手車式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧保護(hù)裝置的應(yīng)用

曾新雄，李新海, 曾慶祝,姚盛華(,廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局,廣東 中山 58403；.廈門安泰力達(dá)電氣有限公司, 廈門 36009 )

手車式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧保護(hù)裝置的應(yīng)用

曾新雄1，李新海1, 曾慶祝1,姚盛華2
(1,廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局,廣東 中山 528403；2.廈門安泰力達(dá)電氣有限公司, 廈門 361009 )

摘 要：隨著手車式開(kāi)關(guān)柜在我國(guó)的應(yīng)用越來(lái)越廣，人們也開(kāi)始關(guān)注手車式開(kāi)關(guān)柜的內(nèi)部構(gòu)造，其設(shè)計(jì)制造水平也在逐步提高。本文主要對(duì)手車式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧保護(hù)裝置的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：手車式開(kāi)關(guān)柜；內(nèi)部電弧保護(hù)裝置；原理；應(yīng)用

在10kV開(kāi)關(guān)柜應(yīng)用中，內(nèi)部電弧故障是一種嚴(yán)重的事故，將導(dǎo)致開(kāi)關(guān)設(shè)備的損壞和威脅到操作人員的人身安全。引起開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的原因很多，主要包括以下幾方面：用戶維護(hù)不當(dāng)和誤操作；開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、制造質(zhì)量不佳；絕緣材料老化；運(yùn)行條件惡劣（高溫、潮濕、污穢、化學(xué)侵蝕等）；電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變（系統(tǒng)容量增大、接地方式的改變、電纜應(yīng)用的增多、系統(tǒng)諧振過(guò)電壓、保護(hù)及自動(dòng)裝置配置不當(dāng)?shù)龋?；小?dòng)物的進(jìn)入、工具等外來(lái)物件遺漏在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)等外力因素。

10kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的發(fā)展過(guò)程為以下四個(gè)階段：

第1階段，氣體壓縮階段，當(dāng)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生電弧故障時(shí)候，電弧發(fā)生點(diǎn)的溫度可達(dá)10,000K。故障電弧導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)溫度上升，并產(chǎn)生動(dòng)態(tài)壓力波，持續(xù)時(shí)間約5～15ms。

第2階段，即是氣體膨脹階段，持續(xù)時(shí)間約5～15ms。在這一階段短暫的時(shí)間內(nèi)，因燃弧區(qū)和周圍空氣之間存在壓力差，開(kāi)始產(chǎn)生氣流。

第3階段，即是輻射排放階段，這一階段可能持續(xù)幾百毫秒。在這一階段由于電弧能量繼續(xù)輸入燃弧點(diǎn)，產(chǎn)生空氣流、氣流和微粒流。這種強(qiáng)力高速氣流的熱量及所帶的熾熱微粒使內(nèi)部電弧開(kāi)始形成對(duì)外部的影響。電弧燃燒時(shí)釋放的巨大的能量，導(dǎo)致銅排、鋼板等器件氣化，空氣加熱并體積膨脹數(shù)萬(wàn)倍。在排放階段開(kāi)關(guān)柜柜內(nèi)壓力急驟上升，產(chǎn)生的爆破壓將造成開(kāi)關(guān)柜盤體變形、破碎。

第4階段，即是熱效應(yīng)階段，亦即為燃弧的最后階段，它持續(xù)直至電弧熄滅。在這一階段電弧周邊的空氣溫度幾乎達(dá)到電弧的溫度。從這一階段開(kāi)始，大部分燃弧能量作用于開(kāi)關(guān)設(shè)備的固體零部件，將造成銅排、鋁排熔毀，電纜熔毀、電纜包覆層著火。

開(kāi)關(guān)設(shè)備尤其是開(kāi)關(guān)柜母線上發(fā)生內(nèi)部電弧故障會(huì)給設(shè)備和附近操作人員造成極大的危害?，F(xiàn)有開(kāi)關(guān)柜母線故障廣泛采用變壓器后備過(guò)流進(jìn)行保護(hù)，由于考慮到與饋線和母線分段開(kāi)關(guān)的配合，保護(hù)跳閘時(shí)間一般整定為1.0 - 1.4秒，其動(dòng)作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將無(wú)法有效保護(hù)內(nèi)部電弧故障。因此10kV開(kāi)關(guān)柜母線需要一種快速的內(nèi)部電弧故障保護(hù)裝置，在電弧故障發(fā)生的第一階段即氣體壓縮階段，迅速將故障電弧熄滅，電弧持續(xù)時(shí)間將小于5ms，對(duì)開(kāi)關(guān)柜的危害降到最低，從而保護(hù)開(kāi)關(guān)柜。

1 手車式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧保護(hù)裝置的原理

手車式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧保護(hù)裝置是一款主動(dòng)型電弧故障保護(hù)設(shè)備，能顯著降低電力系統(tǒng)發(fā)生電弧事故時(shí)產(chǎn)生的高溫及電動(dòng)力對(duì)設(shè)備的破壞和影響。與系統(tǒng)僅使用傳統(tǒng)電流保護(hù)相比較，配套此類電弧故障保護(hù)設(shè)備能更快的檢測(cè)到內(nèi)部電弧故障，迅速抑制故障電弧，降低電弧故障造成的破壞。

