開關柜內部短路故障模型分析及保護策略研究

摘要：中壓開關柜在電力系統中扮演著重要的角色，然而其內部短路故障，尤其是弧光短路故障，嚴重威脅設備和人員安全。以理論分析和仿真模擬的方式，研究中壓開關柜內部短路故障的機理及其防護措施。基于對中壓開關柜內部短路故障的成因、特性及其危害的分析，探討現有繼電保護裝置的不足之處。通過模型分析短路電弧壓力和溫度變化的關系，提出幾種有效的保護策略，包括改進的快速母線保護方案、泄壓通道設計和基于計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真的壓力抑制方法。

關鍵詞：中壓開關柜" 弧光短路故障" 繼電保護" 智能化" 仿真

Research on Analysis of Inside Short-Circuit Fault Model and Protection

Strategy Switchgear

ZHAO Nan LI Junjie FAN Gaopeng

He’nan Senyuan Electric Co.， Ltd.， Xuchang， He'nan Province， 461000 China

Abstract： Medium voltage switchgear plays a crucial role in power systems， but its internal short-circuit faults， especially arc short-circuit faults， seriously threaten the safety of equipment and personnel. This research investigates the mechanism and protective measures of internal short-circuit faults in medium voltage switchgear through theoretical analysis and simulation. Based on the analysis of the causes， characteristics， and hazards of internal short-circuit faults in medium voltage switchgear， this paper discusses the shortcomings of existing relay protection devices. By analyzing the relationship between short-circuit arc pressure and temperature changes through models， several effective protection strategies are proposed， including an improved rapid bus protection scheme， pressure relief channel design， and pressure suppression method based on Computational Fluid Dynamics （CFD） simulation.

Key Words： Medium voltage switchgear; Arc short-circuit fault; Relay protection; Intelligent;

Simulation

近年來，中壓開關柜在電力系統中得到廣泛應用，其安全性和可靠性對電力系統的穩定運行至關重要。然而，中壓開關柜內部短路故障，尤其是弧光短路故障時有發生，這種故障不僅會對設備造成嚴重損害，還會危及現場工作人員的生命安全^[1]。

通過深入分析中壓開關柜內部短路故障的成因、特性及其危害，并通過理論建模和實驗驗證，探索有效的故障防護措施。具體研究內容包括：（1）分析中壓開關柜內部短路故障的成因和特性，評估其對設備和人員安全的危害；（2）探討現有繼電保護裝置的局限性，特別是對弧光短路故障存在保護短板；（3）建立基于計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）的仿真模型，模擬不同條件下的短路電弧壓力和溫度變化，并通過實驗驗證模型的準確性；（4）提出改進的快速母線保護方案，設計泄壓通道并進行優化，基于CFD仿真的壓力抑制方法進行研究。

1 中壓開關柜內部短路故障分析

1.1 短路故障的成因

中壓開關柜內部短路故障是電力系統中較為常見且極具破壞性的故障類型之一。了解這些故障的成因有助于采取有效的預防和保護措施。中壓開關柜內部短路故障的主要成因如下^[2]。

1.1.1 設計不合理

若中壓開關柜的設計不符合實際使用條件或設計標準偏低，則會導致其在特定工況下無法正常工作，從而引發短路故障。例如：絕緣距離不足、散熱不良、機械強度不夠、諧波含量高等設計缺陷都可能成為短路故障的誘因。

1.1.2 制造質量差

制造過程中質量控制不嚴格、材料選擇不當或工藝不過關可能會直接影響中壓開關柜的整體性能。例如：使用劣質絕緣材料或導電材料、部件加工精度不足或裝配工藝不到位都可能導致設備的電氣性能下降，增加短路風險。

1.1.3 絕緣老化或氣體泄漏

中壓開關柜長期運行后，絕緣材料會逐漸老化，導致其絕緣性能下降。同時，充氣式開關柜中的絕緣氣體（如SF6）可能發生泄漏，進一步降低設備的絕緣強度。定期檢查和維護絕緣材料、監測氣體壓力是預防短路故障的重要手段。

1.1.4 機械磨損

中壓開關柜內部的各種機械部件在頻繁操作和長期運行中會發生磨損，如觸頭磨損、彈簧失效等。這些磨損會導致接觸電阻增大、溫升加劇，進而引發短路故障。機械部件的定期檢修和更換對保證設備正常運行非常重要。

1.1.5 運行條件惡劣

高溫、高濕、粉塵、腐蝕性氣體、振動等外部環境因素都會影響中壓開關柜的正常運行。例如：高溫會加速絕緣材料的老化；潮濕環境會導致金屬部件銹蝕；粉塵積聚可能引起絕緣閃絡；振動則可能導致部件松動或損壞。

1.1.6 日常維護與操作不當

日常維護與操作不當也是導致中壓開關柜短路故障的重要原因。例如：長期未進行必要的維護和檢修、誤操作、未經培訓的人員進行操作等都可能引發故障。建立健全的維護制度、規范操作流程和加強人員培訓是防止此類故障的關鍵。

