中低壓開關柜電弧計算及實際應用

北京市自來水集團石景山區自來水有限公司 馬明智

北京某水廠供配電系統裝機容量11515kW，運行容量8300kW，計算負荷7142kW，負荷等級一級，最高電壓等級10kV，擁有配水泵房、提升泵房、炭砂濾池及膜車間四座配電室（各含10kV 主配、10kV 變頻器室、10/0.4kV變壓器室、0.4kV 配電室、控制室）。水廠配電系統上級電源取自國網各變電站，以配水泵房配電室為總配，給其它3座配電室提供10kV 電源，組成全廠供電網絡。上述4座配電室共有UG550/10kV 開關柜46面，MNS3.0/0.4kV 開關柜58面，均為水廠檢修班組自行運維。

本文即結合某水廠供配電系統實際情況，對10kV 及0.4kV 開關柜電弧故障進行分析計算，研究實際工作中可能出現的短路電流、電弧故障電流、入射能量、保護邊界等問題，經ETAP 仿真建模，詳細計算關鍵數據，并根據計算結果討論不同情況下應采取的防護措施。

1 電弧故障的分析方法

1.1 電弧故障的分析方向

中低壓開關柜內部故障電弧對供配電系統安全運行及一線操作人員的人身傷害問題得到了越來越多相關從業人員的關注和重視。但目前對于中低壓開關設備電弧故障的研究主要集中在電弧產生的原因、電弧的特性、檢測與識別方法和弧光保護裝置等方面，其計算目標往往只重視電弧能量，而未體現開斷時間對電弧故障保護的具體分析，對實際工作中電弧故障的計算案例和精確計算也少有文獻。帶著這些問題，本文將結合某水廠實際工作對電弧故障計算進行研究。

1.2 電弧的計算分析

電弧計算是結合三相金屬性短路電流、母線距離和工作距離參數來確定高低壓開關柜內的電弧入射能量、危害等級并確定電弧的保護邊界。

1.2.1 分析計算方法和目標

計算方法和公式主要來自兩個工業標準：①NFPA 70E-2018，②IEEE 1584-2018。其中①的計算方法使用NFPA 方程，電弧電流的范圍是16-50kA。②的計算方法使用規范內的方程，在0.208-15kV 電壓范圍內使用經驗模型，15kV 以上使用理論模型Ralph Lee's 方程，電弧電流的范圍是0.7-106kA。

計算分析中主要的分析參數有：

導體/母線的間隙：指三相母線的間距。IEEE 1584-2018表中規定了此參數的推薦數值。在計算中根據實際的設備廠家數據選取。

距離因數X：根據不同的設備類型、電壓等級和間隙選取，邊界限制值：由NFPA 70E-2018進行定義的，帶電部分受到沖擊危害的接近限制值。

電弧電流：通過短路計算確定的電弧短路電流，其數值與三相短路電流并不相同。

繼電保護和保護設備清除故障時間：按繼電保護定值的設定值，綜保反應時間和斷路器開斷時間之和考慮。

計算分析中主要的分析目標結果有：電弧故障入射能量；電弧故障保護邊界；明確電弧故障危害等級并選取防護設備等級（PPE）。

1.2.2 電弧故障分析計算

1.2.2.1 電弧故障電流計算

對于1kV 以下系統：

對于1kV 及以上系統：

1.2.2.2 工作距離內的入射能量計算

工作距離內的入射能量公式為:

計算入射能量E，用等式為：

當系統電壓超過15kV 或者當導體間距超過153mm 時，計算公式：

1.2.2.3 電弧保護邊界計算

距離計算公式如下：

則距離計算公式如下：

1.2.2.4 PPE 危害/防護等級

PPE 在NFPA 70E-2018表130.7(C)中定義為個人防護裝備，根據計算得出電弧入射能量值，從而選取適合的PPE 對工作人員進行防護。

2 水廠中低壓開關柜電弧故障分析計算

2.1 電弧故障計算

某水廠供配電系統上級兩路電源分別來自劉娘府變電站和金頂街變電站，在計算中電網提供的短路電流暫按20kA 選取。各電力設備和電纜按實際值選取。母線的間隙、距離因數按實際開關柜的參數選取。系統接地方式按實際情況考慮。10kV故障切斷時間按70ms 考慮（綜保20ms+斷路器50ms），0.4kV 故障切斷時間按250ms 考慮。短路電流考慮電機反饋。

