10kV开关柜内部电弧故障的危害与保护

蔡孝理

湖南平高开关有限公司 湖南长沙 410006

1 电弧故障产生的概述

电弧的发展与电弧电导或弧阻有较大的关系。反过来，导通回路的阻抗变化也会导致电弧的产生。

在众多开关柜电弧事故中，导体连接处的触点松动是一个常见的电弧诱发因素。接触点的电阻与导体接触面面积相关，也与施加在触点上的压力相关。正常额定电流流过故障连接处的高阻区时，会导致触点的温度升高。这种局部温升会增加连接处导体的氧化率；同时也会导致导体膨胀；这又会进一步增加连接处所承受的热应力。当连接处电流降低后，连接点就会冷却下来，此时连接处导体会发生一定程度的收缩。连接处材料的反复膨胀和收缩会导致接触点松动。接触点的松动和氧化又会使导体连接处的电阻进一步升高[1]。

在有腐蚀性空气或振动的场合，会进一步增大接触点的故障率。其他常见原因还有绝缘材料的劣化和脏污。实际中，很多电弧故障都不是由人身接触引起的，并且大部分都会经历一个缓慢发展、并最终导致电弧故障的过程[2]。

2 10kV开关柜内部电弧故障的危害

10kV开关柜发生内部短路故障时，其电弧温度可达2×104℃，燃烧的电弧将周围的空气加热，引起空气膨胀，并在开关柜内部产生巨大的压力，可能造成的危害如下：

（1）开关柜内铜排、铝排在高温下熔毁、气化；（2）开关柜内电缆及其他元器件着火、熔毁；（3）开关柜设备强烈振动，使固定元件松脱；（4）开关柜内相对气体压力急剧上升可达250kPa，极易造成爆炸；（5）开关柜爆炸产生的金属和非金属材料碎片飞射，造成人身伤害；（6）附近的工作人员被高温烧灼皮肤，强光刺伤眼睛；（7）电弧产生大量的有害气体，对运行、检修人员呼吸系统造成伤害；此外，相邻的开关柜也可能受高温、高压冲击而损坏，严重者可引起10 kV 高压开关室内火灾，扩大了故障范围。

3 10kV开关柜内部电弧故障的保护对策

3.1 内部故障检测方法分析

3.1.1 电路敲击法

电路敲击法是在电力设备正常带电运行中进行的，工作人员利用橡皮小锤轻轻敲击运行中的设备，可以判断出敲击设备及其附近设备的性能是否处在良好状态。如果元件经过敲击后发生异常情况，就说明其内部存在故障隐患，需要工作人员采取进一步措施来找出故障的具体部位和故障因素。

3.1.2 图形分析法

电力设备的设计图中包括着设备结构、运行原理、安装方式以及维修养护方法等各种信息。这些设计图在电力设备故障检修时会发挥出非常重要的作用。工作人员在检修中压开关柜故障时需要以设备的图纸作为依据，来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员在对电力设备各个元件的检修中，经过一层层地分析逐步排除运行状态正常的部件，缩小故障范围，最终确定故障位置的方法。可以将故障排除法具体分为两种形式，其一是顺推理故障排除法，就是对电源、设备、电路等逐一进行故障查找的方式；其二是逆推理故障排除法，这种方法的原理与顺推理正好相反，就是由故障元件倒推至电路、电源的方法。

3.2 加强母线保护

加强专用母线保护，定期检测开关柜的运行电流是防止电弧故障的有效措施之一。相关实验表明，安装完母线保护装置后，系统会阻断电弧燃烧产生的红外线、紫外线以及可见光，从而显著降低了开关柜的内部压力，缩小了开关柜内部电弧故障的影响范围。加强母线保护的防护措施操作比较简单、成本较低，而且不会造成任何污染，所以是当前我国电力行业应用于开关柜内部故障电弧防护中的重要方法。

3.3 应用自动保护装置

工作人员应该在电力系统故障检修中应用自动保护装置，有利于检修人员在短时间内锁定故障位置、找出故障原因；当电力系统开关柜出现故障电弧时，自动保护装置就会迅速切断开关柜与其他电力设备的连接，防止开关柜内部故障电弧影响扩大，减少不利影响和危害。而且应用自动保护装置还能客观反映出电力系统运行中的异常情况，可以将实际运行状态与运行参数进行对比，如果发现异常情况就会发出差异信号，便于检修人员及时发现故障、排除故障[3]。

3.4 加强系统的日常检修

工作人员应该定期对电力系统中的各种设备进行检查，排除故障。电力行业检修工作中常见的措施主要有低压保护和电流保护等。目前我国电力部门多采用状态检修的方式，这种检修方式可以直接反映出电力设备的实际运行状态，为后期的检修提供重要参考。状态检修就是利用电力设备运行参数的差异性来帮助检修人员采用科学的防护措施。状态检修方式的优点有维修效率较高、维修成本降低等。开关柜电弧故障是在短时内发生的，所以在检修时应该对短路保护装置进行重点检查，从而保证当发生电弧故障时能够及时将故障元件与其他设备切断开来。

3.5 人身安全电弧防护

可从以下几个方面考虑现场工作人员的安全：

（1）远程操作，避免人机接触以防止日常操作过程中出现的人为错误；（2）合理的系统设计与维护；（3）正确地培训、详尽的安全步骤，以提高安全意识；（4）精确测试，采用在线监测和诊断系统；（5）备存记录；（6）应用减少电弧危害的新设备与新技术；（7）使用合理的个人防护装备；（8）遵守安全法规，标准和指导措施。

总之，为了减小电弧危害、加强电弧防护，国内外学者对开关柜内部故障电弧进行了长期、持续的研究，主要包括探究电弧特性、分析电弧危害、建模仿真、试验测试等，不断地丰富着故障电弧理论，从而推动着电力系统安全运行的发展。