手车式开关柜内部电弧保护装置的应用

2015-07-26曾新雄李新海曾庆祝姚盛华广东电网有限责任公司中山供电局广东中山58403厦门安泰力达电气有限公司厦门36009

山东工业技术 2015年7期

关键词：原理应用

曾新雄，李新海, 曾庆祝,姚盛华(,广东电网有限责任公司中山供电局,广东中山 58403；.厦门安泰力达电气有限公司, 厦门 36009 )

手车式开关柜内部电弧保护装置的应用

曾新雄1，李新海1, 曾庆祝1,姚盛华2
(1,广东电网有限责任公司中山供电局,广东中山 528403；2.厦门安泰力达电气有限公司, 厦门 361009 )

摘要：随着手车式开关柜在我国的应用越来越广，人们也开始关注手车式开关柜的内部构造，其设计制造水平也在逐步提高。本文主要对手车式开关柜内部电弧保护装置的应用进行阐述。

关键词：手车式开关柜；内部电弧保护装置；原理；应用

在10kV开关柜应用中，内部电弧故障是一种严重的事故，将导致开关设备的损坏和威胁到操作人员的人身安全。引起开关柜内部电弧故障的原因很多，主要包括以下几方面：用户维护不当和误操作；开关柜结构设计不合理、制造质量不佳；绝缘材料老化；运行条件恶劣（高温、潮湿、污秽、化学侵蚀等）；电网结构的改变（系统容量增大、接地方式的改变、电缆应用的增多、系统谐振过电压、保护及自动装置配置不当等）；小动物的进入、工具等外来物件遗漏在开关柜内等外力因素。

10kV开关柜内部电弧故障的发展过程为以下四个阶段：

第1阶段，气体压缩阶段，当开关柜内部发生电弧故障时候，电弧发生点的温度可达10,000K。故障电弧导致设备内温度上升，并产生动态压力波，持续时间约5～15ms。

第2阶段，即是气体膨胀阶段，持续时间约5～15ms。在这一阶段短暂的时间内，因燃弧区和周围空气之间存在压力差，开始产生气流。

第3阶段，即是辐射排放阶段，这一阶段可能持续几百毫秒。在这一阶段由于电弧能量继续输入燃弧点，产生空气流、气流和微粒流。这种强力高速气流的热量及所带的炽热微粒使内部电弧开始形成对外部的影响。电弧燃烧时释放的巨大的能量，导致铜排、钢板等器件气化，空气加热并体积膨胀数万倍。在排放阶段开关柜柜内压力急骤上升，产生的爆破压将造成开关柜盘体变形、破碎。

第4阶段，即是热效应阶段，亦即为燃弧的最后阶段，它持续直至电弧熄灭。在这一阶段电弧周边的空气温度几乎达到电弧的温度。从这一阶段开始，大部分燃弧能量作用于开关设备的固体零部件，将造成铜排、铝排熔毁，电缆熔毁、电缆包覆层着火。

开关设备尤其是开关柜母线上发生内部电弧故障会给设备和附近操作人员造成极大的危害。现有开关柜母线故障广泛采用变压器后备过流进行保护，由于考虑到与馈线和母线分段开关的配合，保护跳闸时间一般整定为1.0 - 1.4秒，其动作时间过长，将无法有效保护内部电弧故障。因此10kV开关柜母线需要一种快速的内部电弧故障保护装置，在电弧故障发生的第一阶段即气体压缩阶段，迅速将故障电弧熄灭，电弧持续时间将小于5ms，对开关柜的危害降到最低，从而保护开关柜。

1 手车式开关柜内部电弧保护装置的原理

手车式开关柜内部电弧保护装置是一款主动型电弧故障保护设备，能显著降低电力系统发生电弧事故时产生的高温及电动力对设备的破坏和影响。与系统仅使用传统电流保护相比较，配套此类电弧故障保护设备能更快的检测到内部电弧故障，迅速抑制故障电弧，降低电弧故障造成的破坏。