手車式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧保護(hù)裝置由熄弧手車和電弧檢測(cè)裝置組成。在電弧故障出現(xiàn)后5ms內(nèi)熄滅電弧。通過(guò)內(nèi)部電弧保護(hù)裝置，能實(shí)現(xiàn)電弧故障的主動(dòng)快速防護(hù)。該裝置采用檢測(cè)弧光和過(guò)流雙判據(jù)原理，具有原理簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠迅速、對(duì)變電站一次設(shè)備無(wú)特殊要求、適應(yīng)于各種運(yùn)行方式、且在各種運(yùn)行方式下保護(hù)不需要切換等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的保護(hù)相比較，配置手車式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧保護(hù)裝置能更快檢測(cè)到內(nèi)部電弧故障，迅速抑制故障電弧，降低電弧故障造成的破壞。在開(kāi)關(guān)柜柜內(nèi)壓力和溫度急劇增加以前就可以熄滅故障電弧并切除短路電流,使損失減到最小。

電弧檢測(cè)裝置連接安裝在10kV開(kāi)關(guān)柜的母線室、斷路器室內(nèi)的電弧檢測(cè)探頭，電弧檢測(cè)探頭通過(guò)判斷光線強(qiáng)度來(lái)識(shí)別開(kāi)關(guān)柜內(nèi)是否有內(nèi)部電弧產(chǎn)生。電弧檢測(cè)裝置同時(shí)采集進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜的電流信號(hào)，判斷故障時(shí)候是否有過(guò)電流發(fā)生。裝置采用雙重判據(jù)方式，即電弧檢測(cè)探頭判斷有弧光產(chǎn)生且進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜有過(guò)電流發(fā)生時(shí)候，判斷有內(nèi)部電弧故障。內(nèi)部電弧檢測(cè)探頭通常沿母線放置。探頭使用光纖傳輸光信號(hào)，具有抗電磁干擾的特性。光纖可按需要選擇任意長(zhǎng)度。電弧檢測(cè)裝置可采集同一個(gè)開(kāi)關(guān)柜母線上若干個(gè)由內(nèi)部電弧檢測(cè)探頭傳來(lái)的電弧光信號(hào)，用于保護(hù)開(kāi)關(guān)柜母線故障。

熄弧手車由手車底盤，手車絲桿機(jī)構(gòu)，熄弧元件，銅排，觸臂和動(dòng)觸頭，接地銅排，手車控制線連接插頭組成，熄弧手車安裝在開(kāi)關(guān)柜的斷路器隔室中。通過(guò)手車搖把驅(qū)動(dòng)手車絲桿機(jī)構(gòu)，將手車從開(kāi)關(guān)柜試驗(yàn)位置推到工作位置，熄弧手車投入運(yùn)行，對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧故障進(jìn)行保護(hù)。熄弧手車上安裝三相熄弧元件，熄弧元件上端通過(guò)觸臂連接到系統(tǒng)帶電母線，下端連接到手車的接地母線。

熄弧元件采用真空滅弧室與氣體發(fā)生器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合，在收到電弧檢測(cè)裝置發(fā)出的動(dòng)作信號(hào)后，熄弧元件的氣體發(fā)生器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，將真空滅弧室的接地的動(dòng)觸頭驅(qū)動(dòng)到帶電的靜觸頭上，動(dòng)觸頭到位后自動(dòng)閉鎖，確保一次母線與地可靠連接。熄弧元件動(dòng)作后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)三相金屬性接地短路，故障電流將流向接地母線，主母線上電壓將急劇下降。在開(kāi)關(guān)柜故障電弧發(fā)生處，由于電弧弧壓降低，導(dǎo)致的故障電弧迅速熄滅，起到保護(hù)作用。在熄弧元件動(dòng)作將系統(tǒng)三相金屬性短路后，故障電流仍然存在，開(kāi)關(guān)柜進(jìn)線柜的過(guò)電流保護(hù)或變壓器后備過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，將開(kāi)關(guān)柜進(jìn)線跳閘，切除電源回路。

2 手車式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧保護(hù)裝置的應(yīng)用

手車式安裝內(nèi)部電弧保護(hù)裝置具有方便檢修和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。在例行檢修過(guò)程中，將內(nèi)部電弧保護(hù)手車抽出開(kāi)關(guān)柜，進(jìn)行檢修和試驗(yàn)，開(kāi)關(guān)柜母線無(wú)需停電。而熄弧元件固定安裝方式在熄弧元件檢修和維護(hù)時(shí)，需要將開(kāi)關(guān)柜母線進(jìn)行停電，造成安裝和維護(hù)困難。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧發(fā)生，內(nèi)部電弧保護(hù)手車的熄弧元件動(dòng)作后，將手車從工作位置搖到試驗(yàn)位置。并將手車抽出開(kāi)關(guān)柜，就可以對(duì)熄弧元件進(jìn)行更換并重新投入運(yùn)行。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧保護(hù)裝置手車安裝方式可有效縮短熄弧元件更換時(shí)間。

通過(guò)安裝手車式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧保護(hù)裝置，主動(dòng)將故障所在的母線進(jìn)行金屬性接地，從而熄滅故障電弧，避免故障擴(kuò)大，保護(hù)人員、設(shè)備的安全。手車式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧保護(hù)裝置能在小于5ms時(shí)間內(nèi)快速熄滅故障電弧，避免因開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧短路故障而造成設(shè)備損壞、人員傷害，并實(shí)現(xiàn)用戶停電恢復(fù)時(shí)間由原來(lái)2天至3個(gè)星期縮短到2個(gè)小時(shí)內(nèi)，減少用戶損失及供電損失。內(nèi)部電弧保護(hù)裝置是目前發(fā)電廠、變電站、工業(yè)及商業(yè)配電系統(tǒng)10kV中低壓母線保護(hù)理想的解決方案。

3 結(jié)語(yǔ)

參考文獻(xiàn)：

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