中低壓開關(guān)柜電弧計(jì)算及實(shí)際應(yīng)用

北京市自來水集團(tuán)石景山區(qū)自來水有限公司 馬明智

北京某水廠供配電系統(tǒng)裝機(jī)容量11515kW，運(yùn)行容量8300kW，計(jì)算負(fù)荷7142kW，負(fù)荷等級(jí)一級(jí)，最高電壓等級(jí)10kV，擁有配水泵房、提升泵房、炭砂濾池及膜車間四座配電室（各含10kV 主配、10kV 變頻器室、10/0.4kV變壓器室、0.4kV 配電室、控制室）。水廠配電系統(tǒng)上級(jí)電源取自國網(wǎng)各變電站，以配水泵房配電室為總配，給其它3座配電室提供10kV 電源，組成全廠供電網(wǎng)絡(luò)。上述4座配電室共有UG550/10kV 開關(guān)柜46面，MNS3.0/0.4kV 開關(guān)柜58面，均為水廠檢修班組自行運(yùn)維。

本文即結(jié)合某水廠供配電系統(tǒng)實(shí)際情況，對10kV 及0.4kV 開關(guān)柜電弧故障進(jìn)行分析計(jì)算，研究實(shí)際工作中可能出現(xiàn)的短路電流、電弧故障電流、入射能量、保護(hù)邊界等問題，經(jīng)ETAP 仿真建模，詳細(xì)計(jì)算關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果討論不同情況下應(yīng)采取的防護(hù)措施。

1 電弧故障的分析方法

1.1 電弧故障的分析方向

中低壓開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧對供配電系統(tǒng)安全運(yùn)行及一線操作人員的人身傷害問題得到了越來越多相關(guān)從業(yè)人員的關(guān)注和重視。但目前對于中低壓開關(guān)設(shè)備電弧故障的研究主要集中在電弧產(chǎn)生的原因、電弧的特性、檢測與識(shí)別方法和弧光保護(hù)裝置等方面，其計(jì)算目標(biāo)往往只重視電弧能量，而未體現(xiàn)開斷時(shí)間對電弧故障保護(hù)的具體分析，對實(shí)際工作中電弧故障的計(jì)算案例和精確計(jì)算也少有文獻(xiàn)。帶著這些問題，本文將結(jié)合某水廠實(shí)際工作對電弧故障計(jì)算進(jìn)行研究。

1.2 電弧的計(jì)算分析

電弧計(jì)算是結(jié)合三相金屬性短路電流、母線距離和工作距離參數(shù)來確定高低壓開關(guān)柜內(nèi)的電弧入射能量、危害等級(jí)并確定電弧的保護(hù)邊界。

1.2.1 分析計(jì)算方法和目標(biāo)

計(jì)算方法和公式主要來自兩個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：①NFPA 70E-2018，②IEEE 1584-2018。其中①的計(jì)算方法使用NFPA 方程，電弧電流的范圍是16-50kA。②的計(jì)算方法使用規(guī)范內(nèi)的方程，在0.208-15kV 電壓范圍內(nèi)使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?5kV 以上使用理論模型Ralph Lee's 方程，電弧電流的范圍是0.7-106kA。

計(jì)算分析中主要的分析參數(shù)有：

導(dǎo)體/母線的間隙：指三相母線的間距。IEEE 1584-2018表中規(guī)定了此參數(shù)的推薦數(shù)值。在計(jì)算中根據(jù)實(shí)際的設(shè)備廠家數(shù)據(jù)選取。

距離因數(shù)X：根據(jù)不同的設(shè)備類型、電壓等級(jí)和間隙選取，邊界限制值：由NFPA 70E-2018進(jìn)行定義的，帶電部分受到?jīng)_擊危害的接近限制值。

電弧電流：通過短路計(jì)算確定的電弧短路電流，其數(shù)值與三相短路電流并不相同。

繼電保護(hù)和保護(hù)設(shè)備清除故障時(shí)間：按繼電保護(hù)定值的設(shè)定值，綜保反應(yīng)時(shí)間和斷路器開斷時(shí)間之和考慮。

