电弧光保护系统在中低压开关柜中的应用

电弧光保护系统在中低压开关柜中的应用

李鹰洲

宁夏力成电气集团有限公司 宁夏 750000

摘要：电力成套设备快速发展的今天，设备的安全稳定的运行至关重要。而随着电力行业和应用领域的复杂化和深入性,使得中低压成套开关设备发生故障的可能性也随之增大。成套开关设备中母线故障产生的弧光将烧坏其他电器元件,从而导致事故扩大,往往造成很大的经济损失,而电弧光快速母线保护系统正好解决了这个难题，能够很好的保护开关设备并降低损失。

关键词：中低压开关柜；电弧光保护系统

引言

中低压成套开关柜作为电能生产与分配的基础设施之一，使用量逐年增加，并且使用的场合复杂性也在增加，使用的高标准要求也随着社会的发展而提高，如何保证中低压开关柜安全可靠运行，降低电气事故损失越来越多地受到重视。弧光放电事故是中低压开关柜内最严重的事故之一，由于电弧电阻的原因，故障电流往往达不到保护定值而不能迅速切断故障，或者有些情况下，即使弧光故障电流达到了保护启动值，时间延时也导致不能快速切断故障。弧光放电不仅会造成停电事故，还会造成很多设备永久性损坏和人身伤害事故，可能带来不可估量的损失。

1电弧事故危害

弧光产生时温度可达到4500℃，内部温度可达到10000～20000℃；空气弧光产生时最大瞬时功率可达到40MW，弧光光强可超过正常照明光强2000多倍，因此中低压开关柜内因故障而产生电弧时若不能及时采取有效措施，则会产生诸多危害。（1）对设备的危害：电弧发生时产生大量高温高压气体，气体瞬时冲击波可造成开关柜体变形、破碎；冲击波爆破震动可造成开关柜剧烈震动，使各连接处紧固件松脱；产生的高温可引起电缆燃烧、铜排融化、铝排气化，甚至将开关柜外壳金属融化、元器件严重损坏并引起火灾。（2）对人的危害：高温灼伤皮肤；熔化的金属蒸发并渗入人的皮肤表层造成皮肤金属化；高强度弧光伤害眼睛，甚至造成角膜脱落；高温燃烧产生的粉尘和有毒有害气体损伤呼吸系统；弧光电流作用于人体可使肌肉产生非自主剧烈收缩，也可损伤肌腱、皮肤、血管、神经组织等。电弧产生的能量Ｅ＝I²×t不仅与故障电流的大小有关，还与燃弧时间有关。根据故障点的不同，通常情况下故障短路电流会在几千安至几十安，故障若不能及时切除以熄灭电弧，则会产生巨大能量。总之，开关柜发生内部电弧故障，不论是对开发设备还是对附近的工作人员，其危险性都很大。

2中低压开关柜电弧光短路故障原因分析

在电力系统运行的过程中，中低压成套开关柜存在着很多常见的问题，例如，绝缘故障、载流回路不良、外来物体的进入等。首先，是绝缘故障问题。由于中低压开关柜装置的绝缘性能不佳或者由于中低压开关柜长期处于脏污环境，在潮湿情况下很容易出现绝缘故障问题。并且长时间使用的设备在外界因素下老化，也可能造成绝缘故障。其次，是载流回路不良问题。在电力系统运行的过程中，部分母排连接处螺丝松动等。而当处于较大电压流的状态时母排会出现大的震动，从而会出现开关柜载流回路发热甚至冒火等现象，进而导致故障问题。除此之外，造成短路故障问题的原因还可能是外来物体的进入。在实际运行时，可能会存在小动物进入开关柜内部或者工作人员不小心把工具忘在开关柜内，从而导致中低压开关柜电弧光短路故障问题。

3中低压开关柜动稳定及耐受时间要求

3.1中低压开关柜中稳定时间及母线保护动作时间的要求

国家标准相关规定，110kV和在110kV以上的电压级别的变压器的热稳定允许时间和动稳定时间分别是2s和0.25s。但是，在低压侧出口出现短路故障时时间往往超过2s，距离变压器动稳定时间距离还很远，这样就导致变压器出现损害的情况。

