快速滅火裝置可在早期消除故障電弧，不會產(chǎn)生壓力效應，熱量和輻射效應。與傳統(tǒng)的保護方法相比，該裝置具有滅弧時間為4ms或更短的優(yōu)點，可以最大限度地減少電弧故障。如果電弧故障以及開關設備中的壓力和溫度突然升高，可以使用快速滅弧系統(tǒng)來關閉故障電弧并關閉短路電流以使損耗最小化。消除電弧故障并完成有限的清潔工作后，開關柜可以正常工作并立即恢復供電。

快速滅弧裝置包括主要部件，檢測控制裝置和電弧檢測探頭。檢測控制裝置可以檢測2ms內(nèi)的故障電弧和故障電流信號，接收到操作指令后在1.5ms內(nèi)工作，接地三相主電路，關閉電?。òl(fā)生電弧故障）電弧將在4后消失。

UL 1699B 是美國工業(yè)標準中關于光伏系統(tǒng)故障電弧檢測保護權威的標準，規(guī)定了凡是直流母線電壓超過 80V 的線路必須安裝直流電弧故障斷路器，并對于住宅、商業(yè)、工業(yè)應用中逆變器、充電控制器以及獨立直流電源的電弧故障斷路器設計起到了規(guī)范指導作用。同時標準要求電弧故障檢測系統(tǒng)具備信號指示功能，能夠及時檢測系統(tǒng)電弧并跳閘發(fā)出指示命令，還要求系統(tǒng)能夠測試電弧檢測單元是否處于正常工作等。在 2015年 6月 1日，我國開始實施的《電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)（ 第 4部分：故障電弧檢測裝置） 》是一項關于故障電弧檢測與保護的國標文件，在電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)電弧故障檢測裝置中提出了嚴格規(guī)定。

當接觸頭就位時，實現(xiàn)自動鎖定以確保總線和地之間的可靠連接，電弧故障會導致電路中的電壓電流發(fā)生變化，同時伴隨著弧聲、弧光、高溫和電磁信號等，利用各類傳感器采集電弧數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析，提取故障特征進行檢測。利用四階 Hilbert 分形天線檢測電弧電磁輻射信號，在不同氣壓下對 4種電極材料進行試驗，考慮電極的形狀、材料和移動速度對電磁輻射信號的影響，結果表明，直流電弧電磁輻射幅值隨著氣壓、電極形狀和電極移動速度的改變發(fā)生改變，且通過對電弧電磁輻射的特征頻率統(tǒng)計可知，特征頻率范圍（ 36- 41MHz） 與氣壓、電極形狀和移動速度沒有關系，證明了電磁輻射作為電弧電磁輻射檢測特征量的可行性。針對電源柜中電弧故障保護裝置，利用多種傳感器以及回路天線來接收電弧發(fā)出的聲、熱以及電磁輻射來檢測故障電弧。

總之，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(nèi)電弧故障仍時有發(fā)生。雖然概率不高，但卻是不能完全排除，一旦發(fā)生會給附近操作人員和設備造成極大危害。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(nèi)電弧的影響。