弧光保护在中低压开关中的应用

高波　常瑞强　李楠

摘 要：

针对辖区近年来多个变电站中低压开关柜出现的弧光闪络、爆炸事故，分析了故障发生的原因和产生的危害以及现有保护的不足之处，提出相应的应对措施，得出弧光保护的推广和应用，能有效的降低故障损害，提高经济效益的结论。

关键词：

短路；闪络；爆炸；弧光保护

中图分类号：

TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2014）06019002

0 引言

近年来，随着我国电力工业的发展，辖区中低压开关柜的应用数量也越来越多，由于开关柜弧光短路引发的中低压母线故障也日益增多，通过近几年的统计，每年发生的开关柜闪络、短路、接地，或爆炸事故达十几起，不仅造成了停电事故，影响了供电可靠性，还造成了许多设备的永久性损毁，带来了许多不可挽回的损失，为了确保人身、设备安全，避免类似事故再次出现，结合国内外运行经验，很有必要在中低压开关柜加装电弧光保护。

1 弧光形成的原因

（1）带电误操作；

（2）设备本身质量、工艺问题，故障或断路器灭弧失败；

（3）人或者动物误入带电线路区间，维修后工具遗留等；

（4）电缆、套管、支持瓷瓶、绝缘子等其他辅件绝缘老化，设备破损；

（5）天气如台风，雷电等造成线路破损及各种外力破坏造成的故障；

（6）系统接地、谐振、操作、雷电等各种原因造成的系统过电压；

（7）气候条件，污秽（严重）、空气湿度（过大）、温度（过热）。

2 弧光的危害

2.1 电弧性短路起火

如将两电极接触后再拉开建立了电弧，则维持此10mm长的电弧只需要20V的电压，也就是说只要先接触，之后又分开，很可能产生局部温度很高的电弧而成为起火源。

2.2 电弧光爆炸

电弧光不仅能引起绝缘物质燃烧，而且可以引起金属（铜排、铝排）熔化、飞溅，构成火灾、爆炸的火源；电气设备本身除多油断路器、电力变压器、电力电容器、充油套管等充油设备可能炸裂外，一般不会出现爆炸事故，但是以下情况可能引起空间爆炸：

（1）周围空气有爆炸性混合物，在危险温度或电火花作用下引起空间爆炸。

（2）充油设备的绝缘油在电弧作用下分解或气化，喷出大量油雾和可燃气体，引起爆炸。

（3）发电机氢冷却装置漏气，酸性蓄电池排出氢气等，形成爆炸性混合物，引起空间爆炸。

2.3 对人的危害

（1）弧光的光强约9000Lux，而人眼感受到的最大光强约300Lux，很容易使人的眼睛刺伤，使角膜上皮脱落，出现怕光、流泪、异物感、结膜充血等症状。

（2）电弧爆炸造成的烧伤是最严重的伤害，主要来自于电爆炸时散发出大量的热能辐射和飞溅的熔化金属，再者就是衣物被点燃后燃烧的熔滴而造成的严重烧伤。

（3）电爆时产生的巨响对听觉的伤害和爆炸弹力对人体的伤害热能和火焰是可以致命的伤害。

（4）电弧周围的空气在弧光强烈辐射作用下，还会产生臭氧、氮氧化物等有毒气体伤害呼吸系统。

2.4 对设备的危害

弧光短路是电网最严重的故障，尤其是发生在中、低压开关柜内部的情形，由于电弧电阻的原因，短路电流往往达不到过流速断整定值而不能动作快速切断故障，电弧持续燃烧释放出巨大的能量，从而造成灾难性的后果：开关柜严重烧毁、重要用户停电、经济损失等，见下图1～图4：

3 弧光危害程度及现有保护分析

3.1 燃弧时间对设备损坏程度的影响

当系统出现弧光的时候，弧光以300m/s的速度爆发，摧毁途中的任何物质。只要系统中不断电，弧光就会一直存在；而在中低压开关柜内，弧光可以迅速的在10ms内达到3M远，因此要想最大程度降低损失，保障运行、维护、操作人员的安全，时间是最主要的因素。根据国外经验数据，燃弧时间与设备损毁的关系如下：

（1）燃弧时间≤35ms，没有显著的损坏，一般可以再检验绝缘电阻后投入使用。

（2）燃弧时间≤100ms，损坏较小，在开关柜再次投入运行以前需要进行清洁或某些小的修理。

（3）燃弧时间≤500ms，设备损坏很严重，在现场的人员也受到严重的伤害，必须更换部分设备，更换才可以再投入运行。

3.2 常规保护的动作切弧时间

中低压开关柜一般配备有过流速断、变压器后备、母线差动保护。保护动作出口时间加上开关机构固有的动作延时以及断路器的灭弧时间，造成实际的延迟息弧息弧时间会大于如下时间：

对瞬时性保护（速断、母线差动）延时一般大于40～60ms（0s（整定值）+保护启动出口延时10ms+断路器分闸时间30～50ms）。

对变压器后备保护一时限跳主变本侧母联500ms；二时限跳主变本侧1000ms；三时限跳主变全侧1500ms（常规整定值）。

带时限的过流（II段）保护延时300ms～500ms。

据以上分析可见，常规保护的故障切除时间很难确保设备安全再运行，现场多年实际运维经验也证明了这一点，几乎所有的放电开关柜，不经过防污闪处理或设备更换，做工频耐压试验都不合格，大大增加了人力、财力、物力成本。

4 弧光保护原理简介

电弧光保护动作判据为故障时需产生两个条件：弧光和过电流。当同时检测到弧光和电流增量时发出跳闸指令信号；当只检测到弧光或者电流增量时发出报警信号，并不会发出跳闸指令，仅发告警信号，如图5：

5 结束语

降低电弧损毁程度的关键是减少燃弧时间，只有以最快的速度将电弧切除才能最大限度的降低电弧对生命、财产、安全的破坏，实践证明电弧光保护系统输出跳闸信号时间小于1ms，即使加上断路器固有跳闸息弧时间（30～50ms），也能确保燃弧时间不大于100ms，从而大大提高了设备的简单处理再运行率，在安装或者维护的时候也能保护操作人员的安全，有很好的经济、安全和推广应用价值。

参考文献

[1]TYSEN-KLD弧光保护技术说明书[Z].北京蒂森克罗德电力技术有限公司，2013.

[2]电力设备预防性试验规程（DL/T596—1996）[S].

[3]电气设备交接试验标准（GB50150-2006）[S].