10 kV开关柜快速灭弧装置的应用

林中森+邹军+夏良标

摘 要：中低压开关柜内部电弧故障严重影响了电力设备的安全运行。采用主动式快速灭弧装置，在4 ms的时间内将故障电弧消除在初始阶段，不让其产生压力效应、热和辐射效应，最大程度地减小电弧故障造成的危害。

关键词：10 kV开关柜；电弧故障；快速灭弧装置；放电

中图分类号：TM561.5；TM591 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）24-0153-02

随着电网中配电网容量的逐渐增大，中低压开关柜内部电弧故障严重制约了电力系统的安全运行。它不仅会使中压开关设备被烧毁，还会威胁运行人员和设备的安全。另外，系统内曾经多次出现因为开关柜内部电弧短路故障而造成设备损坏、设备越级跳闸，导致10 kV母线停电、开关柜爆炸损坏等事件，这都严重威胁着电力系统的安全、可靠运行。目前，10 kV开关切除电弧故障的时间为100 ms～2 s，并不能快速熄灭故障电弧。因此，需要探测和防护10 kV开关柜内部的电弧，以确保设备和工作人员的安全。

1 开关柜内部电弧故障危害

电弧是发生在放电过程中的一种现象。当两点之间的电压超过其空气绝缘强度极限时，就会产生电弧。当合适的条件出现时，会产生一个携带着电流的等离子，直到电源侧的保护设备断开才会消失。当电弧燃烧时，中心区温度会达到9 726.85 ℃以上，表面温度达到了2 726.85～3 726.85 ℃，同时，还会发出强烈的白光。由于异常电弧会释放巨大的能量，引发各种电弧效应，所以，会使铜排、铝排熔毁和汽化，使电缆熔毁、电缆包覆层着火，造成柜内被污损、保护漆被焚毁、清理困难等；再加上电弧故障的开关柜本身被严重损坏，使得高温、高压气体极快地扩散到相邻盘体，从而造成多组开关柜被同时烧毁。如果电弧较长时间不能被熄灭，就会有爆炸的可能，危及电力系统的运行安全，进而造成一定的人员伤亡和巨大的财产损失。

在开关柜内部故障电弧燃烧期间，产生的电弧效应包括压力效应、热和辐射效应。

1.1 压力效应

燃烧的电弧将周围的空气加热，导致空气急剧膨胀，在开关柜内部产生巨大的压力。这时，开关柜的门可能会被气体炸开，致使开关柜内部某些不牢固的部件从中喷射出。当高温高压气体掺杂着金属颗粒喷射到开关柜外部时，会对附近的工作人员造成一定的伤害。

1.2 热和辐射效应

电弧的热（燃烧）效应作用于开关柜的铜排、绝缘件和钢板上，燃烧的电弧会将这些材料熔化、蒸发。电弧的燃烧效应可能会切开母线和导线，在开关柜柜壳上燃烧成洞，使设备被毁坏。灼热的气体可能会从开关柜中爆炸而出，使得设备被损坏或造成一定的人员伤害，同时，还会产生有毒气体。电弧燃烧所产生的亮光会引发巨大的辐射效应。

根据开关柜内部电弧的发展过程，中压开关柜内部弧光故障会经历压缩、膨胀、热辐射排放等阶段。其中，压缩和膨胀阶段的时间为10～30 ms，在这个阶段内，开关柜内部产生的动态气体压力波达到峰值。在辐射排放阶段，电弧能量继续输入燃弧点，会产生高温、高速的气流和微粒，而燃弧也会产生大量的热能作用于开关设备的零部件上，有可能会烧穿开关设备。热辐射排放的时间会持续几百毫秒甚至是几秒钟，直到开关柜内部电弧故障被切除。