由于10kV 系統和0.4kV 系統都是單母線分段的接線方式，計算中僅需要考慮I 段的電弧故障，II段的計算結果與I 段相同，按照上文闡述的計算方法和供配電系統的主接線、設備參數進行ETAP 建模后，短路計算結果見計算結果如下，為了分析研究電網短路電流對計算結果的影響，在下面的計算中選取了系統短路電流的不同的數值并進行了計算（低壓僅考慮配水泵房變配電室），結果見表1。

表1

為了分析研究故障清除時間對計算結果的影響，在系統短路電流為20kA 的前提條件下，在下面的計算中選取了故障清除時間的不同的數值并進行了計算，結果見表2。

表2

2.2 電弧故障計算結果分析

對以上的電弧故障計算結果進行分析可以得出以下的結論：

在水廠實際的供電條件下，10kV 開關柜遭受的電弧故障危害較小，0.4kV 開關柜遭受的電弧故障危害較大，運維人員在操作時應根據本文計算結果穿戴相應的防護服裝和用具。

對應低配系統來說，變壓器容量越大，電弧入射能量越高，電弧邊界更遠，危害等級和需要的護具級別越高。

電網提供的短路電流對10kV 系統影響比較大，電弧電流和入射能量隨其數值線性增長；對低配系統的影響比較小，幾乎無明顯變化，故對低配系統，變壓器容量是影響電弧電流的關鍵因素。

故障切除時間的縮短對降低電弧電流和入射能量的水平有明顯作用，所以在水廠技改工作中可以考慮選用中低壓母線弧光保護繼電保護裝置和進線快速切斷開關的方案來降低母線電弧故障風險。

3 中低壓開關柜內部電弧故障的防護措施

據本文實際計算結果，在中低壓開關柜內部電弧故障的防護工作中，防護措施主要有以下幾方面。

3.1 購置可靠的IAC 級設備

目前國家對中壓開關設備的制造標準GB3906進行了修訂，該標準著重考慮使用者的人身安全，增加了“內部電弧級開關設備和控制設備（IAC）”的概念。IAC 級設備定義是：“經試驗驗證能滿足在內部電弧情況下保護人員規定要求的金屬封閉開關設備和控制設備”。只有通過內部燃弧型式試驗的設備才能稱為IAC 級設備。水廠在技改工作中可以參考電弧入射能量和電弧故障危險等級決定是否部分換裝可靠的IAC 級設備。

3.2 裝設成熟的弧光保護裝置

目前供配電系統中，10kV 和0.4kV 電壓等級的母線，一般均未裝設專門的母線綜自保護裝置。常用的設計方案使用后備保護來切除母線上的故障，缺點是時限較長（0.6-2.5s）。根據參考文獻[1]中的闡述，電弧故障發生后100ms 內若不能切除故障，故障將迅速發展放大，造成“火燒聯營”，同時從故障點擴大至相鄰系統。可能造成全廠停電，人員受傷等巨大經濟損失和安全事故。因此對水廠內重要供配電設備和計算能量值很高的母線可以考慮配置成熟的母線弧光保護裝置，其動作時間在幾毫秒，比普通綜保裝置快很多。

3.3 裝設必要的測溫裝置

由于設備局部發熱導致的電弧故障占總電弧故障的99%。開關柜中斷路器與母線連接的觸頭、母線搭接的接頭、電纜頭與母線連接的接頭等部位會因制造、運輸、安裝不良及老化引起接觸電阻過大而發熱，繼而發展為內部電弧故障[2]。故可以考慮通過技改工作在開關柜適當的部位裝設必要的測溫裝置，實現對測點的溫度實時監測，便可將故障隱患消滅在萌芽狀態。

3.4 個人防護裝備(PPE)的穿戴

斷電作業是保證工作安全的最佳方式，但有時帶電工作又不可避免，例如故障排查、測試電壓、診斷和紅外線測溫時，這些情況下，運維人員需要穿戴適當的個人防護裝備（PPE），才能有效地防止觸電和電弧事故對人身的傷害[3]。

本文給出中低壓開關柜內部電弧故障的計算方法，并結合某水廠實際情況對電弧故障的故障電流、入射能量和保護邊界等給出了計算、結果和分析。計算過程考慮了10kV 系統容量、系統接地方式、變壓器參數、開關柜參數、電動機參數和模型、負荷、故障切除時間等所有影響因素，精確計算了本廠各母線段的短路電流、電弧故障電流、入射能量、保護邊界、危害水平和PPE 級別，同時給出了應對中低壓開關柜內部電弧故障建議。