開關柜內部電弧故障分析及防控措施

王超 王冰冰 陳嵩 邵昱

摘 要：電弧是一種能量集中、亮度很強、溫度很高的氣體放電現象，由開關柜內部故障電弧引發的事故是電力系統實際運行中常見的嚴重故障之一，可使故障所在開關柜及相鄰開關柜爆炸燒毀、10 kV母線被迫停電，造成重大的經濟損失和不良的社會影響。本文分析了開關柜內部電弧的產生原因及危害，并結合實例深入分析了一起110 kV變電站由電弧引起的事故擴大原因，最后對今后開關柜內部電弧故障提出幾種防護方法，為避免類似情況再次發生提供參考。

關鍵詞：開關柜;電弧故障;防護

中圖分類號：TM591文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）29-0055-04

Abstract： Arc is a gas discharge phenomenon with concentrated energy， strong brightness and high temperature， the accident caused by the internal arc fault of the switch cabinet is one of the common serious faults in the actual operation of the power system， which can cause the switch cabinet where the fault is located and the adjacent switch cabinet to explode and burn， and the 10 kV bus is forced to cut off， causing significant economic losses and adverse social impact. This paper analyzed the causes and hazards of arcs in the switchgear， and analyzed the reasons for the expansion of an accident caused by arcs in a 110 kV substation in depth with an example， finally proposed several protection methods for the internal arc fault of the switchgear in the future， which could provide reference for avoiding the recurrence of similar situations.

Keywords： switch cabinet;arc fault;protection

電弧是一種能量集中、亮度很強、溫度很高的氣體放電現象，是指電流通過某些絕緣介質（如空氣）時產生的瞬間火花。電弧一旦形成，所需維持電弧穩定燃燒的電壓很低，且電弧質量很輕，容易變形[1]。金屬封閉殼體內的故障電弧能夠在短時間內形成高壓力和高溫，其產生的影響和破壞程度與殼體大小、短路電流大小、電弧電壓及電弧持續時間有關。由開關柜內部故障電弧引發的事故是電力系統實際運行中常見的嚴重故障之一，若無法得到及時切除，會造成災難性的后果，可使故障所在開關柜及相鄰開關柜爆炸燒毀、10 kV母線停電，造成重大的經濟損失和不良的社會影響[2]。

1 開關柜內部故障電弧產生原因及危害

開關柜中內部電弧故障可以用壓縮、膨脹、發射和熱效應4個階段來描述[3]。發生故障時，電弧溫度可達2×104 ℃，燃燒的電弧引起空氣膨脹，在開關柜內部產生巨大壓力[4]。10 kV開關柜內部短路故障電弧產生的熱效應（電弧能量）呈指數規律上升，如圖1所示。故障電弧持續時間超過100 ms，會引起電纜燃燒;超過150 ms，會引起銅排燃燒;超過200 ms，開關柜外殼的鋼板也開始燃燒，開關柜設備有爆炸危險。電弧燃燒同時會產生大量有害氣體，造成進入人員呼吸系統傷害，相鄰開關柜也可能受沖擊損壞，甚至引起10 kV高壓室火災，擴大故障范圍。

數據統計顯示，開關柜內部電弧事故發生在操作人員在打開的設備門前面時占65%，發生在操作人員恰好在關閉的設備門前面且設備不具備耐電弧性時占10%，發生在操作人員不在場且設備不具備耐電弧性時占25%[5]。伴隨事故產生的危害有熱灼傷、飛濺物、強光、電擊、熔融金屬和有毒氣體等[6-8]。

2 某變電站開關柜電弧故障分析

2.1 故障現象

2019年6月10日，某變電站1021開關跳閘，其10 kV II母I、II失壓，并伴有火災告警，同時通信中斷，該站10 kV高壓室平面布置如圖2所示，運行方式如圖3所示。運維人員到達后發現高壓室有濃煙，與消防隊員進行第一次撲救，確認無明火后離開。2 h后，10 kV高壓室煙霧加重，檢修人員和消防隊員進入10 kV高壓室進行撲救，與此同時1#主變跳閘，10 kV I段母線失壓。

經開倉檢查后，發現34板燒損嚴重，其斷路器A相上觸臂對母線倉下封板有明顯放電痕跡，如圖4所示，斷路器三相下觸臂斷裂、B相真空泡破裂，如圖5所示，電纜倉CT燒蝕掉落至柜體底板，倉內電纜頭至三指套絕緣部分已全部燒毀，內部導體光滑，未見明顯放電痕跡;10 kV I母PT柜B、C相母線對后倉壁有放電痕跡，如圖6所示;101開關手車下觸臂三相已全部燒斷，A相上觸臂已燒熔，A相觸頭盒固定板存在明顯放電痕跡，如圖7所示，保護動作過程信息如表1所示。

