10kV 开关柜内部电弧故障的危害与保护分析

边志瑞

（延长油田股份有限公司志丹采油厂，陕西延安，717500）

1 10kV 开关柜内部电弧故障危害

以目前国内电力系统运行模式进行分析，10kV 开关柜装置是有着极其重要的用途，在开关内出现电弧故障后，这是会带来较为显著的破坏作用，其中产生的直接危害是会导致相关柜中元件出现损毁问题，因此会对开关柜的稳定运行造成显著的负面影响。此外，也是会让其所在的电力系统有着运行故障问题，甚至会对有关工作人员的生命安全带来潜在的威胁，这是开关柜中出现电弧故障所引发的最大危害问题。有鉴于此，在10kV 开关柜中生成电弧故障后，这是会有着较强的危害风险，既是造成电力系统突发运行故障后果，也是会对有关工作人员的生命安全带来隐患。在探讨现有10kV开关柜中出现的电弧故障时，概述其故障生成的以下常态原因：首先是因为开关柜自身有着绝缘问题而引发的电弧故障，既是可能因为设备本身存在问题，也是可能由于使用时间过长而让其绝缘能力出现不断减弱的状态[1]。同时也是要关注开关柜中电气回路方面的影响要素，假如电器回路产生问题，这是可能使得一些元件出现松动后产生电弧故障现象。同时结合具体分析结论能够了解到，要高度关注由于人为因素而产生的电弧故障现象，大量电弧故障的出现，均是与有关工作人员不当操作的人为因素间存在紧密关联，同时考量电路系统的线路主要是出现在户外环境中，某些鸟类等生物也是会对其产生相应的负面影响[2]。

综上所述，在10kV 开关柜中出现运行故障时，其中可能出现的电弧故障有着较为显著的危害性，所以务必要让有关部门对此引起高度的关注，采用行之有效的保护方案，能够做好风险防控的事前管理工作，可以保障10kV 开关柜处于正常运行情况，进而会保障整体电路系统的正常运行状态。

2 10kv 开关柜内部电弧故障的物理过程

2.1 电弧故障的热效应分析

10kv 开关柜短路后电弧故障出现的热效应有着呈现出指数增长的发展趋势，相关内容见图1。

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

当故障电弧持续时间高于100ms 时会将电缆引燃，其高于150ms 时会将铜（或铝）母线引燃，其高于200ms 时也是会将开关柜外壳钢板引燃，因此会让开关柜出现爆炸的事故风险。假如能够10kv 开关柜中短路后生成的故障电弧在5ms 内熄灭，这是会显著降低因电弧故障而出现的热效应而给开关柜产生的损坏问题，只是会给开关柜中的环氧树脂绝缘层与热缩套管等带来轻微的损伤，而在开关柜中国其他非故障区域的电缆、母线以及元器件等均有着正常运行的状态。

2.2 电弧故障的压力效应分析

10kv 开关柜因短路而出现的故障电弧与生成的压力效应，这是和以下几类考量要素间存在关联性，譬如电弧电压因素、持续时间与长度因素短路、电弧电流强弱因素以及开关柜隔室体积因素等。当开关柜中出现短路故障后，模拟分析开关柜中气压和电弧燃烧时间的关系，曲线图相关内容见图2（计算条件如下所述：选择 Zx2 开关柜，出现故障点的母线室有着充分的空气，故障电弧电流是38KA，其持续时间是100ms，处于相对压力为220kpa 时启动压力释放装置）。如果开关柜中母线室内部产生短路电流故障现象时，当处于电弧燃烧时间长度为13ms 时，其内部相对压力达到峰值的2500kpa，此时会触发压力释放装置启动运行；而当电弧燃烧持续时间不足5ms 时，其母线室中气体相对压力大概是110kpa，这是没有触发压力释放装置的动作[3]。

图2 开关柜内气压与电弧燃烧时间关系曲线

从以上两图中可以了解到，其10kv 开关柜中出现电弧故障的危害水平，这是受到电弧电流强弱及其持续时间长短的决定性影响。要是可以在电弧持续燃烧时间不足5ms 时将其熄灭，此时开关柜中气体相对压力远低于最大值，因此，也是没有因短路故障而产生很强的热效应现象。

3 现有10kv 开关柜母线内部电弧故障保护方案存在的缺陷

考量以上三类10Kv 开关柜中母线及其至馈线电流互感器间产生的短路故障保护体系，其相对应的经典故障切除时间段分别是1.0～1.4s、350～450ms、以及50～65ms 等。上述三类保护举措对应的最快故障切除时间均慢于50ms，由此造成故障电弧有着较高的持续时间情况，因此会让开关柜中电弧故障而出现的压力效应达到峰值，这是会对柜中各类设备与元器件带来显著的破坏问题，在对开关柜产生较为显著的损现象时，也是会给周边区域的相关工作人员带来生命安全危害风险。

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3ms

现在，选择具备电磁操作机构，或者弹簧机构的10kV 开关柜，其动作时间要慢于40ms，这是未符合电弧快速熄灭的技术标准。相关研发的熄弧构件对应的驱动单元，这是选择爆炸式气体发生装置，有关结构形式见图3。

