中压开关柜内部故障电弧防护措施研究

林邓伟

摘  要：电力能源是人们生活、工作、社会生产中必不可少的环节。随着科学技术和信息技术的发展，大量电气、电子产品广泛应用于人们的生活和工作中，对电能需求量不断增加，电力系统的规模迅速扩大的同时也为电力系统的运营、管理带来了压力，电力系统的安全性、稳定性、可靠性愈发重要。中压开关柜是电力系统电能分配的核心组成构件。当中压开关柜发生故障，将可能直接影响区域用户生活、企业生产以及公共设施的正常运转。在中压开关柜的故障类型中，以内部燃弧故障的影响最大、危害性最强。该文首先分析了中压开关柜内部故障产生电弧的原因以及给中压开关柜带来的影响，再针对如何防护中压开关柜内部故障电弧的措施进行简要的探讨。

关键词：中压开关柜;内部故障;电弧防护措施

中图分类号：TM561       文献标志码：A

0 引言

近年来，随着我国经济生产高速发展，电力系统作为日常能源的重要组成部分，也趋向于规模化、系统化、复杂化，对供电连续性、可靠性、安全性的要求也不断提高。

中压开关柜是电力系统中的重要环节，在工业应用中，中压开关柜的故障会对连续性生产产生影响，最严重的电弧故障还可能给就地操作的人员安全带来隐患。持续的电弧故障甚至会蔓延，导致变电站内相连的开关柜烧损。发生电弧故障的开关柜由于受到高温、高强度内部作用力的破坏，往往无法继续使用。修复或重新采购全新设备需要一定的生产、安装、调试周期，对用户产生直接、间接经济损失以及可能的人员安全等综合性影响。

1 中压开关柜内部电弧故障的危害性

在电力系统中，配电装置通常会分为民用和工业生产用2种。一般来说，工业企业的变配电装置通常会采用成套的开关柜。通常成套的开关柜整体尺寸规格较小，绝缘强度不大，并且极容易受到外界因素的影响而产生绝缘的凝露或灰尘等，断路器在推进和推出的过程中也容易对绝缘造成一定的磨损，也可能由于产品质量原因或一些其他外界因素进入开关柜中，这样就使中央开关柜的电弧容易发生短路情况，导致中央开关柜的故障率升高，由此引起诊断配电装置发生损坏或长期停电的事件也较多。容易发生火灾，威胁用户的生命财产安全。

中压开关柜发生内部故障产生电弧时，经常会引起电路中电压与电流的变化，故障电弧容易引起电流变化率升高，主要原因在于故障电弧电流的波形约为正弦波形，而电弧电压波形作为斜顶的梯形，电压顶部也会随着时间的延长而使得电弧的伏安特性产生明显的滞环，这种情况主要是由于电弧所携带的电能会转化为热能，并引起周围环境温度的急剧升高，空气压力也会在瞬间增大，在极短的时间内就容易产生爆炸等事故，尤其中央开关柜处于较小的空间内，其密闭的环境极容易在电弧能量高温高压环境情况下引发爆炸。在这种情况下，在中央开关柜的冲击下会导致柜体爆裂，并且柜内的元器件也容易全部烧毁。所以，国家也明确规定了中央开关设备必须能够进行一定的内部故障实验。所有检验达到相关标准，符合法律规定后才能够投入使用。

2 中压开关柜内部故障的计算方法

常规采用标准计算法其理论基础主要依据为能量守恒定律和理想气体状态方程，在实际计算中，设定压力上升和电弧能量为假设的均衡状态，对其气体设定为一元等熵流动，同时将中压开关柜内的空间气体设想为理想气体。并设定其摩尔数为等值不变的情况，设定其物理性质不变、体积固定。例如CR、CP不变。此时功率PP会迅速加热气体，暂时不考虑壳体气流和压力波、冲击波以及热导等条件。其时间为dt，对于电弧所提供的，导致气体压力上升的主体能量为dQ，这时就可计算气体通过释放口所消耗的能量，即为dE，其计算公式为：

dQ-dE=d（m·cV·T）

由气体状态方程pV=mRT，求导。

V·dp+p·dV=m·R·dT+R·T·dm

式中：R为气体常数，V为小室的体积，m为小室内的气体质量。压力释放装置开启初始，能量不会发生损失即为dE=0，dm=0，此时结合相关竖式和4阶库塔数值方法来进行计算能量转换系数，开启压力释放装置后，就必须要将压力释放口所产生的气流进行计算。在进行模型计算时，必须要注意一维理想绝热气体通过喉部界面为S的喷管，在计算中，假设流体通过出口界面的速度是保持高度的匀速。时间dt内转移气体质量dm计算公式为：

dm=α·S·pn·vn·dt

式中：α为气流摩擦和收缩系数，S为出气口有效面积，pn、vn为气流通过压力释放口时的压力、速度，dt为时间，m为释放板的质量。再根据熵和绝热气流能量方程和等熵绝热过程关系进行相应的计算（计算过程略），当气体流出释放口的时间之内，气体压力会根据隔室内部与外部的压力比变化而发生变化。通过2次计算后会出现2种取值，如果比值小于或等于临界压力比，则释放口气体会出现膨胀的情况，如果2种取值比值大，则气体压力不可能降至相应的背压（压力释放口外界气压），则只能够降至临界压力，其取值为临界压力值。

