基于弧光保護(hù)的中壓開關(guān)柜母線保護(hù)裝置應(yīng)用技術(shù)研究

周嫣蕾 陳蘭蘭

摘要：隨著社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，高壓開關(guān)柜逐步朝智能化、小型化、組合式方向發(fā)展，但針對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的小型化開關(guān)柜內(nèi)燃弧效應(yīng)研究成果較少。本文通過建立仿真模型，分析燃弧期間開關(guān)柜內(nèi)壓力、溫度分布情況，設(shè)置有效防護(hù)的保護(hù)時(shí)間。故障電壓光電流（troublevoltageopticalcurrent，TVOC）型弧光保護(hù)是一種采用檢測弧光和過流雙判據(jù)的中壓母線保護(hù)，具有原理簡單的優(yōu)點(diǎn)，從裝置檢測信號(hào)到熄滅電弧僅需5ms。本文結(jié)合仿真計(jì)算及內(nèi)燃弧試驗(yàn)判定保護(hù)裝置的有效性，對(duì)保護(hù)裝置的動(dòng)作特性研究及指導(dǎo)現(xiàn)場應(yīng)用具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：弧光保護(hù);電弧故障;ANSYS;弧光檢測;

引言

中壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，在工業(yè)應(yīng)用中，中壓開關(guān)柜的故障會(huì)對(duì)連續(xù)性生產(chǎn)產(chǎn)生影響，最嚴(yán)重的電弧故障還可能給就地操作的人員安全帶來隱患。持續(xù)的電弧故障甚至?xí)?，?dǎo)致變電站內(nèi)相連的開關(guān)柜燒損。發(fā)生電弧故障的開關(guān)柜由于受到高溫、高強(qiáng)度內(nèi)部作用力的破壞，往往無法繼續(xù)使用。修復(fù)或重新采購全新設(shè)備需要一定的生產(chǎn)、安裝、調(diào)試周期，對(duì)用戶產(chǎn)生直接、間接經(jīng)濟(jì)損失以及可能的人員安全等綜合性影響。

1主動(dòng)型弧光保護(hù)裝置研制

1.1TVOC動(dòng)作原理

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注電弧故障產(chǎn)生高溫、電壓降低以及弧光現(xiàn)象，根據(jù)這些現(xiàn)象提出電弧探測手段。電弧發(fā)生時(shí)照度變化量達(dá)到20000%，繼電器動(dòng)作迅速，可滿足快速切除斷路器的要求。根據(jù)光敏電阻的電阻變化而啟動(dòng)的繼電器固有動(dòng)作時(shí)間不超過4ms，控制單元能夠在1～3ms內(nèi)迅速接收反饋信號(hào)，快速熄弧單元收到動(dòng)作指令后在1.5ms內(nèi)動(dòng)作。保護(hù)裝置動(dòng)作原理是依靠柜內(nèi)光照的變化啟動(dòng)繼電器而導(dǎo)通跳閘回路。該裝置采用檢測弧光和過流雙判據(jù)，原理簡單、靈敏度高。

1.2TVOC裝置組成

TVOC裝置包括傳感器、控制單元、擴(kuò)展弧光檢測單元與快速熄弧單元4部分。熄弧單元通過小車模式安裝，與控制單元集成布置在快速滅弧高壓柜。熄弧單元和開關(guān)柜主母線相連接，目的是將短路觸頭與電弧故障部位并聯(lián)。

弧光檢測控制單元通過持續(xù)監(jiān)測保護(hù)范圍內(nèi)的系統(tǒng)電流和弧光信號(hào)，迅速可靠地判斷是否有電弧故障發(fā)生。10kV母線或者開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生電弧故障，傳感器將信號(hào)發(fā)送至控制單元?？刂茊卧鶕?jù)判據(jù)判定故障是否發(fā)生，當(dāng)判定異常后立即輸出脈沖電信號(hào)至熄弧單元及進(jìn)線斷路器。熄弧單元收到觸發(fā)信號(hào)動(dòng)作使母線三相短路接地，故障處電弧電壓瞬間迅速下降，在2ms內(nèi)故障電弧熄滅。同時(shí)進(jìn)線斷路器跳閘切除電源，隔離故障。

TVOC型主動(dòng)型弧光保護(hù)裝置可在3ms內(nèi)檢測到電弧故障，5ms內(nèi)快速熄弧。如果裝置判斷電弧故障已經(jīng)發(fā)生，檢測控制裝置將立即觸發(fā)3個(gè)一次主元件動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)三相金屬性接地短路，總的故障電弧持續(xù)時(shí)間不超過10ms。

傳感器和擴(kuò)展弧光檢測單元通過控制電纜與控制單元連接，傳感器安裝在能有效檢測母線室內(nèi)狀況的位置，傳感器及其連接的光纖宜采用柜體外布線引至儀表室的方案。傳感器安裝在電弧容易產(chǎn)生的位置，當(dāng)發(fā)生中壓開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障時(shí)，其電弧特性為強(qiáng)烈的氣體自持放電，具有明亮的弧光柱和電極斑點(diǎn)。傳感器可以在最短的時(shí)間內(nèi)檢測可見光和紫外光波段，并轉(zhuǎn)換為4～20mA的電信號(hào)。