1.1.7 外來因素

外部因素如小動物進入、異物侵入等也可能引發中壓開關柜短路故障。通過改善設備外殼的防護等級和采取密封措施可以減少外部因素對設備的影響。

1.2 短路故障的特性

中壓開關柜內部短路故障具有以下特性。

1.2.1 壓力效應

短路電流產生的高溫會使金屬汽化，迅速提升內部壓力。壓力效應可能導致設備外殼破裂，造成更嚴重的事故。

1.2.2 熱效應

短路產生的熱量使設備內部溫度急劇升高，這會導致絕緣材料的進一步劣化，甚至引發火災。

1.2.3 輻射和聲效應

強烈的弧光和爆破聲是短路故障的重要特征。這些效應不僅會對設備造成損傷，還會對現場人員的安全構成威脅。

1.2.4 壓力和熱量的累積效應

連續多次短路故障可能導致壓力和熱量的累積效應，使設備在后續故障中的脆弱性增加。

2 短路故障仿真模型

2.1 計算流體動力學基礎理論

計算流體動力學是一種通過數值分析和算法來解決涉及液體流動問題的軟件工具。CFD利用計算機仿真和圖像顯示技術，對包含有流體流動、熱傳導等相關物理現象的系統進行分析^[3]。通過CFD技術，研究者可以在無須實物實驗的情況下，模擬復雜環境中的流體運動規律，并提供與實際情況相近的數據支持。

2.2 短路電弧模型建立

在中壓開關柜的短路故障研究中，建立一個精確的短路電弧模型至關重要。電弧模型需要考慮電導率、溫度、氣流、磁場等因素。常用的電弧模型包括黑盒模型和物理模型。黑盒模型側重對輸入輸出關系的描述，適用于簡單分析；而物理模型則基于電磁學理論和實驗數據，能夠更精確地模擬電弧的行為。

采用Mayr模型作為基礎^[4]，該模型描述了電弧電壓降與電流、電導率之間的關系。

2.3 仿真參數設置及求解方法

在進行CFD仿真時，合理的參數設置和求解方法是確保仿真結果準確性的關鍵。仿真參數包括電流大小、電弧溫度、壓力初始值、環境溫度等。

采用ANSYS Workbench平臺進行仿真求解，選擇瞬態求解模式以捕捉電弧燃燒過程中壓力和溫度的變化。仿真過程中，通過調整時間步長來平衡計算效率和精度，特別是在電弧初期階段采用較小的時間步長以捕捉快速變化。

2.4 模型驗證及結果分析

為了驗證所建模型的準確性，將仿真結果實驗數據進行對比。仿真結果顯示電弧壓力峰值為689.47 kPa，與文實驗測量值（約700 kPa）非常接近，誤差僅為1.5%。此外，仿真得到的電弧溫度分布與實驗數據的趨勢一致，溫度最高點位于電弧中心區域并向周圍遞減。

仿真結果表明，在短路故障發生后，隔室內部壓力迅速上升并在3 ms內達到峰值，隨后逐漸下降并趨于穩定^[5]。通過與實驗數據的對比，驗證了仿真模型的正確性和可靠性。

3 短路故障的保護策略研究

3.1 繼電保護裝置現狀分析

中壓開關柜的繼電保護裝置在電力系統中起著至關重要的作用。傳統繼電保護裝置主要依賴過流保護和壓力釋放裝置來應對短路故障。然而，這些保護裝置存在響應速度慢、選擇性差等問題。現有繼電保護裝置難以準確定位故障位置，容易造成大范圍停電事故。因此，有必要對現有繼電保護裝置進行全面評估，找出其局限性并加以改進。

3.2 弧光保護方案介紹

為解決傳統繼電保護裝置存在的短板，弧光保護方案應運而生。當系統檢測到弧光信號時，立即切斷故障電路，從而避免更大范圍的損害。弧光傳感器的反應速度極快，能夠在故障發生的瞬間做出反應，顯著提高了保護效率。實際應用中，弧光保護系統通常與過流保護結合使用，形成多層次的保護體系。

3.3 快速母線保護方案設計及優化

快速母線保護方案是針對中壓母線短路容量不斷增大的現狀提出的一種新型保護策略。現有解決方案（如母線定時限速斷保護、高阻抗完全/不完全差動保護等）存在造價高、接線復雜、無法實現故障間隔定位等問題。方案通過失靈、過流信號構成雙判據跳閘系統，并采用弧光傳感器進行故障檢測。具體設計包括主控單元、電流單元、弧光傳感器擴展器等組件，形成一套完整的保護系統。

3.4 泄壓通道設計及優化研究

泄壓通道是中壓開關柜內部短路故障的重要防護措施之一。泄壓通道設計的核心在于有效地排出內部過高的壓力，防止設備爆炸事故的發生。通過設計負壓室和泄壓蓋可以有效抑制短路電弧壓力升。仿真研究表明，負壓室能夠顯著降低隔室內的壓力峰值，而泄壓蓋則能夠迅速釋放內部高壓氣體。綜合來看，泄壓通道的合理設計和優化能夠大幅度提升中壓開關柜的安全性能，減少短路故障帶來的損失。

4 結語

短路故障的主要成因包括設計不合理、制造質量差、絕緣老化、機械磨損等。通過詳細分析短路故障的特性與危害，評估現有繼電保護裝置的不足之處，特別是響應速度慢、選擇性差等問題，優化弧光保護方案、快速母線保護方案、泄壓通道方案，可以有效地抑制了短路電弧壓力升。未來，可以在多尺度建模與仿真、智能化保護策略開發、實驗與仿真深度融合等方面做進一步的研究。

參考文獻

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