10 kV开关柜内部电弧故障的危害与保护

曾新雄，李新海，曾庆祝，孟晨旭，肖星，姚盛华

(1.广东电网有限责任公司中山供电局，广东 中山 528401；2. 厦门安泰力达电气有限公司，福建 厦门 361006)



10 kV开关柜内部电弧故障的危害与保护

曾新雄1，李新海1，曾庆祝1，孟晨旭1，肖星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 528401；2. 厦门安泰力达电气有限公司，福建 厦门 361006)

摘要：针对10 kV开关柜内部电弧故障危害性大，故障危害程度与电弧燃烧时间成正比的特点，为解决现有电流式保护、弧光保护和断路器切除电弧故障的动作时间长、方案复杂等问题，提出并研发了用于限制内部电弧燃烧时间的主动型电弧故障保护装置。当发生10 kV开关柜内部电弧故障时，该装置能在小于5 ms内控制熄弧单元主动将故障所在的10 kV母线进行三相金属性接地，从而熄灭故障电弧，同时该装置发出跳闸命令给进线断路器跳闸，将电源切除，隔离故障，避免了开关柜内部电弧故障造成的设备损坏，保障了现场工作人员的安全，实现了10 kV开关柜内部电弧故障的主动快速防护。

关键词：10 kV开关柜；内部电弧故障；主动型电弧故障保护；熄弧单元；弧光

在长期的运行过程中，由于电气元器件绝缘老化损坏、绝缘件表面灰尘积聚、开关设备长期过载运行导致设备发热严重、工作人员误操作、系统过电压和小动物侵入10 kV开关柜触电等原因，可能引起10 kV开关柜发生内部电弧故障，使故障所在的开关柜及相邻的开关柜爆炸烧毁、10 kV母线被迫停电，造成供电区域大面积停电，带来重大的经济损失和不良的社会影响。开关柜发生内部短路故障后，设备损坏严重，维修时间长，大大影响了10 kV用户供电可靠性。

目前，10 kV电压等级主要采用变压器后备过流保护、馈线速断保护闭锁的变压器后备过流保护、弧光保护等切除开关柜内部母线电弧故障[1-2]。这3种保护采用跳开进线断路器切除短路故障、熄灭故障电弧的模式，存在保护动作时间长、接线复杂等缺点。当发生10 kV母线内部电弧故障时，上述3种保护最快切除故障时间分别为1.0 s、350 ms、50 ms，故障电弧燃烧持续时间较长，造成很大危害。

本文提出并研发了主动型电弧故障保护装置，当发生10 kV母线内部电弧故障时，采用先将母线三相金属性接地、熄灭故障电弧后再跳开进线断路器来切除短路故障的模式，实现在5 ms内完成10 kV开关柜内部母线电弧故障的检测并将电弧熄灭，从而有效避免开关柜内部电弧故障造成的设备损坏和人身伤害。

110 kV开关柜内部电弧故障的危害与物理过程

1.110 kV开关柜内部电弧故障产生的危害

10 kV开关柜发生内部短路故障时，其电弧温度可达2×104℃，燃烧的电弧将周围的空气加热，引起空气膨胀，并在开关柜内部产生巨大的压力[3]，可能造成的危害如下：

a) 开关柜内铜排、铝排在高温下熔毁、气化；

b) 开关柜内电缆及其他元器件着火、熔毁；

c) 开关柜设备强烈振动，使固定元件松脱；

d) 开关柜内相对气体压力急剧上升可达250 kPa，极易造成爆炸；

e) 开关柜爆炸产生的金属和非金属材料碎片飞射，造成人身伤害；

f) 附近的工作人员被高温烧灼皮肤，强光刺伤眼睛；

g) 电弧产生大量的有害气体，对运行、检修人员呼吸系统造成伤害；

此外，相邻的开关柜也可能受高温、高压冲击而损坏，严重者可引起10 kV高压开关室内火灾，扩大了故障范围。

1.210 kV开关柜内部电弧故障的物理过程

1.2.1电弧故障的热效应分析

10 kV开关柜内部短路故障电弧产生的热效应(电弧能量)呈指数规律快速上升，如图1所示。

图1　开关柜内部故障释放的能量与电弧燃烧时间的关系曲线[3]