2中壓開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的危害性

在電力系統(tǒng)中，配電裝置通常會(huì)分為民用和工業(yè)生產(chǎn)用2種。一般來說，工業(yè)企業(yè)的變配電裝置通常會(huì)采用成套的開關(guān)柜。通常成套的開關(guān)柜整體尺寸規(guī)格較小，絕緣強(qiáng)度不大，并且極容易受到外界因素的影響而產(chǎn)生絕緣的凝露或灰塵等，斷路器在推進(jìn)和推出的過程中也容易對(duì)絕緣造成一定的磨損，也可能由于產(chǎn)品質(zhì)量原因或一些其他外界因素進(jìn)入開關(guān)柜中，這樣就使中央開關(guān)柜的電弧容易發(fā)生短路情況，導(dǎo)致中央開關(guān)柜的故障率升高，由此引起診斷配電裝置發(fā)生損壞或長期停電的事件也較多。容易發(fā)生火災(zāi)，威脅用戶的生命財(cái)產(chǎn)安全。

中壓開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部故障產(chǎn)生電弧時(shí)，經(jīng)常會(huì)引起電路中電壓與電流的變化，故障電弧容易引起電流變化率升高，主要原因在于故障電弧電流的波形約為正弦波形，而電弧電壓波形作為斜頂?shù)奶菪危妷喉敳恳矔?huì)隨著時(shí)間的延長而使得電弧的伏安特性產(chǎn)生明顯的滯環(huán)，這種情況主要是由于電弧所攜帶的電能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，并引起周圍環(huán)境溫度的急劇升高，空氣壓力也會(huì)在瞬間增大，在極短的時(shí)間內(nèi)就容易產(chǎn)生爆炸等事故，尤其中央開關(guān)柜處于較小的空間內(nèi)，其密閉的環(huán)境極容易在電弧能量高溫高壓環(huán)境情況下引發(fā)爆炸。在這種情況下，在中央開關(guān)柜的沖擊下會(huì)導(dǎo)致柜體爆裂，并且柜內(nèi)的元器件也容易全部燒毀。所以，國家也明確規(guī)定了中央開關(guān)設(shè)備必須能夠進(jìn)行一定的內(nèi)部故障實(shí)驗(yàn)。所有檢驗(yàn)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，符合法律規(guī)定后才能夠投入使用。

3中壓開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧防護(hù)措施

3.1加強(qiáng)整體系統(tǒng)的主動(dòng)性

目前在電力企業(yè)的電力系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)同時(shí)發(fā)生幾種故障，由此造成電弧混亂，極為容易引起更大的事故。因此在實(shí)際的防范過程中，必須要加強(qiáng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的檢修并提高維護(hù)水平，降低內(nèi)部故障電弧發(fā)生的概率。尤其要注意采用電流保護(hù)或低壓保護(hù)與斷相保護(hù)等相關(guān)的防護(hù)措施。并以電氣設(shè)備質(zhì)量為基礎(chǔ)定期進(jìn)行整體系統(tǒng)的維護(hù)，對(duì)于易發(fā)生故障位置要做到精細(xì)的檢測。這樣不但能夠有效地降低故障發(fā)生概率，同時(shí)，還能夠增強(qiáng)對(duì)成本的有效控制，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。

3.2加強(qiáng)專用中壓母線保護(hù)

加強(qiáng)對(duì)專用增壓母線的保護(hù)主要的目的在于降低中壓開關(guān)柜內(nèi)部故障發(fā)生概率和進(jìn)行電弧的防護(hù)。建湖匯中央開關(guān)柜故障的原因是由于內(nèi)部的系統(tǒng)封閉。無法承受空氣爆破的壓力。而母線能夠在一定水平上增加空氣短時(shí)內(nèi)間內(nèi)發(fā)熱膨脹的壓力。利用母增壓母線提供保護(hù)后，中壓開關(guān)柜內(nèi)部故障產(chǎn)生的電弧帶有的紅外線紫外線等具有穿透力的管線會(huì)在一定程度上得到隔離，可見光數(shù)量也會(huì)相應(yīng)的降低，能夠有效地提升電力設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。目前電力企業(yè)也在不斷地進(jìn)行中壓開關(guān)柜增壓母線保護(hù)的研究，并且取得了一些成果。

3.3加強(qiáng)機(jī)械設(shè)計(jì)防護(hù)水平

機(jī)械設(shè)計(jì)防護(hù)措施主要可以分為隔離或絕緣等方法。隔離的措施主要是封鎖存放設(shè)備的空間，或加裝防護(hù)柵欄。由于高壓設(shè)備通常是持續(xù)帶電，且電流和電壓功率較大，所以這也是必須采取有效防護(hù)和隔離措施的主要原因。絕緣則是借助母排絕緣和高壓格式的方式來降低內(nèi)部故障電弧相互抵觸的可能性。在實(shí)際的運(yùn)用過程當(dāng)中，能夠有效地起到防止和降低帶電部件之間的接觸頻率，以此來來甫電弧發(fā)生。這其中需要重點(diǎn)注意的是母線系統(tǒng)和開關(guān)柜的處理，要注意絕緣措施的全面布設(shè)。

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種原理簡單、檢測故障時(shí)間短、抑制故障電弧動(dòng)作可靠迅速的保護(hù)裝置，通過燃弧試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證其功能，具有一定的工程指導(dǎo)意義，

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