10kV開關柜內(nèi)部電弧故障的危害與保護

蔡孝理

湖南平高開關有限公司 湖南長沙 410006

1 電弧故障產(chǎn)生的概述

電弧的發(fā)展與電弧電導或弧阻有較大的關系。反過來，導通回路的阻抗變化也會導致電弧的產(chǎn)生。

在眾多開關柜電弧事故中，導體連接處的觸點松動是一個常見的電弧誘發(fā)因素。接觸點的電阻與導體接觸面面積相關，也與施加在觸點上的壓力相關。正常額定電流流過故障連接處的高阻區(qū)時，會導致觸點的溫度升高。這種局部溫升會增加連接處導體的氧化率；同時也會導致導體膨脹；這又會進一步增加連接處所承受的熱應力。當連接處電流降低后，連接點就會冷卻下來，此時連接處導體會發(fā)生一定程度的收縮。連接處材料的反復膨脹和收縮會導致接觸點松動。接觸點的松動和氧化又會使導體連接處的電阻進一步升高[1]。

在有腐蝕性空氣或振動的場合，會進一步增大接觸點的故障率。其他常見原因還有絕緣材料的劣化和臟污。實際中，很多電弧故障都不是由人身接觸引起的，并且大部分都會經(jīng)歷一個緩慢發(fā)展、并最終導致電弧故障的過程[2]。

2 10kV開關柜內(nèi)部電弧故障的危害

10kV開關柜發(fā)生內(nèi)部短路故障時，其電弧溫度可達2×104℃，燃燒的電弧將周圍的空氣加熱，引起空氣膨脹，并在開關柜內(nèi)部產(chǎn)生巨大的壓力，可能造成的危害如下：

（1）開關柜內(nèi)銅排、鋁排在高溫下熔毀、氣化；（2）開關柜內(nèi)電纜及其他元器件著火、熔毀；（3）開關柜設備強烈振動，使固定元件松脫；（4）開關柜內(nèi)相對氣體壓力急劇上升可達250kPa，極易造成爆炸；（5）開關柜爆炸產(chǎn)生的金屬和非金屬材料碎片飛射，造成人身傷害；（6）附近的工作人員被高溫燒灼皮膚，強光刺傷眼睛；（7）電弧產(chǎn)生大量的有害氣體，對運行、檢修人員呼吸系統(tǒng)造成傷害；此外，相鄰的開關柜也可能受高溫、高壓沖擊而損壞，嚴重者可引起10 kV 高壓開關室內(nèi)火災，擴大了故障范圍。

3 10kV開關柜內(nèi)部電弧故障的保護對策

3.1 內(nèi)部故障檢測方法分析

3.1.1 電路敲擊法

電路敲擊法是在電力設備正常帶電運行中進行的，工作人員利用橡皮小錘輕輕敲擊運行中的設備，可以判斷出敲擊設備及其附近設備的性能是否處在良好狀態(tài)。如果元件經(jīng)過敲擊后發(fā)生異常情況，就說明其內(nèi)部存在故障隱患，需要工作人員采取進一步措施來找出故障的具體部位和故障因素。

3.1.2 圖形分析法

電力設備的設計圖中包括著設備結構、運行原理、安裝方式以及維修養(yǎng)護方法等各種信息。這些設計圖在電力設備故障檢修時會發(fā)揮出非常重要的作用。工作人員在檢修中壓開關柜故障時需要以設備的圖紙作為依據(jù)，來找出故障的位置和原因。

3.1.3 排除法

故障排除法就是工作人員在對電力設備各個元件的檢修中，經(jīng)過一層層地分析逐步排除運行狀態(tài)正常的部件，縮小故障范圍，最終確定故障位置的方法?？梢詫⒐收吓懦ň唧w分為兩種形式，其一是順推理故障排除法，就是對電源、設備、電路等逐一進行故障查找的方式；其二是逆推理故障排除法，這種方法的原理與順推理正好相反，就是由故障元件倒推至電路、電源的方法。

3.2 加強母線保護

加強專用母線保護，定期檢測開關柜的運行電流是防止電弧故障的有效措施之一。相關實驗表明，安裝完母線保護裝置后，系統(tǒng)會阻斷電弧燃燒產(chǎn)生的紅外線、紫外線以及可見光，從而顯著降低了開關柜的內(nèi)部壓力，縮小了開關柜內(nèi)部電弧故障的影響范圍。加強母線保護的防護措施操作比較簡單、成本較低，而且不會造成任何污染，所以是當前我國電力行業(yè)應用于開關柜內(nèi)部故障電弧防護中的重要方法。

3.3 應用自動保護裝置

工作人員應該在電力系統(tǒng)故障檢修中應用自動保護裝置，有利于檢修人員在短時間內(nèi)鎖定故障位置、找出故障原因；當電力系統(tǒng)開關柜出現(xiàn)故障電弧時，自動保護裝置就會迅速切斷開關柜與其他電力設備的連接，防止開關柜內(nèi)部故障電弧影響擴大，減少不利影響和危害。而且應用自動保護裝置還能客觀反映出電力系統(tǒng)運行中的異常情況，可以將實際運行狀態(tài)與運行參數(shù)進行對比，如果發(fā)現(xiàn)異常情況就會發(fā)出差異信號，便于檢修人員及時發(fā)現(xiàn)故障、排除故障[3]。

3.4 加強系統(tǒng)的日常檢修

工作人員應該定期對電力系統(tǒng)中的各種設備進行檢查，排除故障。電力行業(yè)檢修工作中常見的措施主要有低壓保護和電流保護等。目前我國電力部門多采用狀態(tài)檢修的方式，這種檢修方式可以直接反映出電力設備的實際運行狀態(tài)，為后期的檢修提供重要參考。狀態(tài)檢修就是利用電力設備運行參數(shù)的差異性來幫助檢修人員采用科學的防護措施。狀態(tài)檢修方式的優(yōu)點有維修效率較高、維修成本降低等。開關柜電弧故障是在短時內(nèi)發(fā)生的，所以在檢修時應該對短路保護裝置進行重點檢查，從而保證當發(fā)生電弧故障時能夠及時將故障元件與其他設備切斷開來。

3.5 人身安全電弧防護

可從以下幾個方面考慮現(xiàn)場工作人員的安全：

（1）遠程操作，避免人機接觸以防止日常操作過程中出現(xiàn)的人為錯誤；（2）合理的系統(tǒng)設計與維護；（3）正確地培訓、詳盡的安全步驟，以提高安全意識；（4）精確測試，采用在線監(jiān)測和診斷系統(tǒng)；（5）備存記錄；（6）應用減少電弧危害的新設備與新技術；（7）使用合理的個人防護裝備；（8）遵守安全法規(guī)，標準和指導措施。

總之，為了減小電弧危害、加強電弧防護，國內(nèi)外學者對開關柜內(nèi)部故障電弧進行了長期、持續(xù)的研究，主要包括探究電弧特性、分析電弧危害、建模仿真、試驗測試等，不斷地豐富著故障電弧理論，從而推動著電力系統(tǒng)安全運行的發(fā)展。