中壓開關柜內部故障電弧防護措施研究

林鄧偉

摘 ?要：電力能源是人們生活、工作、社會生產中必不可少的環節。隨著科學技術和信息技術的發展，大量電氣、電子產品廣泛應用于人們的生活和工作中，對電能需求量不斷增加，電力系統的規模迅速擴大的同時也為電力系統的運營、管理帶來了壓力，電力系統的安全性、穩定性、可靠性愈發重要。中壓開關柜是電力系統電能分配的核心組成構件。當中壓開關柜發生故障，將可能直接影響區域用戶生活、企業生產以及公共設施的正常運轉。在中壓開關柜的故障類型中，以內部燃弧故障的影響最大、危害性最強。該文首先分析了中壓開關柜內部故障產生電弧的原因以及給中壓開關柜帶來的影響，再針對如何防護中壓開關柜內部故障電弧的措施進行簡要的探討。

關鍵詞：中壓開關柜;內部故障;電弧防護措施

中圖分類號：TM561 ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

近年來，隨著我國經濟生產高速發展，電力系統作為日常能源的重要組成部分，也趨向于規模化、系統化、復雜化，對供電連續性、可靠性、安全性的要求也不斷提高。

中壓開關柜是電力系統中的重要環節，在工業應用中，中壓開關柜的故障會對連續性生產產生影響，最嚴重的電弧故障還可能給就地操作的人員安全帶來隱患。持續的電弧故障甚至會蔓延，導致變電站內相連的開關柜燒損。發生電弧故障的開關柜由于受到高溫、高強度內部作用力的破壞，往往無法繼續使用。修復或重新采購全新設備需要一定的生產、安裝、調試周期，對用戶產生直接、間接經濟損失以及可能的人員安全等綜合性影響。

1 中壓開關柜內部電弧故障的危害性

在電力系統中，配電裝置通常會分為民用和工業生產用2種。一般來說，工業企業的變配電裝置通常會采用成套的開關柜。通常成套的開關柜整體尺寸規格較小，絕緣強度不大，并且極容易受到外界因素的影響而產生絕緣的凝露或灰塵等，斷路器在推進和推出的過程中也容易對絕緣造成一定的磨損，也可能由于產品質量原因或一些其他外界因素進入開關柜中，這樣就使中央開關柜的電弧容易發生短路情況，導致中央開關柜的故障率升高，由此引起診斷配電裝置發生損壞或長期停電的事件也較多。容易發生火災，威脅用戶的生命財產安全。

中壓開關柜發生內部故障產生電弧時，經常會引起電路中電壓與電流的變化，故障電弧容易引起電流變化率升高，主要原因在于故障電弧電流的波形約為正弦波形，而電弧電壓波形作為斜頂的梯形，電壓頂部也會隨著時間的延長而使得電弧的伏安特性產生明顯的滯環，這種情況主要是由于電弧所攜帶的電能會轉化為熱能，并引起周圍環境溫度的急劇升高，空氣壓力也會在瞬間增大，在極短的時間內就容易產生爆炸等事故，尤其中央開關柜處于較小的空間內，其密閉的環境極容易在電弧能量高溫高壓環境情況下引發爆炸。在這種情況下，在中央開關柜的沖擊下會導致柜體爆裂，并且柜內的元器件也容易全部燒毀。所以，國家也明確規定了中央開關設備必須能夠進行一定的內部故障實驗。所有檢驗達到相關標準，符合法律規定后才能夠投入使用。

2 中壓開關柜內部故障的計算方法

常規采用標準計算法其理論基礎主要依據為能量守恒定律和理想氣體狀態方程，在實際計算中，設定壓力上升和電弧能量為假設的均衡狀態，對其氣體設定為一元等熵流動，同時將中壓開關柜內的空間氣體設想為理想氣體。并設定其摩爾數為等值不變的情況，設定其物理性質不變、體積固定。例如CR、CP不變。此時功率PP會迅速加熱氣體，暫時不考慮殼體氣流和壓力波、沖擊波以及熱導等條件。其時間為dt，對于電弧所提供的，導致氣體壓力上升的主體能量為dQ，這時就可計算氣體通過釋放口所消耗的能量，即為dE，其計算公式為：

dQ-dE=d（m·cV·T）

由氣體狀態方程pV=mRT，求導。

V·dp+p·dV=m·R·dT+R·T·dm

式中：R為氣體常數，V為小室的體積，m為小室內的氣體質量。壓力釋放裝置開啟初始，能量不會發生損失即為dE=0，dm=0，此時結合相關豎式和4階庫塔數值方法來進行計算能量轉換系數，開啟壓力釋放裝置后，就必須要將壓力釋放口所產生的氣流進行計算。在進行模型計算時，必須要注意一維理想絕熱氣體通過喉部界面為S的噴管，在計算中，假設流體通過出口界面的速度是保持高度的勻速。時間dt內轉移氣體質量dm計算公式為：

dm=α·S·pn·vn·dt

式中：α為氣流摩擦和收縮系數，S為出氣口有效面積，pn、vn為氣流通過壓力釋放口時的壓力、速度，dt為時間，m為釋放板的質量。再根據熵和絕熱氣流能量方程和等熵絕熱過程關系進行相應的計算（計算過程略），當氣體流出釋放口的時間之內，氣體壓力會根據隔室內部與外部的壓力比變化而發生變化。通過2次計算后會出現2種取值，如果比值小于或等于臨界壓力比，則釋放口氣體會出現膨脹的情況，如果2種取值比值大，則氣體壓力不可能降至相應的背壓（壓力釋放口外界氣壓），則只能夠降至臨界壓力，其取值為臨界壓力值。

