UFES快速滅弧柜應(yīng)用問題研究

趙東方　肖洋　姚松彪

摘要：社會與國家在進(jìn)步，發(fā)展離不開建設(shè)更離不開電力系統(tǒng)的支持。經(jīng)濟(jì)活動的深度與廣度在不斷增大，中壓開關(guān)柜是我國電力系統(tǒng)的核心部分，但其改進(jìn)速度遠(yuǎn)滯后于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度，因此在生產(chǎn)過程中較容易出現(xiàn)中壓開關(guān)柜內(nèi)部故障問題。我國相關(guān)電力部門人員應(yīng)當(dāng)重視中壓開關(guān)柜的內(nèi)部問題，從源頭上出發(fā)避免故障電弧帶來的危害，促進(jìn)有關(guān)行業(yè)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：內(nèi)電弧故障;保護(hù)措施;快速滅弧柜

1 概述

開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中必不可少的構(gòu)件之一，也是容易出現(xiàn)故障的主要構(gòu)件。從電力學(xué)的角度分析，當(dāng)電力系統(tǒng)的內(nèi)部電弧出現(xiàn)故障時，電壓與電流會在短時間內(nèi)出現(xiàn)大幅度的變動，一般情況下故障電弧電流及電壓的波形會變?yōu)檎遗c斜頂梯形波。不僅如此，電弧出現(xiàn)故障后，電力系統(tǒng)會出現(xiàn)短路的情況，電流短時間內(nèi)激增，電壓頂部隨之傾斜。從能量守恒的角度分析，短時間內(nèi)電壓迅速增多會導(dǎo)致電能轉(zhuǎn)化成為內(nèi)能，且轉(zhuǎn)化率較高。電力系統(tǒng)內(nèi)部是一個相對封閉的空間環(huán)境，電弧能量難以及時釋放，因此較易出現(xiàn)氣體爆炸的故障現(xiàn)象。開關(guān)柜質(zhì)量不達(dá)標(biāo)會造成柜門承受不住爆炸力度，最后柜內(nèi)原件破壞，周圍工作人員的生命安全受到威脅。電弧故障導(dǎo)致的開關(guān)柜爆炸是電力系統(tǒng)常出現(xiàn)的安全事故，事故本身不但導(dǎo)致區(qū)域范圍內(nèi)停電現(xiàn)象，影響人民群眾的生產(chǎn)和生活，而且對工作人員的生命造成較大的威脅。

2 內(nèi)部電弧的危害及防護(hù)措施

開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧燃燒期間產(chǎn)生的電弧效應(yīng)包括壓力效應(yīng)、熱效應(yīng)、輻射及聲效應(yīng)。在這四種效應(yīng)中壓力效應(yīng)及熱效應(yīng)尤為突出，其危害主要表現(xiàn)在造成現(xiàn)場工作人員的傷害和對開關(guān)設(shè)備及鄰近配電設(shè)備的損害。開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生電弧故障時，弧光發(fā)生點(diǎn)的溫度高達(dá)20，000oC，為太陽表面溫度的4 倍，如此高的溫度將在短時間內(nèi)造成電纜燒毀，銅排鋁排熔毀氣化，造成人員傷亡（觸電、皮膚燒傷、刺傷眼睛、碎片飛射損傷等），柜內(nèi)污損。電弧燃燒時釋放的能量巨大，高溫對空氣加熱而膨脹，金屬氣化時體積膨脹67，000 倍，從而使柜內(nèi)壓力急驟上升。它產(chǎn)生的壓力相當(dāng)于爆炸產(chǎn)生的能量會使開關(guān)柜體變、破碎，波及鄰近設(shè)備，甚至造成“火燒連營”事故。為了最大限度地保護(hù)人員和設(shè)備免受故障電弧的損害，目前采取的措施分為消極防護(hù)措施和積極防護(hù)措施。消極防護(hù)措施是通過加強(qiáng)開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)來限制故障電弧產(chǎn)生的各種效應(yīng)，如加強(qiáng)開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)、密封隔離各單元室、設(shè)置壓力釋放板壓力通道等。這種措施在一定程度上減少損壞程度，同時增加很大的設(shè)備投資（依賴于其耐受電弧及耐受時間）。積極防護(hù)措施是指，通過保護(hù)系統(tǒng)及時檢測開關(guān)柜內(nèi)的故障電弧，并盡可能快的速度切除，如能在電弧開始階段就切斷電弧，大大減少故障電弧的能量，限制了開關(guān)設(shè)備的損壞。目前，常用的積極防護(hù)措施有兩種：一種是通過常規(guī)繼電器檢測故障，驅(qū)動上游側(cè)斷路器動作切除故障，需要100 至200 毫秒的時間;另一種是通過弧光保護(hù)繼電器檢測，驅(qū)動上游側(cè)斷路器動作，切除燃弧故障平均所需時間在100 毫秒左右。

