開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧故障分析及防控措施

王超 王冰冰 陳嵩 邵昱

摘 要：電弧是一種能量集中、亮度很強(qiáng)、溫度很高的氣體放電現(xiàn)象，由開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障電弧引發(fā)的事故是電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中常見(jiàn)的嚴(yán)重故障之一，可使故障所在開(kāi)關(guān)柜及相鄰開(kāi)關(guān)柜爆炸燒毀、10 kV母線(xiàn)被迫停電，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。本文分析了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧的產(chǎn)生原因及危害，并結(jié)合實(shí)例深入分析了一起110 kV變電站由電弧引起的事故擴(kuò)大原因，最后對(duì)今后開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧故障提出幾種防護(hù)方法，為避免類(lèi)似情況再次發(fā)生提供參考。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)柜;電弧故障;防護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM591文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）29-0055-04

Abstract： Arc is a gas discharge phenomenon with concentrated energy， strong brightness and high temperature， the accident caused by the internal arc fault of the switch cabinet is one of the common serious faults in the actual operation of the power system， which can cause the switch cabinet where the fault is located and the adjacent switch cabinet to explode and burn， and the 10 kV bus is forced to cut off， causing significant economic losses and adverse social impact. This paper analyzed the causes and hazards of arcs in the switchgear， and analyzed the reasons for the expansion of an accident caused by arcs in a 110 kV substation in depth with an example， finally proposed several protection methods for the internal arc fault of the switchgear in the future， which could provide reference for avoiding the recurrence of similar situations.

Keywords： switch cabinet;arc fault;protection

電弧是一種能量集中、亮度很強(qiáng)、溫度很高的氣體放電現(xiàn)象，是指電流通過(guò)某些絕緣介質(zhì)（如空氣）時(shí)產(chǎn)生的瞬間火花。電弧一旦形成，所需維持電弧穩(wěn)定燃燒的電壓很低，且電弧質(zhì)量很輕，容易變形[1]。金屬封閉殼體內(nèi)的故障電弧能夠在短時(shí)間內(nèi)形成高壓力和高溫，其產(chǎn)生的影響和破壞程度與殼體大小、短路電流大小、電弧電壓及電弧持續(xù)時(shí)間有關(guān)。由開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障電弧引發(fā)的事故是電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中常見(jiàn)的嚴(yán)重故障之一，若無(wú)法得到及時(shí)切除，會(huì)造成災(zāi)難性的后果，可使故障所在開(kāi)關(guān)柜及相鄰開(kāi)關(guān)柜爆炸燒毀、10 kV母線(xiàn)停電，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響[2]。

1 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障電弧產(chǎn)生原因及危害

開(kāi)關(guān)柜中內(nèi)部電弧故障可以用壓縮、膨脹、發(fā)射和熱效應(yīng)4個(gè)階段來(lái)描述[3]。發(fā)生故障時(shí)，電弧溫度可達(dá)2×104 ℃，燃燒的電弧引起空氣膨脹，在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生巨大壓力[4]。10 kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部短路故障電弧產(chǎn)生的熱效應(yīng)（電弧能量）呈指數(shù)規(guī)律上升，如圖1所示。故障電弧持續(xù)時(shí)間超過(guò)100 ms，會(huì)引起電纜燃燒;超過(guò)150 ms，會(huì)引起銅排燃燒;超過(guò)200 ms，開(kāi)關(guān)柜外殼的鋼板也開(kāi)始燃燒，開(kāi)關(guān)柜設(shè)備有爆炸危險(xiǎn)。電弧燃燒同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體，造成進(jìn)入人員呼吸系統(tǒng)傷害，相鄰開(kāi)關(guān)柜也可能受沖擊損壞，甚至引起10 kV高壓室火災(zāi)，擴(kuò)大故障范圍。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧事故發(fā)生在操作人員在打開(kāi)的設(shè)備門(mén)前面時(shí)占65%，發(fā)生在操作人員恰好在關(guān)閉的設(shè)備門(mén)前面且設(shè)備不具備耐電弧性時(shí)占10%，發(fā)生在操作人員不在場(chǎng)且設(shè)備不具備耐電弧性時(shí)占25%[5]。伴隨事故產(chǎn)生的危害有熱灼傷、飛濺物、強(qiáng)光、電擊、熔融金屬和有毒氣體等[6-8]。

