6—35kV中压开关柜电弧故障与弧光保护应用探讨

南京四方致捷开关有限公司湖州分公司 马步青

6—35kV中压开关柜电弧故障与弧光保护应用探讨

南京四方致捷开关有限公司湖州分公司 马步青

本文介绍了6-35kV中压开关柜内部发生电弧故障的原因、危害，以及弧光保护在中压母线保护中的原理、用途、应用关键点，同时还介绍了弧光保护应用现状。

中压开关柜；电弧光保护； 母线保护

0.引言

6kV-35kV中压成套开关柜作为供电系统的枢纽，由于开关柜尺寸较小、绝缘损坏、产品缺陷等导致开关柜内电弧故障，该类事故危害性高，严重的造成开关柜烧毁、人员伤亡和用户长期停电。所以，当发生开关柜电弧故障时是能否迅速切除故障，对变电站配电系统的安全运行至关重要。另一方面，用户对供电的可靠性要求也越来越髙，基于以上原因，有必要对中压开关柜装设专用快速母线保护-弧光保护。

1.6-35kV开关柜电弧故障原因及危害

6-35kV中压开关柜在电力系统中常见故障有过流、过压、短路、电弧等，其中以电弧故障对人身安全和设备危害最大。在我国由于电弧短路事故造成的中压开关柜严重烧毁事故时有发生，如2012年7月，浙江某110kV变电所，10kV出线柜断路器上触臂短路，导致相间弧光短路，断路器上触臂、开关柜金属活门熔化，本柜烧毁报废，相邻开关柜损坏，该段母线停电。2013年2月，浙江某110kV变电所，10kV柜间母线桥架内，位于开关柜柜顶处的穿墙套管处绝缘击穿，母线相对地电弧短路故障，导致桥架内C相母排熔化，桥架及母排损坏，桥架拆除维修，该段母线停电等等。

1.1 电弧故障产生的原因

引起开关柜内部电弧短路故障的主要原因有：

（1）开关柜使用的导电体性能不良。

（2）元件损坏，开关柜内部元件（或零部件）因未得到良好的维修和保养而损坏。

（3）绝缘材料损坏, 主要有绝缘材料缺陷（如裂痕），投运年限长久的开关柜因绝缘件老化，最终造成绝缘损坏导致故障。绝缘材料不满足加强绝缘要求，绝缘爬距不足，潮湿、多灰尘污染环境使用等，导致绝缘故障。

（4）人或者动物误入，如小动物进入开关柜内部，接触到带电体导致故障。

（5）施工（维修）人员将工（器）具遗忘或误放在开关柜内，导致故障。

（6）操作过程的失误，如未按正确程序停电、验电、接地操作，走错间隔等。

（7）单相接地、谐振、雷电等造成的系统过电压。

（8）电网结构的改变，如系统容量的增加，电缆应用增多等。

1.2 6-35kV开关柜电弧故障的危害

开关柜内电弧短路故障的危害主要造成开关设备及邻近配电设备的损坏和对现场工作人员的伤害。

（1）中压开关柜电弧短路故障对设备的危害

当中压开关柜发生电弧故障时, 瞬时功率最大可达40MW，电弧内部温度可达10,000-20,000 °C，电弧甚至可以通过绝缘物体传播，不仅引起绝缘物质燃烧，而且可以引起金属熔化飞溅，构成引发火灾的火源。在高能电弧及故障电流长时间的作用下，开关柜自身会损毁，变压器会受到严重冲击或损坏[1]，由于故障往往未得到及时切除，发展为中压母线故障，其危害是非常严重的，可能导致“火烧连营”多组开关柜同时烧毁。巨大的母线短路冲击电流造成主变压器损坏也有发生，甚至造成发电厂厂用电瓦解、重要用户停电。

（2）中压开关柜电弧短路故障对人的危害

当开关柜发生内部电弧故障时，对附近的工作人员危险性很大。电弧爆炸散发出大量的热能辐射和飞溅的熔化金属，造成的烧伤是最严重的伤害；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，暂时性失明；电弧爆炸火灾产生的巨大的声响，对人的听觉造成伤害，可能引起休克；电弧火灾产生臭氧、氮氧化物等有毒气体伤害呼吸系统，可能引起窒息。

2.电弧故障的特性及传统保护的局限性

（1）根据国内外试验研究，燃弧时间与造成开关柜损坏程度关系如下：

1）燃弧时间＜35ms，无显著损坏，开关柜经绝缘检测试验合格后一般可以投人使用。

2）燃弧时间＜100ms，损坏较小，开关柜经内部清洁，简单维修，检验合格后可以再次投人运行。

3）燃弧时间500ms，损坏极其严重，开关柜必须更换部件彻底大修，重新使用前需经全部试验合格，严重的开关柜报废更换新设备。

可见从保护开关柜，减小设备损坏考虑，保护动作切除故障时间应小于100ms。

（2）传统保护及其局限性。

目前普遍采用的中压开关柜母线保护方案包括以下3种：

1）变压器后备过流保护方案。这是目前国内应用最广泛的开关柜母线保护方案，由于考虑到与馈线和母线分段开关的阶梯时差配合原则，以致到进线开关时延已达1.0s～1.4s，甚至更长[2]。 显然，不满足快速切除故障要求。

