中壓空氣絕緣開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的研究與防護(hù)措施

陳翔 李亞 貢明慧

摘 要：中壓空氣絕緣開關(guān)柜的內(nèi)部電弧故障問題是引發(fā)電力事故的主要原因之一，因此需要采用恰當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行柜體強(qiáng)度優(yōu)化與防護(hù)?；诖耍疚膶㈥U述中壓空氣絕緣開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的原因、危害，并以被動(dòng)加強(qiáng)開關(guān)柜結(jié)構(gòu)措施、主動(dòng)滅弧保護(hù)措施為切入點(diǎn)，深入探究開關(guān)柜柜體防護(hù)的措施，旨在能夠有效避免事故的發(fā)生和有效降低事故發(fā)生時(shí)對操作維護(hù)人員的危害，確保人身安全。

關(guān)鍵詞：空氣絕緣開關(guān)柜；電弧故障；防護(hù)措施

中圖分類號(hào)：TM591 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，國家對電力的質(zhì)量有了更高的要求，空氣絕緣開關(guān)柜作為重要的電氣設(shè)備，需要在使用的過程中具有較高的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，空氣絕緣開關(guān)柜的內(nèi)部電弧故障問題已經(jīng)成為常見的事故類型之一，而這一事故現(xiàn)象對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著直接的影響。因此，解決開關(guān)設(shè)備的電弧故障問題是中壓空氣絕緣開關(guān)柜面臨的關(guān)鍵問題，以此避免對電力系統(tǒng)的運(yùn)行造成更加嚴(yán)重的影響。

1 中壓空氣絕緣開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的研究

1.1 內(nèi)部電弧故障的原因

在電力系統(tǒng)內(nèi)，中壓變電所如10kV配電裝置廣泛使用了空氣絕緣開關(guān)柜，由于其自身的原理優(yōu)勢，能夠在線路發(fā)生過載時(shí)第一時(shí)間斷電，保護(hù)電路與變電所的安全。但是，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，中壓配電裝置會(huì)發(fā)生一些類似絕緣，接地故障等問題，導(dǎo)致開關(guān)柜出現(xiàn)內(nèi)部電弧故障，總的來說導(dǎo)致開關(guān)柜發(fā)生電弧故障的原因有很多，并且會(huì)造成長期停電、配電裝置損壞、造成人身安全事故等嚴(yán)重問題。開關(guān)柜的內(nèi)部電弧故障給用戶、變電所均帶來了不良的影響，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對周圍的建筑物造成破壞，甚至?xí)?dǎo)致人員傷亡。因此，我們作為配電設(shè)備的生產(chǎn)企業(yè)，需要深入分析、掌握開關(guān)柜內(nèi)部故障的主要原因，以便能夠采取更加具有針對性的解決方法：

（1）電纜室故障。通常由于開關(guān)柜內(nèi)部的PT絕緣失效甚至穿孔，導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)生電弧故障；電力用戶的電纜以間歇性的方式進(jìn)行接地，破壞絕緣體的性能，引發(fā)燃弧故障；避雷裝置效果不明顯，在雷雨天氣時(shí)導(dǎo)致絕緣體失效而引發(fā)故障等等。

（2）手車室故障。在線路運(yùn)行的過程中，由于斷路器沒能成功開斷短路電流，導(dǎo)致滅弧室爆炸，在開關(guān)柜內(nèi)造成電弧故障，并且會(huì)引發(fā)短路等問題；

動(dòng)靜觸頭嚙合不緊或接觸不夠，導(dǎo)致觸頭燒毀引發(fā)短路接地問題；

（3）母線室故障。開關(guān)柜內(nèi)母線套管的絕緣層開裂，絕緣擊穿破壞，導(dǎo)致高壓接地短路，造成內(nèi)部故障問題。

1.2 內(nèi)部電弧故障的危害

當(dāng)中壓空氣絕緣開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生電弧故障時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致電路的電流、電壓發(fā)生變化，此時(shí)電弧電流呈現(xiàn)正弦波的狀態(tài)，而電壓則呈現(xiàn)出斜頂梯形的狀態(tài)。當(dāng)電弧電流處于零區(qū)時(shí)，電壓的變化較大，波動(dòng)明顯，同時(shí)電壓頂部的傾度會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生變化，并且伏安特性還會(huì)出現(xiàn)滯環(huán)的現(xiàn)象。在開關(guān)柜中，一旦發(fā)生這種電弧特性，其能夠在短時(shí)間內(nèi)將自身的電能轉(zhuǎn)化為熱能，在這樣的狀態(tài)下就會(huì)導(dǎo)致周圍的空氣溫度升高，同時(shí)空氣壓力增大。因此，在開關(guān)柜相對密封的環(huán)境中，電弧所聚集的能量很有可能會(huì)通過高壓、高溫氣體爆炸的方式釋放出來。在電弧故障中，這樣的現(xiàn)象將會(huì)導(dǎo)致柜體、柜門爆裂，損壞元器件，甚至?xí)谢鹧鎳姵?，不僅會(huì)對周圍的設(shè)備造成損壞，甚至還會(huì)對工作人員的身體造成傷害。當(dāng)開關(guān)柜出現(xiàn)內(nèi)部電弧故障時(shí)，大面積的停電是無法避免的，不僅影響人們生產(chǎn)、生活用電的穩(wěn)定性，同時(shí)還會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