故障电弧持续时间超过100 ms时电缆开始燃烧，超过150 ms时铜或铝母线开始燃烧，超过200 ms时开关柜外壳的钢板也发生燃烧，开关柜设备有发生爆炸的危险。如果在5 ms内将10 kV开关柜内部短路故障电弧熄灭，其电弧故障产生的热效应对开关柜造成的损坏很小，仅对开关柜热缩套管和环氧树脂绝缘造成轻微损坏，其他10 kV开关柜内的非故障部位的母排、电缆、元器件将保持完好状态。

1.2.2电弧故障的压力效应分析

10 kV开关柜内部短路故障电弧产生的压力效应与开关柜隔室体积，电弧电压、长度和持续时间、短路电弧电流大小有关。根据文献[4]的分析，某开关柜内部发生短路故障时，模拟计算的开关柜内气压与电弧燃烧时间关系曲线如图2所示(计算条件为：开关柜为ZX2开关柜，其母线室充空气，故障点在母线室，故障电弧电流为38 kA，电弧持续时间为100 ms，压力释放装置在相对压力220 kPa时动作[4])。当开关柜母线室发生内部短路电弧故障时，其内部相对压力在电弧燃烧13 ms时可达到最大值250 kPa，压力释放装置动作；而在电弧燃烧5 ms内，母线室内部气体相对压力约为110 kPa，压力释放装置不会动作。

图2　开关柜内气压与电弧燃烧时间关系曲线[4]

从图1、图2可知，10 kV开关柜内部电弧故障的危害程度取决于电弧电流大小及持续时间，如果能在5 ms内熄灭故障电弧，开关柜内部气体相对压力远未达到峰值，所受的短路故障引起的热效应也很小。

2现有10 kV开关柜母线内部电弧故障保护方案存在的缺陷

对于上述3种10 kV开关柜母线及母线至馈线电流互感器之间发生的短路故障保护，其典型的故障切除时间分别为1.0～1.4 s、350～450 ms、50～65 ms[5-7]。

3种保护方案的故障最快切除时间都大于50 ms，导致故障电弧持续时间较长，开关柜内电弧故障产生的压力效应已经达到最大值，热效应也对柜内设备造成较大破坏，开关柜仍受到较严重的损坏，附近的工作人员仍可能受到伤害。

3主动型电弧故障保护装置的整体结构与功能设计

3.1整体结构设计

主动型电弧故障保护装置由弧光探头、控制单元、扩展弧光检测单元与熄弧单元组成。控制单元与熄弧单元集成安装在10 kV快速灭弧高压柜上，其中控制单元安装在高压柜仪表室中，熄弧单元安装在高压柜的熄弧小车上，和10 kV开关柜主母线相连接。扩展弧光检测单元安装在其他高压柜的仪表室内，通过控制电缆与控制单元连接。弧光探头则安装在各10 kV高压柜的母线室、断路器、电压互感器(voltage transformer，VT)室，并通过绝缘的光纤连接到控制单元和扩展弧光检测单元。整体结构设计如图3所示。

图3　主动型电弧故障保护装置结构图

主动型电弧故障保护装置通过控制单元、弧光探头来检测电弧。当发生10 kV开关柜内部电弧故障时，其电弧特性为强烈的气体自持放电，电弧具有明亮的弧光柱和电极斑点，其弧光柱在弧光探头上产生的照度可达2×104lx以上[8](变电站10 kV高压开关室内的设计标准照度为100 lx[9])。弧光探头采集弧光信号并传送到控制单元，通过光信号强弱判断开关柜是否发生内部电弧故障，同时控制单元采集进线开关柜的电流信号，也辅助判断开关柜内是否发生短路故障，进而启动控制单元输出脉冲电信号触发熄弧单元，将10 kV母线三相短路接地，使故障处电弧电压瞬间下降至零，从而熄灭故障电弧。通过转移电弧到金属短接回路将电弧快速消除，可对人员提供高等级的保护[10]。控制单元在触发熄弧单元的同时也发出跳闸信号至进线断路器，通过进线断路器跳闸来切除电源，隔离故障。