2）馈线速断保护闭锁的变压器后备过流保护,保护动作时间为300-400ms，仍不满足100ms内切除故障要求。

3）高阻抗母线保护方案，保护动作时间为一般为35-60ms。因成本技术原因，不适合中压系统使用。

可见目前的传统保护，不能满足100ms内快速切除电弧故障的要求。

（3）另一方面，虽然国家标准GB3906-2006和国家电网公司设备招标技术要求规定开关柜内部燃弧试验持续时间不小于0.5s，由于电力设备制造行业过度竞争，产品价格低廉，当燃弧时间由0.1s提供到0.5s,成本需大幅提高。另外，现场事故已经暴露了开关柜在内部故障方面的实际性能[3]。一般厂家提供的运行设备还达不到型式试验柜的标准，所以仅靠开关柜自身难以抵抗燃弧故障破坏。

可见，目前解决电弧光危害的最有效方法，是在规定时间内快速切断故障电源。在开关柜内加装弧光保护装置，当柜内有微小弧光时，迅速切断进线电源，使故障尽早发现，将故障限定在最小范围内，尽可能减小损失。

3.弧光保护

3.1 弧光保护原理

弧光保护系统使用光纤监测电弧光信号，配合过流判断故障，其快速继电器出口一般小于2.5ms，加上断路器动作时间30-50ms，能在100ms内迅速切除故障，有效保护开关设备。

3.2 弧光保护装成

弧光保护主要有主控单元、弧光检测辅助单元、过流检测辅助单元、弧光检测、数据线和光纤组成。

3.3 弧光保护用途

（1）用于中压开关柜母线系统保护

国内6-35 kV 母线一般不配置专用母线保护，采用弧光保护系统用于母线保护，可以弥补该缺陷，其功能和作用完全等同并优于现有各种原理的母差保护,可以保护整段母线。目前，国内中压系统使用的弧光保护主要应用于母线保护。

（2）用于中压馈线柜保护

以检测到电弧光作为判据，也可与过流保护配合，在开关柜内单相对地燃弧时就发出跳闸信号，及早断开断路器，减小事故损失。

3.4 弧光保护应用关键点

电弧光保护装置关键技术主要包括：(1)电子设备稳定性及抗干扰技术；(2)传感器及其信号处理技术； (3)故障电流快速识别技术； (4)故障快速跳闸信号输出及一次设备快速开断技术； (5)弧光故障初期单相燃弧接地状态的预警技术。

4.弧光保护应用现状

弧光保护在欧美国家得到了比较广泛的应用，在一些国家甚至已成为中低压开关柜的标准配置[5]。国内电弧光保护装置应用，正从发电企业逐步扩展到供电企业。自2011年起，南方电网的如云南、贵州，国家电网的如江苏、浙江、山东、湖北省公司等省公司，均选择变电站进行试点，作为10kV和35kV母线的快速保护。2009年以来，国内已有南京、武汉、天津多家企业开发生产具有自主知识产权的弧光保护系列产品，如南京南瑞继保电气开发的PCS-9656电弧光保护系统；自主研发了紫外光弧光传感器，解决了普通光纤弧光传感器容易受干扰光影响的问题。弧光保护在实际应用中也存在问题，如缺乏产品标准及规程的支撑，产品的电子装置过于复杂，部分谨慎用户只投运保护装置而不投入保护输出等，弧光保护产品在技术层面还具有一定的提升空间。

5.结语

自从弧光保护装置引入我国，通过引进产品及自主研发，作为中压母线保护的重要方式，正在电力领域发挥积极作用。弧光保护改进了传统继电保护的概念和理念，与传统保护比较具有不可替代的技术优势和成本优势,并给电力企业和电力用户带来安全效益和经济效益。

[1]王爱民.弧光保护在中压开关柜及中低压母线上的应用[J].内蒙古电力技术,2006,24(增刊):110-111.

[2]田广青.电弧光保护及其在中低压开关柜和母线保护中的应用[J].电工技术,2004(1):27-30.

[3]张喜玲,杨彗霞,蒋冠前.弧光保护关键技术研究[J].电力系统保护与控制,2013,41(14):130-135.

[4]田广青.中低压开关柜内部电弧光保护系统[J].电工技术,2014(10): 62-64.

[5]赵龙,田有文.基于弧光保护的二次变电所母线保护研究[J].农业科技与装备,2012,(11):38-40.

马步青（1967—），男，浙江丽水人，大学本科，工程师。