电弧产生的能量与I2t成正比，随着时间的推移，内部电弧的破坏效果会越来越强，具体情况如图1所示。在电弧发生10～30 ms的时间里，开关柜内部气体压力达到峰值；在40～60 ms 的时间里，低燃点的绝缘材料比如隔板、绝缘罩开始大规模燃烧；在80～100 ms的时间里，开关柜内部的电缆、环氧树脂等绝缘材料开始大规模燃烧；在150 ms左右，铜排和钢板开始燃烧。因此，如何限制内部电弧的燃烧时间，成为了有效解决开关柜内部电弧故障危害的主要因素。

2 传统内部电弧故障保护方式

目前，在中低压开关柜中，主要采用电流保护和弧光保护的方式来保护开关柜内部的电弧故障，常用的保护方式主要有以下4种。

2.1 变压器后备过电流保护

开关柜母线故障采用变压器后备过流保护，故障消除时间为1.2～1.4 s。这是目前国内应用最广泛的中压母线保护方案。考虑到馈线与母线分段开关之间的配合，一般会将保护跳闸时间整定为1.0～1.4 s，有时甚至会更长，达2.0 s以上。很显然，这一动作速度远远不能满足快速切除中压母线故障的要求。

2.2 高阻抗保护

当开关柜母线发生故障时，采用高阻抗保护的方式，故障消除时间约为100 ms。这是国外某些重要项目曾采用的专用电流差动中压母线保护方案，典型的保护动作时间为35～60 ms。考虑到断路器的开断时间，这一动作速度与要求在100 ms 以内消除故障的速度比相对较慢。采用这种方案，接线较为复杂，对CT的要求很高，同时，在有很多出线的6～35 kV的母线上安装保护开关时会遇到很多问题。另外，这种方式也很不经济。

2.3 速断保护

当开关柜电缆室发生故障时，采用速断保护的方式，故障消除时间为100 ms。利用电流速断的方式施行保护，保护断路器的开断时间为100 ms。当故障切除时间过长，且电缆室发生单相接地的内部电弧故障时，电流速断保护无法迅速动作。

2.4 弧光保护

当开关柜出现故障时，采用弧光保护的方式，故障消除的时间为70 ms。20世纪60 年代，一些发达国家开始研究弧光短路故障。20世纪80—90 年代，已经对这种故障特性有了深入的了解，并提出了各种弧光短路的防护措施。电弧光保护系统作为一种主动性防护措施，被广泛应用于欧美国家的电力系统和厂矿企业中，距今已有20年的历史了。

弧光保护是将安装在柜内各间隔中的弧光传感器作为光感应元件，检测母线故障和断路器室、电缆室故障。在发生弧光故障时，会检测到突然增强的弧光信号，这时，光信号就会把弧光传输给主控单元。弧光保护系统通过检测开关柜内部发生故障时发出的弧光和电流突变量，来判断是否有故障发生。在跳闸回路中，弧光保护采用快速固态继电器，系统从检测弧光到出口跳闸的时间小于4 ms，断路器开断时间约为60 ms，故障消除时间约为70 ms。endprint

以上4种保护方式的动作时间都较长，无法在内部电弧产生的最初阶段熄灭电弧，将故障损失降到最低。在10～30 ms时，开关柜内部的气体压力就已经达到了峰值，因此，需要一种主动性较强、能快速熄灭电弧的装置保护开关设备。

3 快速灭弧装置的原理和应用

快速灭弧装置要将故障电弧消除在初始阶段，不让其产生压力效应、热和辐射效应。与传统的保护方式相比，使用该装置具有熄灭电弧时间小于4 ms，能最大程度地减少电弧故障的优点。在发生电弧故障、开关柜柜内压力和温度急剧增加以前，采用快速灭弧装置可以熄灭故障电弧，并切除短路电流，将损失降到最低。在排除了电弧故障，完成了有限清理工作后，开关柜可以继续工作，并迅速恢复供电。

快速灭弧装置是由一次主元件、检测控制装置和弧光检测探头组成的。检测控制装置在2 ms内能检测出故障弧光和故障电流信号，一次主元件收到动作指令后，在1.5 ms内动作，将三相主回路接地，熄灭电弧（电弧故障出现后4 ms内熄灭电弧）。