3 ?新型UFES快速滅弧器

新型快速滅弧器是一種積極防護(hù)措施，主要包含兩部分一是檢測部分一是動作部分。要做到快速滅弧就需要從這兩個方面考慮：檢測故障要快、動作要快。ABB 生產(chǎn)的UFES 快速滅弧器就將快速光纖檢測與快速動作有機(jī)結(jié)合在一起，由一次主元件PSE 和檢測控制裝置QRU 兩部分組成。是一種特別的安全措施，類似于汽車的安全氣囊。UFES 快速滅弧器一次主元件PSE 是ABB 真空泡（20 多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)）與ABB 限流器（50 多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)）兩種技術(shù)的創(chuàng)新組合，其動作原理是在內(nèi)部電弧發(fā)生時將系統(tǒng)三相短路并接地，快速熄滅電弧。鑒于其設(shè)計的特殊性，微型氣體發(fā)生器驅(qū) 動其缸內(nèi)活塞超快速動作（動作時間小于1.5ms），在故障電流第一個1/4 周波內(nèi)完成動作，避免開關(guān)柜系統(tǒng)承受故障峰值電流，從而 大大減少了設(shè)備維修成本及停電時間，提高了系統(tǒng)的可靠性，保證了設(shè)備工作人員的安全，無論開關(guān)柜是否具備內(nèi)電弧防護(hù)能力，也 無論開關(guān)柜是在運(yùn)行情況或維修/ 維護(hù)狀況時。UFES 快速滅弧器檢測控制裝置QRU，集測量、邏輯判斷與動作出口于一體，通過探頭式光纖（設(shè)置于每個高壓隔室）獨(dú)立精確地檢測電弧故障的位置，通過電流輸入口的電流檢測作為判據(jù)以提高動作可靠性，實(shí)時、完善的自檢功能及測試模式確保設(shè)備正?？煽?。從故障檢測到裝置出口僅需1ms，為系統(tǒng)快速滅弧提供了保障。QRU1 有9 路光纖輸入口，同時可以通過TVOC 可擴(kuò)展45 路光輸入口，為系統(tǒng)安裝配置提供了方便。UFES 快速滅弧器通過檢測控制裝置QRU 檢測到弧光信號后將信號通過光纖傳輸至UFES 一次主元件PSE，一次主元件 PSE 內(nèi)的微型氣體發(fā)生器快速動作，使系統(tǒng)短路并接地熄滅電弧。UFES 快速滅弧器的設(shè)置是以母線為單元，通常一段母線只需設(shè)置一套，一套UFES 可以為17 面開關(guān)柜（每面開關(guān)柜按三個高壓隔室計算）提供保護(hù)。無論是新采購開關(guān)柜還是現(xiàn)有開關(guān)柜，均可適用，特別是對于舊型號、不具備內(nèi)電弧防護(hù)等級的開關(guān)柜系統(tǒng)，UFES 快速滅弧裝置會更好地為操作人員安全提供保障，滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC62271 - 200 中的防護(hù)要求。對于新生產(chǎn)的開關(guān)柜，隨著制造水平和制造工藝的提高，滿足內(nèi)電弧防護(hù)等級標(biāo)準(zhǔn)要求已非常普及，但內(nèi)電弧的防護(hù)等級是在開關(guān)柜關(guān)門的情況下，如設(shè)備在檢修或維護(hù) 時需要打開柜門，是無法達(dá)到該要求的。為保障操作人員的安全，建議新柜上同樣考慮配置快速滅弧器，亦如好車配有安全氣囊一樣。對于已在現(xiàn)場使用的開關(guān)柜，尤其是不具備內(nèi)電弧防護(hù)等級要求的開關(guān)柜，有兩種非常簡單的通用方案適用于中壓空氣絕緣柜：固定式和手車式服務(wù)單元。如系統(tǒng)中有備用柜，可以選用手車式，主回路部分僅需將斷路器手車移出將快速滅弧 器手車移入，不需要作任何額外改動即可投入使用，縮短了系統(tǒng)停電時間。對系統(tǒng)中沒有備用柜時，建議采用固定式服務(wù)單元，可根 據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況安裝于側(cè)面或頂部。當(dāng)然也可以增加一臺帶快速限流器的開關(guān)柜或改造現(xiàn)有柜達(dá)到同樣目的，這需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際 配置情況，成本預(yù)算及停電時間等等進(jìn)行綜合評估后確定。UFES 快速滅弧裝置主元件結(jié)構(gòu)原理的特殊性，其動作壽命只有一次，執(zhí)行完成后需更換主元件，一般安裝時均會考慮方便更換。針對常規(guī)系統(tǒng)如單母線分段方式，建議兩段母線各配置一套UFES 快速滅弧器的同時備一套主元件以便需要時能及時更換，提高系統(tǒng) 的利用率，減少停電時間。

4 結(jié)語

實(shí)際運(yùn)行中，盡管采取了各種加強(qiáng)開關(guān)柜的措施，但開關(guān)柜內(nèi)電弧故障仍時有發(fā)生。雖然概率不高，但卻是不能完全排除，一旦發(fā)生會給附近操作人員和設(shè)備造成極大危害。通過加強(qiáng)開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)可以限制一定的危害;通過保護(hù)設(shè)備可以以最快的速度將故障切除，將電弧故障保護(hù)造成的損害降到最低，尤其是新型快速滅弧器超快速動作使操作人員和開關(guān)設(shè)備免受內(nèi)電弧的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 方徐俊.??智能變電站中壓開關(guān)柜智能化解決方案[J].?中國新技術(shù)新產(chǎn)品.?2018（22）

[2] 曾藝，趙嘉，黃文豪，羅麟.??中壓開關(guān)柜遠(yuǎn)程智能驅(qū)潮除濕裝置的研制及應(yīng)用[J].?機(jī)電信息.?2019（02）