3.2功能设计

主动型电弧故障保护装置主要功能如下：

a)控制单元的电弧光检测时间小于1 ms，判断有过电流发生后，控制单元在2 ms内发出动作信号[11-12]，触发熄弧单元。控制单元还具有跳闸输出和闭锁输出接点，在触发熄弧单元的同时发出跳闸信号和闭锁信号，使给故障电弧供电的进线断路器跳闸并闭锁其合闸回路，防止故障还未排除时该进线断路器被误合闸。故障排除后该闭锁输出接点需手动复归，方可重新合闸被闭锁的进线断路器。

b)弧光探头通过绝缘的光纤将采集到的光信号直接传送到控制单元，该连接方式在信号传送过程中无需将光信号转换为电信号，不受10 kV开关柜内部强电磁场干扰。弧光探头根据其母线室的结构进行安装，每个封闭的10 kV高压柜的母线室、断路器、VT室至少安装一个探头，也可视情况增加探头，确保在上述高压柜各隔室任何地点发生内部电弧故障的时候，弧光探头都可检测到故障电弧。

c)熄弧单元采用气体发生器的驱动机构，在收到控制单元的触发脉冲电信号后，熄弧单元在3 ms内动作，将带电10 kV母线进行三相短路接地，熄灭故障电弧。

主动型电弧故障保护装置的控制单元动作时间小于2 ms，熄弧单元动作时间小于3 ms，装置总动作时间小于5 ms。该装置在电弧故障初期就能将电弧熄灭，此时故障电弧产生的热效应相当于10 kV开关柜采用常规保护时的几十分之一，同时柜内气体压力上升约110 kPa，压力释放装置不会动作，开关柜不会发生爆炸现象，确保了开关设备和工作人员的安全。

3.3熄弧波形

图4为10 kV开关柜发生内部电弧故障、主动型电弧故障保护装置动作时，通过模拟计算得出的故障电弧电流波形和流过熄弧单元的电流波形，其中纵坐标为故障电流与短路后最大故障电流(10 ms时刻的电流)的百分比值。曲线1为故障电弧电流波形，在5 ms的时间内，电弧电流降到零，电弧熄灭，故障电流转移到熄弧单元主回路。曲线2为通过熄弧单元的电流波形，由于熄弧单元将主回路三相金属性短路，其电流为三相短路电流。流过熄弧单元的短路电流将由进线断路器跳闸来切除。

图4　熄弧过程中通过故障电弧和熄弧单元的电流

4主动型电弧故障保护装置的关键技术与创新点

4.1熄弧单元动作时间小于3 ms

目前，采用弹簧或电磁操作机构的10 kV开关设备，其动作时间在40 ms以上，不能满足快速熄灭电弧的要求。所研制的熄弧单元的驱动机构采用爆炸式气体发生器，其结构如图5所示。气体发生器内部由小型专用炸药组成，在收到控制单元的脉冲电信号后，气体发生器内的炸药被触发爆炸而产生大量的高压气体，在封闭的气室内迅速驱动活塞，活塞带动熄弧单元中的动触头动作，将真空灭弧室的接地的动触头插入到带电的静触头上。由于采用了可瞬间产生高压气体的爆炸式气体发生器，通过活塞高速运动，使熄弧单元的动作时间控制在3 ms内，达到了快速熄灭电弧的功能要求。

图5　熄弧单元组成

熄弧单元的动触头和静触头采用插入式连接，熄弧单元被触发合闸后可自动闭锁动触头，防止产生弹跳，克服了板式接触的动静触头合闸时候产生的弹跳问题，确保了连接到静触头上的10 kV三相母线可靠接地。

熄弧单元采用环氧浇注技术，将真空灭弧室和操作机构整体浇注到环氧树脂外壳中，避免了真空灭弧室的陶瓷外壳暴露在空气中受外部灰尘、潮湿的影响，提高了熄弧单元的绝缘强度，增加了爬距，同时由于真空灭弧室陶瓷外壳受到环氧树脂的支撑，也提高了熄弧单元抗机械碰撞的能力，有利于现场安装。熄弧单元的真空灭弧室和操作机构采用免维护技术，平常仅需对环氧树脂外表面进行清洁处理即可。

4.2小车式安装方式方便现场检修、维护

熄弧单元采用小车式安装方式，熄弧小车安装在10 kV快速灭弧高压柜的熄弧小车室内，与10 kV母线相连接。运行人员可将熄弧小车从试验位置摇至工作位置，或反向操作，还可将熄弧小车抽出高压柜进行检修、维护和试验，此时10 kV开关柜母线无需停电。当开关柜发生内部电弧故障且熄弧单元动作后，将熄弧小车抽出高压柜，更换已经动作过的熄弧单元，就可以将熄弧单元重新投入运行。相对于固定式安装方式，采用小车式安装方式将更方便对熄弧单元进行检修和维护。