2.2 原因分析

經排查，本研究發現了接地點故障原因：34板A相上觸頭因彈簧彈力下降或靜觸頭接觸不良引起發熱，發熱造成A相上觸頭盒絕緣下降，多次放電并復原，接地電弧引發三相短路對母線倉C相主母線、下母線倉板、斷路器三相下觸臂及B相真空泡放電，短路電弧致使三相下觸臂斷裂、B相真空泡破裂，1021跳閘，10 kV II母失壓。

電弧弧根溫度可達20 000 ℃，由于10 kV II段三相短路引發的電弧從持續到熄滅的過程中，柜內金屬和絕緣材料都被侵蝕，經多次融化和擴散，形成的有毒煙霧和熔融金屬蒸汽通過10 kV I段母線倉上部母線橋散熱孔進入15板、16板和101，造成16板、101A相上分支母排對A相觸頭盒固定金屬板放電，B、C兩相電壓幅值升高到[3]倍，進而引發充滿粉塵的15板內B、C相母線接地，構成三相短路，101跳閘，I母失壓，此時短路電弧已將101A相上觸頭盒及相鄰絕緣護套點燃，4 s后火勢蔓延至101開關手車A相下觸臂，引發手車下觸臂三相短路，短路電弧將開關手車三相下觸臂燒斷，1#主變高后備保護動作，出線1開關跳閘，1#變失壓。

后經深入排查，確定事故初始原因為一條10 kV饋出線發生A相接地，系統非故障相電壓升高為線電壓并對系統產生擾動。通過消弧線圈裝置信息及保護錄波可以看出，金屬性接地故障電流中存在很高的直流分量，且持續時間長達250 s，故障電流直流分量流經PT相當于線圈短路，會引起PT線圈嚴重發熱。在電壓突變過程中，該站10 kV母線PT高壓線圈非接地兩相B、C相的勵磁電流突然增大、飽和，飽和后的PT勵磁電感變小，由此構成相間串聯諧振，產生過電壓。與此同時，感抗下降使得勵磁回路嚴重飽和，勵磁電流遠超額定值，導致鐵芯劇烈振動。電壓互感器在大電流下運行，自身溫度迅速升高，鐵芯嚴重發熱，最終導致PT本體燒損。

PT本體燒損后，煙塵及火焰蔓延引發ABC三相弧光短路，3#變低復壓過流I段保護動作跳開103開關，導致該站10 kV II母II段、III母失壓，造成事故擴大。

3 電弧故障防護方法

3.1 增加常規停電檢測手段

針對本文事例中暴露出的斷路器觸頭發熱問題，建議在常規停電例試時增加開關柜全導電回路電阻檢測、開關柜電暈檢測兩個試驗項目。開關柜全導電回路電阻檢測通過200 A大電流檢測開關柜自母線到出線電纜全導電回路的電阻，可以有效發現開關柜內可能存在的接觸不良、連接松動等導電缺陷;開關柜電暈檢測是采用脈沖電流法對整段開關柜進行局部放電檢測，可以有效發現開關柜內可能存在的連接部位虛接、絕緣介質強度下降、柜內存在導電雜質等絕緣缺陷。通過這兩項試驗，進一步強化開關柜停電檢測的效果。

3.2 嘗試開關柜快速滅弧器

快速滅弧器是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。與系統僅使用傳統電流保護相比較，配套此類電弧故障的保護設備由一次主元件和檢測控制裝置組成，檢測控制裝置在2 ms內能可靠地檢測到故障弧光及故障電流信號，一次主元件收到動作指令后在1.5 ms內動作，通過將一次系統的三相主回路短路并接地，使故障處電弧電壓瞬間下降至零，從而快速熄滅故障電弧，降低電弧故障造成的破壞。

3.3 試點開關柜在線局放監測

目前，在電力變電設備領域，脈沖電流法是普遍認可且廣泛使用的一種局部放電量測試方法，其結果以pC為單位，屬于定量性質的測量，能客觀反映電氣設備的絕緣狀態及缺陷。以后可以利用高壓開關柜帶電顯示裝置的絕緣子式電容傳感器進行在線局部放電監測，通過配套傳感器將監測結果傳輸至手機終端，實時監測開關柜運行狀態。

3.4 改進設計

當電力系統開關柜出現故障電弧時，可應用自動保護裝置，迅速切斷開關柜與其他電力設備的連接，防止影響擴大。加強機械設計防護，盡量減少隔室與帶電元件的接觸，防止故障時高溫氣體大范圍擴散[9]。

4 結論

由開關柜內部故障電弧引發的事故是電力系統實際運行中常見的嚴重故障之一，其破壞力強、影響范圍廣，應嘗試多種防護措施降低其不利影響，最大限度保護工作人員和其他電力設備的安全。本文結合某變電站事故，對開關柜內部電弧故障進行分析，說明其產生原因及影響，同時提出了幾種實際中切實可行的防護方法，為避免類似情況再次發生提供參考。

參考文獻：

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