图3 熄弧单元组成

气体发生装置中是由小型专用炸药构成，在获取控制单元发送的脉冲信号后，触发气体发生装置的炸药后产生爆炸。从而出现很多的高压气体，并且在封闭的气室空间中快速对活塞进行驱动，然后活塞会引动熄弧单元的动触头产生动作，可以让真空灭弧室中处于接地状态的动触头插进出现带电现象的静触头中。鉴于选择能够瞬间生成高压气体环境的爆炸式气体发生装置，在活塞飞速动作时，能够让熄弧单元电的动作时间低于3ms，从而能够实现将电弧快速熄灭的技术标准[4]。

熄弧单元选择插入式连接方式内置动触头与静触头，当其被触发后产生合闸动作，能够以自动方式将动触头闭锁，由此防止出现弹跳现象，可以解决板式接触中的两类触头在合闸过程中带来的弹跳问题，可以保障已经与静触头连接的10kV 三相母线具备接地的可靠性。熄弧单元引入环氧浇注技术，在整个真空灭弧室与操作机构上浇注环氧树脂外壳，规避真空灭弧室中陶瓷外壳处于空气环境下的受灰与受潮等问题，强化熄弧单元中的绝缘性能，并且加大爬距参数，而且因为真空灭弧室中的陶瓷外壳被浇筑环氧树脂保护层，因此也是会相应的增强熄弧单元的抗机械碰撞性能，能够强化相关机构的现场安装效率。在熄弧单元中的真空灭弧室与操作机构中，选择免维护技术体系，在日常设备维护时，只是给环氧树脂外表面展开清洁处理工作即可。

4.2 尝试开关柜快速灭弧器

快速灭弧器属于主动式电弧故障保护装置，可以明显减少在电力系统中出现电弧事故的高温环境给相关设备产生的损坏问题。相较于系统只是应用传统电流保护举措而言，这种电弧故障的保护装置是选择一次主元件与检测控制装置的构成方式，检测控制装置可以在2ms 之内有效将故障弧光信号与故障电流信号进行检测，一次主元件在1.5ms 之内获取动作指令，把一次系统中三相主回路进行断路处理，同时展开接地操作，能够瞬间让故障区域中的电弧电压消失，由此会在极短时间内将故障电弧熄灭，从而降低因此而产生的破坏问题。

4.3 扩展弧光检测单元

控制单元设置扩展端口，选择专用控制电缆将多个扩展弧光检测单元进行连接操作，计算现场中10kV 开关柜的数量，能够灵活应用扩展弧光检测单元。在控制单元中提供具备不同扩展弧光检测单元指向性的指示灯功能，然后也对弧光信号进行检测操作。而且扩展弧光检测单元同样有着指示灯功能，能够显示相应的检测到弧光的探头位置。如果出现开关柜电弧故障现象后，可以参考点亮的指示灯快速锁定10kV 开关柜中的故障区段，能够显著减少故障处理时间。

5 10kV 开关柜的内部电弧故障保护措施

在10kV 开关柜使用时，要密切关注其内部电弧故障的保护工作。譬如要展开电压检测活动，这也是相关故障检测中有着较好效果的技术应用体系，主要是针对内部回路电压进行实时检测活动。假如产生内部电弧故障情况后，相关区段的内部回路电压有着较为强烈的反应现象以及幅值波动性。所以，能够根据实测的电压数据改变情况，从而进行故障的分析与处理。除此之外，也是有着压力检测方式，同样是在电弧故障检测中存在较为理想的技术应用体系，并且属于其中的特别重要检测手段，重点是对内部出现的空间压力改变情况进行相应的检测活动，由此分析10kV 开关柜中电弧故障问题，由于其出现相关故障信号后会产生显著的升温情况与压力增大现象，所以能够对其内部压力值进行检测，并且分析其所存在的故障问题。

在使用10kV 开关柜时，假如产生内部电弧故障问题，这是会显著影响系统运行的安全性和稳定性，要选择所需的保护装置能够对其展开高效的处理。此类保护装置务必要能够产生积极的解决效果，所以需要保障如下所述的几类功能：首先是要保证内部电弧具备速动性特征，从而得到强化保护装置的实际工作效能，在最大化层面上降低电弧故障产生的风险，所以要分析以速度性特征为切入点的保护方式，以此可以产生快速有效的保护作用。然后是要让保护装置具备稳定性特征，尽可能降低某些对保护装置产生扰乱的外界影响要素，可以更好的发挥出保护装置自身的功能。接着是要让保护装置有着选择性特征，也是要保障企有着恰当的控制操作方式，能够更好的展现出其所具备的保护作用，规避某些多余的操作流程。最后是要让保护装置具备简捷操作功能，可以在10kV 开关柜有着中较为简单的安装流程，规避其繁琐的安装步骤给开关柜的使用产生不必要的麻烦。简而言之，在分析10kv 开关柜中电弧故障保护装置时，要保障其具备稳定性、有效性以及系统运行高效性等。