2 某變電站開(kāi)關(guān)柜電弧故障分析

2.1 故障現(xiàn)象

2019年6月10日，某變電站1021開(kāi)關(guān)跳閘，其10 kV II母I、II失壓，并伴有火災(zāi)告警，同時(shí)通信中斷，該站10 kV高壓室平面布置如圖2所示，運(yùn)行方式如圖3所示。運(yùn)維人員到達(dá)后發(fā)現(xiàn)高壓室有濃煙，與消防隊(duì)員進(jìn)行第一次撲救，確認(rèn)無(wú)明火后離開(kāi)。2 h后，10 kV高壓室煙霧加重，檢修人員和消防隊(duì)員進(jìn)入10 kV高壓室進(jìn)行撲救，與此同時(shí)1#主變跳閘，10 kV I段母線(xiàn)失壓。

經(jīng)開(kāi)倉(cāng)檢查后，發(fā)現(xiàn)34板燒損嚴(yán)重，其斷路器A相上觸臂對(duì)母線(xiàn)倉(cāng)下封板有明顯放電痕跡，如圖4所示，斷路器三相下觸臂斷裂、B相真空泡破裂，如圖5所示，電纜倉(cāng)CT燒蝕掉落至柜體底板，倉(cāng)內(nèi)電纜頭至三指套絕緣部分已全部燒毀，內(nèi)部導(dǎo)體光滑，未見(jiàn)明顯放電痕跡;10 kV I母PT柜B、C相母線(xiàn)對(duì)后倉(cāng)壁有放電痕跡，如圖6所示;101開(kāi)關(guān)手車(chē)下觸臂三相已全部燒斷，A相上觸臂已燒熔，A相觸頭盒固定板存在明顯放電痕跡，如圖7所示，保護(hù)動(dòng)作過(guò)程信息如表1所示。

2.2 原因分析

經(jīng)排查，本研究發(fā)現(xiàn)了接地點(diǎn)故障原因：34板A相上觸頭因彈簧彈力下降或靜觸頭接觸不良引起發(fā)熱，發(fā)熱造成A相上觸頭盒絕緣下降，多次放電并復(fù)原，接地電弧引發(fā)三相短路對(duì)母線(xiàn)倉(cāng)C相主母線(xiàn)、下母線(xiàn)倉(cāng)板、斷路器三相下觸臂及B相真空泡放電，短路電弧致使三相下觸臂斷裂、B相真空泡破裂，1021跳閘，10 kV II母失壓。

電弧弧根溫度可達(dá)20 000 ℃，由于10 kV II段三相短路引發(fā)的電弧從持續(xù)到熄滅的過(guò)程中，柜內(nèi)金屬和絕緣材料都被侵蝕，經(jīng)多次融化和擴(kuò)散，形成的有毒煙霧和熔融金屬蒸汽通過(guò)10 kV I段母線(xiàn)倉(cāng)上部母線(xiàn)橋散熱孔進(jìn)入15板、16板和101，造成16板、101A相上分支母排對(duì)A相觸頭盒固定金屬板放電，B、C兩相電壓幅值升高到[3]倍，進(jìn)而引發(fā)充滿(mǎn)粉塵的15板內(nèi)B、C相母線(xiàn)接地，構(gòu)成三相短路，101跳閘，I母失壓，此時(shí)短路電弧已將101A相上觸頭盒及相鄰絕緣護(hù)套點(diǎn)燃，4 s后火勢(shì)蔓延至101開(kāi)關(guān)手車(chē)A相下觸臂，引發(fā)手車(chē)下觸臂三相短路，短路電弧將開(kāi)關(guān)手車(chē)三相下觸臂燒斷，1#主變高后備保護(hù)動(dòng)作，出線(xiàn)1開(kāi)關(guān)跳閘，1#變失壓。

后經(jīng)深入排查，確定事故初始原因?yàn)橐粭l10 kV饋出線(xiàn)發(fā)生A相接地，系統(tǒng)非故障相電壓升高為線(xiàn)電壓并對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)。通過(guò)消弧線(xiàn)圈裝置信息及保護(hù)錄波可以看出，金屬性接地故障電流中存在很高的直流分量，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)250 s，故障電流直流分量流經(jīng)PT相當(dāng)于線(xiàn)圈短路，會(huì)引起PT線(xiàn)圈嚴(yán)重發(fā)熱。在電壓突變過(guò)程中，該站10 kV母線(xiàn)PT高壓線(xiàn)圈非接地兩相B、C相的勵(lì)磁電流突然增大、飽和，飽和后的PT勵(lì)磁電感變小，由此構(gòu)成相間串聯(lián)諧振，產(chǎn)生過(guò)電壓。與此同時(shí)，感抗下降使得勵(lì)磁回路嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流遠(yuǎn)超額定值，導(dǎo)致鐵芯劇烈振動(dòng)。電壓互感器在大電流下運(yùn)行，自身溫度迅速升高，鐵芯嚴(yán)重發(fā)熱，最終導(dǎo)致PT本體燒損。