3 中壓開關柜內部故障分析方法

目前，在電力企業中常用的開關柜內部故障分析方法主要包括電路敲擊法、故障排除法和圖形分析法。

電路敲擊法主要是指在設備帶電的工作運行狀態下進行檢查。檢測人員可以使用絕緣的工具如橡皮小錘與進行各種設備運行元件的敲擊，如果電氣設備存在故障，在經受一定的敲擊之后會發生異常情況。這就表明電氣設備存在故障隱患，需要及時進行檢修和解決。

故障排除法主要是指對電氣設備進行逐層的檢測和運行狀態的分析，其通過對設備整體結構的觀察，需要檢測人員對電氣設備十分了解，要能夠由外至內、層層進行分析和推理，根據電氣設備各元件運行狀態去判斷，在實際檢測中，使用順推理方法或逆向推理方法進行故障的排出是較為常規的方法，將所有正常運行的部件或連接設備排除后就能夠準確地找到和排除故障。

圖形分析法主要是以電氣設備的相關設計圖紙為依據，根據電氣設備的運行原理和設備的整體結構包括系統圖、原理圖、構造圖和位置圖等以及功能裝接的方式和維修方法等重要的數據參數進行電氣設備的檢查，在進行電氣設備的診斷時，也可以根據這些圖紙和數據參數進行綜合全面的分析，以此來作為電氣設備故障診斷時的依據[1]。

4 中壓開關柜內部故障電弧防護措施

4.1 加強整體系統的主動性

目前在電力企業的電力系統中，經常會同時發生幾種故障，由此造成電弧混亂，極為容易引起更大的事故。因此在實際的防范過程中，必須要加強對整個系統的檢修并提高維護水平，降低內部故障電弧發生的概率。尤其要注意采用電流保護或低壓保護與斷相保護等相關的防護措施。并以電氣設備質量為基礎定期進行整體系統的維護，對于易發生故障位置要做到精細的檢測。這樣不但能夠有效地降低故障發生概率，同時，還能夠增強對成本的有效控制，提高電力系統運行的穩定性與安全性。

4.2 加強專用中壓母線保護

加強對專用增壓母線的保護主要的目的在于降低中壓開關柜內部故障發生概率和進行電弧的防護。建湖匯中央開關柜故障的原因是由于內部的系統封閉。無法承受空氣爆破的壓力。而母線能夠在一定水平上增加空氣短時內間內發熱膨脹的壓力。利用母增壓母線提供保護后，中壓開關柜內部故障產生的電弧帶有的紅外線紫外線等具有穿透力的管線會在一定程度上得到隔離，可見光數量也會相應的降低，能夠有效地提升電力設備的運行穩定性。目前電力企業也在不斷地進行中壓開關柜增壓母線保護的研究，并且取得了一些成果。

4.3 加強相關系統定期檢修

除了對整體系統和主系統進行定期維護之外，還需要對相關的系統采取相應的保護。要從整個控制系統、機械設計系統與電氣系統3個方面來進行全面的維護，制定科學完善的維護周期制度方案。可以在控制系統中增設短接開關或差分繼電器等設備裝置，也可以選擇采用熄滅電弧的裝置進行電弧故障的防護。這樣就能夠起到降低內部故障電弧產生引發事故的概率。

4.4 加強電氣設備日常維護

在中央開關柜內部故障電弧的防護措施中，需要加強對電氣控制設備的日常維護。尤其要重點進行自動保護裝置運行故障的檢測與檢修。要將易發生故障的位置和容易產生故障的因素進行直觀的檢查。通過自動保護裝置在電氣控制系統中的使用，能夠在實際運行過程中針對發生的故障進行設備與設備之間連接的快速切斷，減少事故影響范圍。而且自動防護裝置還能夠將電梯控制系統所出現的異常情況或相關故障信息進行預警，準確的將發生故障位置進行反映。這一功能主要是基于自身運行條件和實際的設備運行狀態的監測，如果監測當中發生異常信號，則可以快速進行反應，并提示維修維護人員進行故障檢測[2]。

4.5 加強機械設計防護水平

機械設計防護措施主要可以分為隔離或絕緣等方法。隔離的措施主要是封鎖存放設備的空間，或加裝防護柵欄。由于高壓設備通常是持續帶電，且電流和電壓功率較大，所以這也是必須采取有效防護和隔離措施的主要原因。絕緣則是借助母排絕緣和高壓格式的方式來降低內部故障電弧相互抵觸的可能性。在實際的運用過程當中，能夠有效地起到防止和降低帶電部件之間的接觸頻率，以此來來甫電弧發生。這其中需要重點注意的是母線系統和開關柜的處理，要注意絕緣措施的全面布設[3]。

5 結語

中央開關柜是電力系統中重要的組成部分。其內部電路故障電弧時間短，破壞力強而且能量大。所造成的爆炸事故給人們帶來極大的生命安全威脅和經濟財產損失。因此，相關企業必須要嚴格地進行中央開關柜產品質量的控制，加強對主系統的主動維護和相關系統的維修，并定期對各個設備進行檢查。提高檢修人員的專業水平和操作人員的安全意識，實現電力企業的健康發展。

參考文獻

[1]徐翠麗.中壓開關柜內部故障電弧防護措施[J].山東工業技術，2019（6）：180，190.

[2]方文波.中壓柜內部電弧故障的防護措施探討[J].現代工業經濟和信息化，2017，7（23）：28-29，35.

[3]馬駿.中壓開關柜內部故障電弧防護措施[J].通訊世界，2017（14）：188-189.