3 中压开关柜内部故障分析方法

目前，在电力企业中常用的开关柜内部故障分析方法主要包括电路敲击法、故障排除法和图形分析法。

电路敲击法主要是指在设备带电的工作运行状态下进行检查。检测人员可以使用绝缘的工具如橡皮小锤与进行各种设备运行元件的敲击，如果电气设备存在故障，在经受一定的敲击之后会发生异常情况。这就表明电气设备存在故障隐患，需要及时进行检修和解决。

故障排除法主要是指对电气设备进行逐层的检测和运行状态的分析，其通过对设备整体结构的观察，需要检测人员对电气设备十分了解，要能够由外至内、层层进行分析和推理，根据电气设备各元件运行状态去判断，在实際检测中，使用顺推理方法或逆向推理方法进行故障的排出是较为常规的方法，将所有正常运行的部件或连接设备排除后就能够准确地找到和排除故障。

图形分析法主要是以电气设备的相关设计图纸为依据，根据电气设备的运行原理和设备的整体结构包括系统图、原理图、构造图和位置图等以及功能装接的方式和维修方法等重要的数据参数进行电气设备的检查，在进行电气设备的诊断时，也可以根据这些图纸和数据参数进行综合全面的分析，以此来作为电气设备故障诊断时的依据[1]。

4 中压开关柜内部故障电弧防护措施

4.1 加强整体系统的主动性

目前在电力企业的电力系统中，经常会同时发生几种故障，由此造成电弧混乱，极为容易引起更大的事故。因此在实际的防范过程中，必须要加强对整个系统的检修并提高维护水平，降低内部故障电弧发生的概率。尤其要注意采用电流保护或低压保护与断相保护等相关的防护措施。并以电气设备质量为基础定期进行整体系统的维护，对于易发生故障位置要做到精细的检测。这样不但能够有效地降低故障发生概率，同时，还能够增强对成本的有效控制，提高电力系统运行的稳定性与安全性。

4.2 加强专用中压母线保护

加强对专用增压母线的保护主要的目的在于降低中压开关柜内部故障发生概率和进行电弧的防护。建湖汇中央开关柜故障的原因是由于内部的系统封闭。无法承受空气爆破的压力。而母线能够在一定水平上增加空气短时内间内发热膨胀的压力。利用母增压母线提供保护后，中压开关柜内部故障产生的电弧带有的红外线紫外线等具有穿透力的管线会在一定程度上得到隔离，可见光数量也会相应的降低，能够有效地提升电力设备的运行稳定性。目前电力企业也在不断地进行中压开关柜增压母线保护的研究，并且取得了一些成果。

4.3 加强相关系统定期检修

除了对整体系统和主系统进行定期维护之外，还需要对相关的系统采取相应的保护。要从整个控制系统、机械设计系统与电气系统3个方面来进行全面的维护，制定科学完善的维护周期制度方案。可以在控制系统中增设短接开关或差分继电器等设备装置，也可以选择采用熄灭电弧的装置进行电弧故障的防护。这样就能够起到降低内部故障电弧产生引发事故的概率。

4.4 加强电气设备日常维护

在中央开关柜内部故障电弧的防护措施中，需要加强对电气控制设备的日常维护。尤其要重点进行自动保护装置运行故障的检测与检修。要将易发生故障的位置和容易产生故障的因素进行直观的检查。通过自动保护装置在电气控制系统中的使用，能够在实际运行过程中针对发生的故障进行设备与设备之间连接的快速切断，减少事故影响范围。而且自动防护装置还能够将电梯控制系统所出现的异常情况或相关故障信息进行预警，准确的将发生故障位置进行反映。这一功能主要是基于自身运行条件和实际的设备运行状态的监测，如果监测当中发生异常信号，则可以快速进行反应，并提示维修维护人员进行故障检测[2]。

4.5 加强机械设计防护水平

机械设计防护措施主要可以分为隔离或绝缘等方法。隔离的措施主要是封锁存放设备的空间，或加装防护栅栏。由于高压设备通常是持续带电，且电流和电压功率较大，所以这也是必须采取有效防护和隔离措施的主要原因。绝缘则是借助母排绝缘和高压格式的方式来降低内部故障电弧相互抵触的可能性。在实际的运用过程当中，能够有效地起到防止和降低带电部件之间的接触频率，以此来来甫电弧发生。这其中需要重点注意的是母线系统和开关柜的处理，要注意绝缘措施的全面布设[3]。

5 结语

中央开关柜是电力系统中重要的组成部分。其内部电路故障电弧时间短，破坏力强而且能量大。所造成的爆炸事故给人们带来极大的生命安全威胁和经济财产损失。因此，相关企业必须要严格地进行中央开关柜产品质量的控制，加强对主系统的主动维护和相关系统的维修，并定期对各个设备进行检查。提高检修人员的专业水平和操作人员的安全意识，实现电力企业的健康发展。

参考文献

[1]徐翠丽.中压开关柜内部故障电弧防护措施[J].山东工业技术，2019（6）：180，190.

[2]方文波.中压柜内部电弧故障的防护措施探讨[J].现代工业经济和信息化，2017，7（23）：28-29，35.

[3]馬骏.中压开关柜内部故障电弧防护措施[J].通讯世界，2017（14）：188-189.