PT本體燒損后，煙塵及火焰蔓延引發(fā)ABC三相弧光短路，3#變低復(fù)壓過(guò)流I段保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)103開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致該站10 kV II母II段、III母失壓，造成事故擴(kuò)大。

3 電弧故障防護(hù)方法

3.1 增加常規(guī)停電檢測(cè)手段

針對(duì)本文事例中暴露出的斷路器觸頭發(fā)熱問(wèn)題，建議在常規(guī)停電例試時(shí)增加開(kāi)關(guān)柜全導(dǎo)電回路電阻檢測(cè)、開(kāi)關(guān)柜電暈檢測(cè)兩個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目。開(kāi)關(guān)柜全導(dǎo)電回路電阻檢測(cè)通過(guò)200 A大電流檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜自母線(xiàn)到出線(xiàn)電纜全導(dǎo)電回路的電阻，可以有效發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)可能存在的接觸不良、連接松動(dòng)等導(dǎo)電缺陷;開(kāi)關(guān)柜電暈檢測(cè)是采用脈沖電流法對(duì)整段開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行局部放電檢測(cè)，可以有效發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)可能存在的連接部位虛接、絕緣介質(zhì)強(qiáng)度下降、柜內(nèi)存在導(dǎo)電雜質(zhì)等絕緣缺陷。通過(guò)這兩項(xiàng)試驗(yàn)，進(jìn)一步強(qiáng)化開(kāi)關(guān)柜停電檢測(cè)的效果。

3.2 嘗試開(kāi)關(guān)柜快速滅弧器

快速滅弧器是主動(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。與系統(tǒng)僅使用傳統(tǒng)電流保護(hù)相比較，配套此類(lèi)電弧故障的保護(hù)設(shè)備由一次主元件和檢測(cè)控制裝置組成，檢測(cè)控制裝置在2 ms內(nèi)能可靠地檢測(cè)到故障弧光及故障電流信號(hào)，一次主元件收到動(dòng)作指令后在1.5 ms內(nèi)動(dòng)作，通過(guò)將一次系統(tǒng)的三相主回路短路并接地，使故障處電弧電壓瞬間下降至零，從而快速熄滅故障電弧，降低電弧故障造成的破壞。

3.3 試點(diǎn)開(kāi)關(guān)柜在線(xiàn)局放監(jiān)測(cè)

目前，在電力變電設(shè)備領(lǐng)域，脈沖電流法是普遍認(rèn)可且廣泛使用的一種局部放電量測(cè)試方法，其結(jié)果以pC為單位，屬于定量性質(zhì)的測(cè)量，能客觀反映電氣設(shè)備的絕緣狀態(tài)及缺陷。以后可以利用高壓開(kāi)關(guān)柜帶電顯示裝置的絕緣子式電容傳感器進(jìn)行在線(xiàn)局部放電監(jiān)測(cè)，通過(guò)配套傳感器將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳輸至手機(jī)終端，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)。

3.4 改進(jìn)設(shè)計(jì)

當(dāng)電力系統(tǒng)開(kāi)關(guān)柜出現(xiàn)故障電弧時(shí)，可應(yīng)用自動(dòng)保護(hù)裝置，迅速切斷開(kāi)關(guān)柜與其他電力設(shè)備的連接，防止影響擴(kuò)大。加強(qiáng)機(jī)械設(shè)計(jì)防護(hù)，盡量減少隔室與帶電元件的接觸，防止故障時(shí)高溫氣體大范圍擴(kuò)散[9]。

4 結(jié)論

由開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障電弧引發(fā)的事故是電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中常見(jiàn)的嚴(yán)重故障之一，其破壞力強(qiáng)、影響范圍廣，應(yīng)嘗試多種防護(hù)措施降低其不利影響，最大限度保護(hù)工作人員和其他電力設(shè)備的安全。本文結(jié)合某變電站事故，對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧故障進(jìn)行分析，說(shuō)明其產(chǎn)生原因及影響，同時(shí)提出了幾種實(shí)際中切實(shí)可行的防護(hù)方法，為避免類(lèi)似情況再次發(fā)生提供參考。

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