2 增強(qiáng)中壓空氣絕緣開關(guān)柜柜體抗燃弧性能的方式

2.1 柜體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

根據(jù)以上對中壓空氣絕緣開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障原因、危害的分析可以發(fā)現(xiàn)，這一故障類型實(shí)際上是沒有辦法完全避免的，但是為了能夠減少生命、財(cái)產(chǎn)的損失，就需要空氣絕緣開關(guān)柜在設(shè)計(jì)的過程中增加其強(qiáng)度，使其能夠抵抗內(nèi)部電弧故障的破壞。開關(guān)柜結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的措施一般有：

（1）目前將壓力釋放裝置安裝在開關(guān)柜的高壓室頂部，形成專用的燃弧泄壓通道，這是最為常見的方式，同時(shí)在泄壓裝置內(nèi)部增加瓦楞式結(jié)構(gòu)，用于阻擋柜體內(nèi)部高溫燃燒的顆粒和碎屑從泄壓通道飛出造成其他設(shè)備和人身傷害。當(dāng)發(fā)生內(nèi)部電弧故障時(shí)，壓力釋放裝置能夠在10ms之內(nèi)將內(nèi)部的壓力排放出去，避免發(fā)生爆裂等現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)的過程中，要求空氣絕緣開關(guān)柜柜體特別是開關(guān)柜的門板、主體框架結(jié)構(gòu)能夠承受住10ms之內(nèi)電弧故障所帶來的壓力破壞。

（2）當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，內(nèi)部的氣體會(huì)迅速升溫，同時(shí)發(fā)生膨脹以至于對開關(guān)柜柜壁造成強(qiáng)烈的沖擊。對于這種動(dòng)態(tài)的沖擊，柜體自身所承受的沖擊量實(shí)際上是造成柜體損壞的主要原因之一，同時(shí)柜體與前后門板之間采用的是鉸鏈和門鎖或螺栓固定的方式，非常容易發(fā)生毀壞。所以，為了能夠有效控制開關(guān)柜避免遭受破壞，在設(shè)計(jì)的過程中就需要通過恰當(dāng)?shù)挠?jì)算方式，增加鉸鏈與封板固定螺絲孔的數(shù)量，從而增加開關(guān)柜前后面板的抗燃弧強(qiáng)度性能。

（3）為了避免一個(gè)小室發(fā)生故障而“殃及”其他單元和部件，那么就需要在設(shè)計(jì)的過程中在各個(gè)小室之間對安裝的隔板進(jìn)行加強(qiáng)，一般通過增加橫向螺栓進(jìn)行加強(qiáng)固定，避免各室之間故障的相互影響；

（4）在開關(guān)柜高壓室尤其是電纜室門板與框架的四周，需考慮設(shè)置防燃弧措施。一般是安裝阻燃密封圈，同時(shí)柜體的四周應(yīng)該設(shè)置安全檔，并使二者能夠相互配合。一旦發(fā)生電弧故障并內(nèi)部氣溫升高，則阻燃圈能夠避免氣體外泄，避免高溫、高壓氣體噴出。

（5）布置于柜后電纜室門板上的照明燈、帶電顯示、電磁鎖等二次元件，其本身是不具備防燃弧性能的，需要對這些元件設(shè)計(jì)專用的金屬保護(hù)罩，防止內(nèi)部電弧故障燒毀元件甚至將元件沖出柜體，以致弧光飛出對人員造成傷害。

2.2 主動(dòng)滅弧保護(hù)措施

對于中壓空氣絕緣開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障，除了上述被動(dòng)柜體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)保護(hù)措施之外，還可以以主動(dòng)方式對開關(guān)柜柜體進(jìn)行防護(hù)，主要就是檢測開關(guān)柜內(nèi)部的故障電弧，并對其進(jìn)行快速消除。開關(guān)柜內(nèi)弧光故障依次經(jīng)歷壓力增大（持續(xù)8 ms～10ms）、氣體膨脹（持續(xù)5 ms～10ms）、氣流輻射（持續(xù)100ms）、發(fā)熱共4個(gè)發(fā)展階段。目前僅靠弧光保護(hù)跳進(jìn)線斷路器熄弧時(shí)間約100ms（氣流輻射階段），考慮到目前業(yè)內(nèi)主流弧光保護(hù)及滅弧元件廠家水平，弧光保護(hù)動(dòng)作時(shí)間約10ms，滅弧元件動(dòng)作時(shí)間約5ms，總滅弧時(shí)間不超過15ms，兩者配合使用可在氣體膨脹階段實(shí)現(xiàn)熄弧，實(shí)現(xiàn)對故障電弧的快速消除。

關(guān)于主動(dòng)滅弧保護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對電弧燃燒產(chǎn)生的可見光、紅外線、紫外線或者無線電頻率輻射等進(jìn)行有效阻斷或切除，對開關(guān)柜內(nèi)的壓力有明顯的降低作用，而且對開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生的電弧故障也產(chǎn)生了一定的阻斷作用，這種方法方便操作，節(jié)能環(huán)保。此主動(dòng)型滅弧措施加上開關(guān)柜結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施的使用，可完美解決中壓空氣絕緣開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧的危害問題。

結(jié)語

綜上所述，在中壓空氣絕緣開關(guān)柜內(nèi)部，導(dǎo)致電弧故障的原因有很多，且具有嚴(yán)重危害，因此需要加以重視。以此為基礎(chǔ)，通過被動(dòng)加強(qiáng)開關(guān)柜結(jié)構(gòu)和主動(dòng)滅弧保護(hù)的方式對開關(guān)柜進(jìn)行防護(hù)，增強(qiáng)開關(guān)柜的抗燃弧性能，保證現(xiàn)場設(shè)備安全運(yùn)行和操作人員的人身安全。

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