手车式开关柜内部电弧保护装置由熄弧手车和电弧检测装置组成。在电弧故障出现后5ms内熄灭电弧。通过内部电弧保护装置，能实现电弧故障的主动快速防护。该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、且在各种运行方式下保护不需要切换等优点。与传统的保护相比较，配置手车式开关柜内部电弧保护装置能更快检测到内部电弧故障，迅速抑制故障电弧，降低电弧故障造成的破坏。在开关柜柜内压力和温度急剧增加以前就可以熄灭故障电弧并切除短路电流,使损失减到最小。

电弧检测装置连接安装在10kV开关柜的母线室、断路器室内的电弧检测探头，电弧检测探头通过判断光线强度来识别开关柜内是否有内部电弧产生。电弧检测装置同时采集进线开关柜的电流信号，判断故障时候是否有过电流发生。装置采用双重判据方式，即电弧检测探头判断有弧光产生且进线开关柜有过电流发生时候，判断有内部电弧故障。内部电弧检测探头通常沿母线放置。探头使用光纤传输光信号，具有抗电磁干扰的特性。光纤可按需要选择任意长度。电弧检测装置可采集同一个开关柜母线上若干个由内部电弧检测探头传来的电弧光信号，用于保护开关柜母线故障。

熄弧手车由手车底盘，手车丝杆机构，熄弧元件，铜排，触臂和动触头，接地铜排，手车控制线连接插头组成，熄弧手车安装在开关柜的断路器隔室中。通过手车摇把驱动手车丝杆机构，将手车从开关柜试验位置推到工作位置，熄弧手车投入运行，对开关柜内部电弧故障进行保护。熄弧手车上安装三相熄弧元件，熄弧元件上端通过触臂连接到系统带电母线，下端连接到手车的接地母线。

熄弧元件采用真空灭弧室与气体发生器驱动机构相结合，在收到电弧检测装置发出的动作信号后，熄弧元件的气体发生器驱动机构动作，将真空灭弧室的接地的动触头驱动到带电的静触头上，动触头到位后自动闭锁，确保一次母线与地可靠连接。熄弧元件动作后实现系统三相金属性接地短路，故障电流将流向接地母线，主母线上电压将急剧下降。在开关柜故障电弧发生处，由于电弧弧压降低，导致的故障电弧迅速熄灭，起到保护作用。在熄弧元件动作将系统三相金属性短路后，故障电流仍然存在，开关柜进线柜的过电流保护或变压器后备过流保护动作，将开关柜进线跳闸，切除电源回路。

2 手车式开关柜内部电弧保护装置的应用

手车式安装内部电弧保护装置具有方便检修和维护的优点。在例行检修过程中，将内部电弧保护手车抽出开关柜，进行检修和试验，开关柜母线无需停电。而熄弧元件固定安装方式在熄弧元件检修和维护时，需要将开关柜母线进行停电，造成安装和维护困难。当开关柜内部电弧发生，内部电弧保护手车的熄弧元件动作后，将手车从工作位置摇到试验位置。并将手车抽出开关柜，就可以对熄弧元件进行更换并重新投入运行。开关柜内部电弧保护装置手车安装方式可有效缩短熄弧元件更换时间。

通过安装手车式开关柜内部电弧保护装置，主动将故障所在的母线进行金属性接地，从而熄灭故障电弧，避免故障扩大，保护人员、设备的安全。手车式开关柜内部电弧保护装置能在小于5ms时间内快速熄灭故障电弧，避免因开关柜内部电弧短路故障而造成设备损坏、人员伤害，并实现用户停电恢复时间由原来2天至3个星期缩短到2个小时内，减少用户损失及供电损失。内部电弧保护装置是目前发电厂、变电站、工业及商业配电系统10kV中低压母线保护理想的解决方案。