弧光检测控制装置通过持续监测保护范围内的系统电流和弧光信号，迅速、可靠地判断出是否有电弧故障发生。如果装置判断电弧故障已经发生，检测控制装置会立即触发3个一次主元件动作，将带电母线连接到接地回路，实现系统三相金属性接地短路，以熄灭电弧。

快速灭弧装置一次主元件安装在系统带电母线与地之间，每相1个。一次主元件是将真空灭弧室与微型气体发生器和驱动机构有效结合起来，其动作时间小于1.5 ms。当动作信号被触发后，一次主元件内部微型气体发生器会快速地提升活塞室底部的气压，推动活塞运动，破开预先处理过的连接点，驱动接地的动触头击穿隔膜并插入高压电位的静触头中。动触头到位后实现自动闭锁，确保一次母线与地可靠连接。一次主元件结构如图2所示。

弧光检测控制装置作为快速灭弧装置的基本单元，可以快速、可靠地检测出设备内部的电弧故障。弧光检测是利用安装在开关设备隔室内的弧光检测探头完成对光强度的检测，当光照强度达到定值时动作。弧光检测探头是利用绝缘的光纤与装置连接在一起，当检测到弧光动作信号时，装置面板上能够准确显示动作的弧光检测通道号。弧光检测装置完全采用快速的模拟电子电路，特殊设计的硬件可以保证整个检测控制系统功能的安全性。电流检测通常是通过检测系统本段的进线保护级电流互感器来实现的，如果瞬时电流大于设定值，那么，故障电流动作判据将被激活。该弧光检测装置采用检测弧光和过流双判据原理，具有原理简单，动作可靠、迅速，对变电站一次设备无特殊要求，适应于各种运行方式，在各种运行方式下保护都不需要切换等优点。

弧光检测探头（光传感器）可放置在开关设备的任何位置，通常安装在开关柜各间隔室中，也可沿母线放置。弧光传感器使用的光纤，内芯材料为聚甲基丙稀酸甲脂，外表护套材料为PVC，易于安装和使用。另外，使用光纤线传输具有抗电磁干扰的优势，不需要使用特殊保护护套或其他保护设备。光纤传输保证了电弧光保护系统的响应时间最短。在规划安装探头时，必须要保证快速灭弧装置保护区内的所有开关柜隔室都能被监测到，保护区内系统所有的开关柜都能被监测到。

与传统的保护相比，配置快速灭弧装置能更快地检测到内部电弧故障（2 ms），迅速抑制故障电弧（4 ms），减少电弧故障造成的破坏。它可应用于发电厂、变电站、工业和商业配电系统的10 kV中压母线上。使用该设备，可以确保从事运行检修工作人员的安全，当发生严重的电弧故障时，能避免开关设备严重受损，减少开关设备的停电时间和维修成本，限制故障发生时开关设备内部压力上升。当发生内部电弧故障时，在压力和温度急剧升高以前，采用快速灭弧装置就可以熄灭故障电弧并切除短路电流，将损失降到最低。在排除了电弧故障，完成了有限清理工作后，开关柜可以继续工作，供电也将迅速恢复，进而有效提高供电的可靠性。

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以上4种保护方式的动作时间都较长，无法在内部电弧产生的最初阶段熄灭电弧，将故障损失降到最低。在10～30 ms时，开关柜内部的气体压力就已经达到了峰值，因此，需要一种主动性较强、能快速熄灭电弧的装置保护开关设备。

3 快速灭弧装置的原理和应用

快速灭弧装置要将故障电弧消除在初始阶段，不让其产生压力效应、热和辐射效应。与传统的保护方式相比，使用该装置具有熄灭电弧时间小于4 ms，能最大程度地减少电弧故障的优点。在发生电弧故障、开关柜柜内压力和温度急剧增加以前，采用快速灭弧装置可以熄灭故障电弧，并切除短路电流，将损失降到最低。在排除了电弧故障，完成了有限清理工作后，开关柜可以继续工作，并迅速恢复供电。