4.3弧光与过电流双重判据防误动

只有弧光照度超过整定越限值且进线开关柜的电流值超过整定动作电流值时，控制单元才判定开关柜内部发生电弧故障。通过弧光和电流的双重判据，有效防止了主动型电弧故障保护装置的误动。

4.4扩展弧光检测单元

控制单元留有扩展接口，通过专用控制电缆可连接若干个扩展弧光检测单元，每个扩展弧光检测单元可连接若干个弧光探头，根据现场10 kV开关柜数量的多少，可灵活配置扩展弧光检测单元。控制单元上有指示灯，显示对应的扩展弧光检测单元检测到弧光；扩展弧光检测单元也有指示灯，显示对应的弧光探头检测到弧光。在内部电弧故障发生后，可根据指示灯迅速找到10 kV开关柜的故障点，缩短故障处理时间。

5结束语

主动型电弧故障保护装置有效解决了以往过流保护、弧光保护切除10 kV开关柜内部电弧故障时间长的问题。该装置在小于5 ms内主动将内部电弧故障所在的10 kV母线进行三相金属性接地，从而熄灭故障电弧，避免了开关柜内部电弧故障造成的设备损坏和人身伤害。采用主动型电弧故障保护装置，故障所在的10 kV高压柜的主要元器件在电弧故障时仅有轻微损坏，相邻的高压柜及其元器件则保持完好无损，较采用其他保护方式减少了故障损失。开关柜内部电弧故障发生后，检修人员通过该装置可以迅速查找、定位到故障所在的开关柜和故障点，隔离或更换故障元器件后可以迅速恢复10 kV母线供电，时间可由原来的2至7天缩短到3 h，极大地缩短了母线因短路故障造成的非计划停运时间，大大减少了10 kV用户损失和供电损失，提高了用户的供电可靠性，具有良好的经济效益和社会效益。

目前，主动型电弧故障保护装置已经成功应用于中山供电局110 kV元中变电站10 kV W1、W2母线开关柜，实现了对母线及母线至馈线电流互感器之间发生的短路故障电弧的有效防护。该技术除了应用在10 kV开关柜外，也可推广应用到6 kV、35 kV开关柜上，对提高开关柜内部电弧防护技术水平有着积极的推动作用。

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Harm and Protection of Arc Fault Inside 10 kV Switchgear

ZENG Xinxiong1,LI Xinhai1, ZENG Qingzhu1, MENG Chenxu1,XIAO Xing1, YAO Shenghua2

(1.Zhongshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Zhongshan, Guangdong 528401, China; 2.Xiamen Antailida Electric Co., Ltd., Xiamen, Fujian 361006, China)

Abstract：In allusion to problems that arc fault inside 10 kV switchgear may cause great harm and degree of harm is in proportion to combustion time of electric arc, a kind of proactive arc protection device for restricting combustion time of internal electric arc is presented and developed in order to solve problems of long action time and complicated scheme of current protection, arc protection and breaker clearing electric arc fault. When arc fault occurs inside 10 kV switchgear, this device may cause three-phase metallic earth of 10 kV bus with the fault in less than 5 ms by controlling arc quenching unit and consequently extinguish faulted electric arc. Meanwhile, the device sends out tripping order to the incoming circuit breaker to cut off power supply and isolate fault which may avoid damages of equipments caused by arc fault inside the switchgear, ensure security of field personnel and realize initiative and fast protection for arc fault inside 10 kV switchgear.

Key words：10 kV switchgear; internal arc fault; proactive arc protection; arc quenching unit; arc light

收稿日期：2015-12-16修回日期：2016-02-26

基金项目：广东电网有限责任公司科研项目(K-GD2014-050)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.012

中图分类号：TM591；TM561.5

文献标志码：B

文章编号：1007-290X(2016)06-0067-05

作者简介：

曾新雄(1975)，男，广东韶关人。高级技师，工学学士，主要从事电力系统及自动化的研究及变电运行管理工作。

李新海(1971)，男，广西临桂人。高级工程师，工学学士，主要从事电力系统及自动化的研究及变电运行管理工作。

曾庆祝(1977)，男，湖南常宁人。工程师，工学学士，主要从事电力系统及自动化的研究及变电运行管理工作。

(编辑霍鹏)