計(jì)算分析中主要的分析目標(biāo)結(jié)果有：電弧故障入射能量；電弧故障保護(hù)邊界；明確電弧故障危害等級(jí)并選取防護(hù)設(shè)備等級(jí)（PPE）。

1.2.2 電弧故障分析計(jì)算

1.2.2.1 電弧故障電流計(jì)算

對于1kV 以下系統(tǒng)：

對于1kV 及以上系統(tǒng)：

1.2.2.2 工作距離內(nèi)的入射能量計(jì)算

工作距離內(nèi)的入射能量公式為:

計(jì)算入射能量E，用等式為：

當(dāng)系統(tǒng)電壓超過15kV 或者當(dāng)導(dǎo)體間距超過153mm 時(shí)，計(jì)算公式：

1.2.2.3 電弧保護(hù)邊界計(jì)算

距離計(jì)算公式如下：

則距離計(jì)算公式如下：

1.2.2.4 PPE 危害/防護(hù)等級(jí)

PPE 在NFPA 70E-2018表130.7(C)中定義為個(gè)人防護(hù)裝備，根據(jù)計(jì)算得出電弧入射能量值，從而選取適合的PPE 對工作人員進(jìn)行防護(hù)。

2 水廠中低壓開關(guān)柜電弧故障分析計(jì)算

2.1 電弧故障計(jì)算

某水廠供配電系統(tǒng)上級(jí)兩路電源分別來自劉娘府變電站和金頂街變電站，在計(jì)算中電網(wǎng)提供的短路電流暫按20kA 選取。各電力設(shè)備和電纜按實(shí)際值選取。母線的間隙、距離因數(shù)按實(shí)際開關(guān)柜的參數(shù)選取。系統(tǒng)接地方式按實(shí)際情況考慮。10kV故障切斷時(shí)間按70ms 考慮（綜保20ms+斷路器50ms），0.4kV 故障切斷時(shí)間按250ms 考慮。短路電流考慮電機(jī)反饋。

由于10kV 系統(tǒng)和0.4kV 系統(tǒng)都是單母線分段的接線方式，計(jì)算中僅需要考慮I 段的電弧故障，II段的計(jì)算結(jié)果與I 段相同，按照上文闡述的計(jì)算方法和供配電系統(tǒng)的主接線、設(shè)備參數(shù)進(jìn)行ETAP 建模后，短路計(jì)算結(jié)果見計(jì)算結(jié)果如下，為了分析研究電網(wǎng)短路電流對計(jì)算結(jié)果的影響，在下面的計(jì)算中選取了系統(tǒng)短路電流的不同的數(shù)值并進(jìn)行了計(jì)算（低壓僅考慮配水泵房變配電室），結(jié)果見表1。

表1

為了分析研究故障清除時(shí)間對計(jì)算結(jié)果的影響，在系統(tǒng)短路電流為20kA 的前提條件下，在下面的計(jì)算中選取了故障清除時(shí)間的不同的數(shù)值并進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2

2.2 電弧故障計(jì)算結(jié)果分析

對以上的電弧故障計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可以得出以下的結(jié)論：

在水廠實(shí)際的供電條件下，10kV 開關(guān)柜遭受的電弧故障危害較小，0.4kV 開關(guān)柜遭受的電弧故障危害較大，運(yùn)維人員在操作時(shí)應(yīng)根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果穿戴相應(yīng)的防護(hù)服裝和用具。

對應(yīng)低配系統(tǒng)來說，變壓器容量越大，電弧入射能量越高，電弧邊界更遠(yuǎn)，危害等級(jí)和需要的護(hù)具級(jí)別越高。

電網(wǎng)提供的短路電流對10kV 系統(tǒng)影響比較大，電弧電流和入射能量隨其數(shù)值線性增長；對低配系統(tǒng)的影響比較小，幾乎無明顯變化，故對低配系統(tǒng)，變壓器容量是影響電弧電流的關(guān)鍵因素。