快速灭弧装置是由一次主元件、检测控制装置和弧光检测探头组成的。检测控制装置在2 ms内能检测出故障弧光和故障电流信号，一次主元件收到动作指令后，在1.5 ms内动作，将三相主回路接地，熄灭电弧（电弧故障出现后4 ms内熄灭电弧）。

弧光检测控制装置通过持续监测保护范围内的系统电流和弧光信号，迅速、可靠地判断出是否有电弧故障发生。如果装置判断电弧故障已经发生，检测控制装置会立即触发3个一次主元件动作，将带电母线连接到接地回路，实现系统三相金属性接地短路，以熄灭电弧。

快速灭弧装置一次主元件安装在系统带电母线与地之间，每相1个。一次主元件是将真空灭弧室与微型气体发生器和驱动机构有效结合起来，其动作时间小于1.5 ms。当动作信号被触发后，一次主元件内部微型气体发生器会快速地提升活塞室底部的气压，推动活塞运动，破开预先处理过的连接点，驱动接地的动触头击穿隔膜并插入高压电位的静触头中。动触头到位后实现自动闭锁，确保一次母线与地可靠连接。一次主元件结构如图2所示。

弧光检测控制装置作为快速灭弧装置的基本单元，可以快速、可靠地检测出设备内部的电弧故障。弧光检测是利用安装在开关设备隔室内的弧光检测探头完成对光强度的检测，当光照强度达到定值时动作。弧光检测探头是利用绝缘的光纤与装置连接在一起，当检测到弧光动作信号时，装置面板上能够准确显示动作的弧光检测通道号。弧光检测装置完全采用快速的模拟电子电路，特殊设计的硬件可以保证整个检测控制系统功能的安全性。电流检测通常是通过检测系统本段的进线保护级电流互感器来实现的，如果瞬时电流大于设定值，那么，故障电流动作判据将被激活。该弧光检测装置采用检测弧光和过流双判据原理，具有原理简单，动作可靠、迅速，对变电站一次设备无特殊要求，适应于各种运行方式，在各种运行方式下保护都不需要切换等优点。

弧光检测探头（光传感器）可放置在开关设备的任何位置，通常安装在开关柜各间隔室中，也可沿母线放置。弧光传感器使用的光纤，内芯材料为聚甲基丙稀酸甲脂，外表护套材料为PVC，易于安装和使用。另外，使用光纤线传输具有抗电磁干扰的优势，不需要使用特殊保护护套或其他保护设备。光纤传输保证了电弧光保护系统的响应时间最短。在规划安装探头时，必须要保证快速灭弧装置保护区内的所有开关柜隔室都能被监测到，保护区内系统所有的开关柜都能被监测到。

与传统的保护相比，配置快速灭弧装置能更快地检测到内部电弧故障（2 ms），迅速抑制故障电弧（4 ms），减少电弧故障造成的破坏。它可应用于发电厂、变电站、工业和商业配电系统的10 kV中压母线上。使用该设备，可以确保从事运行检修工作人员的安全，当发生严重的电弧故障时，能避免开关设备严重受损，减少开关设备的停电时间和维修成本，限制故障发生时开关设备内部压力上升。当发生内部电弧故障时，在压力和温度急剧升高以前，采用快速灭弧装置就可以熄灭故障电弧并切除短路电流，将损失降到最低。在排除了电弧故障，完成了有限清理工作后，开关柜可以继续工作，供电也将迅速恢复，进而有效提高供电的可靠性。

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以上4种保护方式的动作时间都较长，无法在内部电弧产生的最初阶段熄灭电弧，将故障损失降到最低。在10～30 ms时，开关柜内部的气体压力就已经达到了峰值，因此，需要一种主动性较强、能快速熄灭电弧的装置保护开关设备。