3.2燃弧耐受时间

在开关柜内弧光短路出现故障时，IEC298标准附录AA中关于内部燃弧的时间规定是100ms，换种说法是，保护动作和断路器切除故障的时间相加之和应该小于100ms，只有达到该数据范围才可以保护开关柜。目前，我们在市场上常见的开关柜主要按照IEC298标准所生产，就是开关柜可以承压100ms的电弧燃烧。

5开关柜弧光短路故障的防护措施

5.1常规性防护措施

为了解决开关柜弧光短路故障问题，可以采取一系列常规性防护措施，这类措施有点像将洪水引流输走的效果，比如加强开关柜的结构，设置释放板和泄压通道将气流等输出柜体。虽然采取此类措施一定程度上限制电弧光短路故障出现的各种问题，减少电力损害的程度，但是会提高设备的成本，对电力企业的经济效益带来影响。

5.2积极性防护措施

积极性防护措施就是采用上述的电弧光保护系统，相比消极性常规性防护措施，积极性防护措施可以从根本上限制故障电弧，从根本上解决开关柜弧光短路故障对工作人员和开关设备的影响和危害。一方面，可以在开关柜耐受燃弧时间内采用中低压母线保护系统切除故障，这样的方式可以最大程度上地降低开关设备的受损程度。另一方面，降低开关设备的损坏程度能够减少故障问题的各种效应，从而可以有效地防止变压器由于短路电流而损害。因此，积极性防护措施可以保护附近工作人员免受电弧故障效应的伤害并且大大减少开关设备损坏的维修费用，此外，还最大限度地减少用户停电时间，可尽快恢复生产。对于使用年限很长需要进行改造的开关柜，采用电弧光保护可有效延长其使用寿命，从而减少对开关设备的投资费用。

4电弧光保护系统

4.1电弧光保护系统构成

电弧光保护系统主要由弧光主控单元、弧光检测及接口I/O等辅助单元、弧光传感器组成。弧光传感器可放置在开关设备易产生弧光的功能隔室内，根据其所处的实际物理位置实现保护分区功能，并可通过弧光保护主单元显示故障发生位置，此功能可减少断电处理时间，使快速恢复供电成为可能。弧光传感器有两种布置方式：一种是采用单点式的弧光传感器进行单个独自安装布置，另外一种是采用多点式弧光传感器（采用光纤技术制成）布置安装在不同的开关柜隔室中。

4.2电弧光保护系统特点

电弧光保护系统通过检测开关柜内部发生故障时发出的电光来判断是否发生故障。弧光是电弧的最明显且变化最快的特征物理量，因而电弧光保护具有超高速的动作性能，整套保护的动作时间可保证在几毫秒以内。对开关柜内部故障保护来说，这种超高速动作性能是最重要的。电弧光保护系统包括主单元、电弧光保护辅助单元、电弧光传感器组成。电弧光传感器有保护分区的功能，可以在开关设备的任何一个位置。电弧光传感器可以在电弧光保护扩展单元显示出发生故障的具体位置，电弧光的此功能可以减少断电的处理时间，可以快速恢复供电。

4.3电弧光保护系统的应用

电弧光保护系统保护动作具有快速性，一般控制故障的实践可以控制在100ms以内。因此，在电力系统运行时发生弧光故障等问题时，电弧光保护系统就可以发出跳闸指令切除供给的短路电流，进而有效降低设备的损坏程度。电弧光保护系统应用于中低压开关柜和母线的保护中，其作用主要是保护主变压器受损严重，避免事故扩大而造成更大的经济损失。

结语

在实际应用电弧光保护系统的过程中，由于电弧光保护系统速度快，反馈及时，因而具有一定的应用优势。在电力系统运行中，由于自身电容量等因素的限制，需要对中低压开关柜与母线馈线进行有效地保护，因此，需要从中低压开关柜电弧光短路故障原因和现有的中低压母线保护方案存在的问题进行分析，明确故障问题带了的严重危害，最后通过应用电弧光保护系统，有效处理故障问题，从而更好地保护实现开关柜与母线的保护。

参考文献

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