故障切除時(shí)間的縮短對降低電弧電流和入射能量的水平有明顯作用，所以在水廠技改工作中可以考慮選用中低壓母線弧光保護(hù)繼電保護(hù)裝置和進(jìn)線快速切斷開關(guān)的方案來降低母線電弧故障風(fēng)險(xiǎn)。

3 中低壓開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的防護(hù)措施

據(jù)本文實(shí)際計(jì)算結(jié)果，在中低壓開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的防護(hù)工作中，防護(hù)措施主要有以下幾方面。

3.1 購置可靠的IAC 級(jí)設(shè)備

目前國家對中壓開關(guān)設(shè)備的制造標(biāo)準(zhǔn)GB3906進(jìn)行了修訂，該標(biāo)準(zhǔn)著重考慮使用者的人身安全，增加了“內(nèi)部電弧級(jí)開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備（IAC）”的概念。IAC 級(jí)設(shè)備定義是：“經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證能滿足在內(nèi)部電弧情況下保護(hù)人員規(guī)定要求的金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備”。只有通過內(nèi)部燃弧型式試驗(yàn)的設(shè)備才能稱為IAC 級(jí)設(shè)備。水廠在技改工作中可以參考電弧入射能量和電弧故障危險(xiǎn)等級(jí)決定是否部分換裝可靠的IAC 級(jí)設(shè)備。

3.2 裝設(shè)成熟的弧光保護(hù)裝置

目前供配電系統(tǒng)中，10kV 和0.4kV 電壓等級(jí)的母線，一般均未裝設(shè)專門的母線綜自保護(hù)裝置。常用的設(shè)計(jì)方案使用后備保護(hù)來切除母線上的故障，缺點(diǎn)是時(shí)限較長（0.6-2.5s）。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]中的闡述，電弧故障發(fā)生后100ms 內(nèi)若不能切除故障，故障將迅速發(fā)展放大，造成“火燒聯(lián)營”，同時(shí)從故障點(diǎn)擴(kuò)大至相鄰系統(tǒng)?？赡茉斐扇珡S停電，人員受傷等巨大經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。因此對水廠內(nèi)重要供配電設(shè)備和計(jì)算能量值很高的母線可以考慮配置成熟的母線弧光保護(hù)裝置，其動(dòng)作時(shí)間在幾毫秒，比普通綜保裝置快很多。

3.3 裝設(shè)必要的測溫裝置

由于設(shè)備局部發(fā)熱導(dǎo)致的電弧故障占總電弧故障的99%。開關(guān)柜中斷路器與母線連接的觸頭、母線搭接的接頭、電纜頭與母線連接的接頭等部位會(huì)因制造、運(yùn)輸、安裝不良及老化引起接觸電阻過大而發(fā)熱，繼而發(fā)展為內(nèi)部電弧故障[2]。故可以考慮通過技改工作在開關(guān)柜適當(dāng)?shù)牟课谎b設(shè)必要的測溫裝置，實(shí)現(xiàn)對測點(diǎn)的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測，便可將故障隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

3.4 個(gè)人防護(hù)裝備(PPE)的穿戴

斷電作業(yè)是保證工作安全的最佳方式，但有時(shí)帶電工作又不可避免，例如故障排查、測試電壓、診斷和紅外線測溫時(shí)，這些情況下，運(yùn)維人員需要穿戴適當(dāng)?shù)膫€(gè)人防護(hù)裝備（PPE），才能有效地防止觸電和電弧事故對人身的傷害[3]。

本文給出中低壓開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的計(jì)算方法，并結(jié)合某水廠實(shí)際情況對電弧故障的故障電流、入射能量和保護(hù)邊界等給出了計(jì)算、結(jié)果和分析。計(jì)算過程考慮了10kV 系統(tǒng)容量、系統(tǒng)接地方式、變壓器參數(shù)、開關(guān)柜參數(shù)、電動(dòng)機(jī)參數(shù)和模型、負(fù)荷、故障切除時(shí)間等所有影響因素，精確計(jì)算了本廠各母線段的短路電流、電弧故障電流、入射能量、保護(hù)邊界、危害水平和PPE 級(jí)別，同時(shí)給出了應(yīng)對中低壓開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障建議。