3 快速灭弧装置的原理和应用

快速灭弧装置要将故障电弧消除在初始阶段，不让其产生压力效应、热和辐射效应。与传统的保护方式相比，使用该装置具有熄灭电弧时间小于4 ms，能最大程度地减少电弧故障的优点。在发生电弧故障、开关柜柜内压力和温度急剧增加以前，采用快速灭弧装置可以熄灭故障电弧，并切除短路电流，将损失降到最低。在排除了电弧故障，完成了有限清理工作后，开关柜可以继续工作，并迅速恢复供电。

快速灭弧装置是由一次主元件、检测控制装置和弧光检测探头组成的。检测控制装置在2 ms内能检测出故障弧光和故障电流信号，一次主元件收到动作指令后，在1.5 ms内动作，将三相主回路接地，熄灭电弧（电弧故障出现后4 ms内熄灭电弧）。

弧光检测控制装置通过持续监测保护范围内的系统电流和弧光信号，迅速、可靠地判断出是否有电弧故障发生。如果装置判断电弧故障已经发生，检测控制装置会立即触发3个一次主元件动作，将带电母线连接到接地回路，实现系统三相金属性接地短路，以熄灭电弧。

快速灭弧装置一次主元件安装在系统带电母线与地之间，每相1个。一次主元件是将真空灭弧室与微型气体发生器和驱动机构有效结合起来，其动作时间小于1.5 ms。当动作信号被触发后，一次主元件内部微型气体发生器会快速地提升活塞室底部的气压，推动活塞运动，破开预先处理过的连接点，驱动接地的动触头击穿隔膜并插入高压电位的静触头中。动触头到位后实现自动闭锁，确保一次母线与地可靠连接。一次主元件结构如图2所示。

弧光检测控制装置作为快速灭弧装置的基本单元，可以快速、可靠地检测出设备内部的电弧故障。弧光检测是利用安装在开关设备隔室内的弧光检测探头完成对光强度的检测，当光照强度达到定值时动作。弧光检测探头是利用绝缘的光纤与装置连接在一起，当检测到弧光动作信号时，装置面板上能够准确显示动作的弧光检测通道号。弧光检测装置完全采用快速的模拟电子电路，特殊设计的硬件可以保证整个检测控制系统功能的安全性。电流检测通常是通过检测系统本段的进线保护级电流互感器来实现的，如果瞬时电流大于设定值，那么，故障电流动作判据将被激活。该弧光检测装置采用检测弧光和过流双判据原理，具有原理简单，动作可靠、迅速，对变电站一次设备无特殊要求，适应于各种运行方式，在各种运行方式下保护都不需要切换等优点。

弧光检测探头（光传感器）可放置在开关设备的任何位置，通常安装在开关柜各间隔室中，也可沿母线放置。弧光传感器使用的光纤，内芯材料为聚甲基丙稀酸甲脂，外表护套材料为PVC，易于安装和使用。另外，使用光纤线传输具有抗电磁干扰的优势，不需要使用特殊保护护套或其他保护设备。光纤传输保证了电弧光保护系统的响应时间最短。在规划安装探头时，必须要保证快速灭弧装置保护区内的所有开关柜隔室都能被监测到，保护区内系统所有的开关柜都能被监测到。

与传统的保护相比，配置快速灭弧装置能更快地检测到内部电弧故障（2 ms），迅速抑制故障电弧（4 ms），减少电弧故障造成的破坏。它可应用于发电厂、变电站、工业和商业配电系统的10 kV中压母线上。使用该设备，可以确保从事运行检修工作人员的安全，当发生严重的电弧故障时，能避免开关设备严重受损，减少开关设备的停电时间和维修成本，限制故障发生时开关设备内部压力上升。当发生内部电弧故障时，在压力和温度急剧升高以前，采用快速灭弧装置就可以熄灭故障电弧并切除短路电流，将损失降到最低。在排除了电弧故障，完成了有限清理工作后，开关柜可以继续工作，供电也将迅速恢复，进而有效提高供电的可靠性。

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