10kV开关柜快速灭弧装置的应用

杨加兴 姚尧 薛阳艳

湖南平高开关有限公司 湖南长沙 410006

1 开关柜对弧光保护的要求

对于开关柜而言，出现内部电弧故障的几率相对较低，但是在理论之上的影响因素较多：

依据国外的相关研究与试验结果得知，引发故障电弧的主要有四个环节：

（1）压缩阶段。持续时间约为5-15ms。该环节的温度会急骤上升，并伴随发生动态压力波。（2）膨胀阶段。持续时长约为5-15ms。该环节会在较短的时间之内，由于燃弧区以及周边空气之间出现压力差，从而引发气流。（3）排放阶段。该环节基本会持续几百毫秒。以内电弧能力的持续性输入燃弧点，从而引发微粒流、气流与空气流。该类强力高速气流的热量和携带的炽热微粒，内部电弧就会影响到外部环境。（4）热效应阶段，也就是燃弧的最后一个环节。该环节主要包围短路电弧的空气基本上会达到电弧的问题，从该环节初始，大多数燃弧的能量基本上都是作用在开关设备的固体零部件。在这种情况之下，开关设备很有可能会出现烧穿的危险，在清除故障之后，该环节也就结束了。

开关柜内部所出现的弧光故障的能量基本可以达到8-60MW，其主要是和电弧的燃烧时长、短路电流之间有关。电弧燃烧的持续时间大于100ms，那么释放出来的能量也会变大，约为100ms左右电缆开始燃烧，150ms左右铜排燃烧，到了200ms左右钢材开始燃烧，如图1所示。

图1 开关柜内部燃弧时间及其造成的损坏图

2 内部电弧的危害及防护措施

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、热效应、辐射及声效应。在这四种效应中压力效应及热效应尤为突出，其危害主要表现在造成现场工作人员的伤害和对开关设备及邻近配电设备的损害。

开关柜内部发生电弧故障时，弧光发生点的温度高达20，000oC，为太阳表面温度的4倍，如此高的温度将在短时间内造成电缆烧毁，铜排铝排熔毁气化，造成人员伤亡（触电、皮肤烧伤、刺伤眼睛、碎片飞射损伤等），柜内污损。电弧燃烧时释放的能量巨大，高温对空气加热而膨胀，金属气化时体积膨胀67，000倍，从而使柜内压力急骤上升。它产生的压力相当于爆炸产生的能量会使开关柜体变、破碎，波及邻近设备，甚至造成“火烧连营”事故。

3 10kV开关柜快速灭弧装置的应用

快速灭火装置可在早期消除故障电弧，不会产生压力效应，热量和辐射效应。与传统的保护方法相比，该装置具有灭弧时间为4ms或更短的优点，可以最大限度地减少电弧故障。如果电弧故障以及开关设备中的压力和温度突然升高，可以使用快速灭弧系统来关闭故障电弧并关闭短路电流以使损耗最小化。消除电弧故障并完成有限的清洁工作后，开关柜可以正常工作并立即恢复供电。

快速灭弧装置包括主要部件，检测控制装置和电弧检测探头。检测控制装置可以检测2ms内的故障电弧和故障电流信号，接收到操作指令后在1.5ms内工作，接地三相主电路，关闭电弧（发生电弧故障）电弧将在4后消失。

UL 1699B 是美国工业标准中关于光伏系统故障电弧检测保护权威的标准，规定了凡是直流母线电压超过 80V 的线路必须安装直流电弧故障断路器，并对于住宅、商业、工业应用中逆变器、充电控制器以及独立直流电源的电弧故障断路器设计起到了规范指导作用。同时标准要求电弧故障检测系统具备信号指示功能，能够及时检测系统电弧并跳闸发出指示命令，还要求系统能够测试电弧检测单元是否处于正常工作等。在 2015年 6月 1日，我国开始实施的《电气火灾监控系统（ 第 4部分：故障电弧检测装置） 》是一项关于故障电弧检测与保护的国标文件，在电气火灾监控系统电弧故障检测装置中提出了严格规定。

当接触头就位时，实现自动锁定以确保总线和地之间的可靠连接，电弧故障会导致电路中的电压电流发生变化，同时伴随着弧声、弧光、高温和电磁信号等，利用各类传感器采集电弧数据，对数据进行分析，提取故障特征进行检测。利用四阶 Hilbert 分形天线检测电弧电磁辐射信号，在不同气压下对 4种电极材料进行试验，考虑电极的形状、材料和移动速度对电磁辐射信号的影响，结果表明，直流电弧电磁辐射幅值随着气压、电极形状和电极移动速度的改变发生改变，且通过对电弧电磁辐射的特征频率统计可知，特征频率范围（ 36- 41MHz） 与气压、电极形状和移动速度没有关系，证明了电磁辐射作为电弧电磁辐射检测特征量的可行性。针对电源柜中电弧故障保护装置，利用多种传感器以及回路天线来接收电弧发出的声、热以及电磁辐射来检测故障电弧。

总之，实际运行中，尽管采取了各种加强开关柜的措施，但开关柜内电弧故障仍时有发生。虽然概率不高，但却是不能完全排除，一旦发生会给附近操作人员和设备造成极大危害。通过保护设备可以以最快的速度将故障切除，将电弧故障保护造成的损害降到最低，尤其是新型快速灭弧器超快速动作使操作人员和开关设备免受内电弧的影响。