基于弧光保护的中压开关柜母线保护装置应用技术研究

周嫣蕾 陈兰兰

摘要：随着社会发展和科学技术进步，高压开关柜逐步朝智能化、小型化、组合式方向发展，但针对现有结构优化后的小型化开关柜内燃弧效应研究成果较少。本文通过建立仿真模型，分析燃弧期间开关柜内压力、温度分布情况，设置有效防护的保护时间。故障电压光电流（troublevoltageopticalcurrent，TVOC）型弧光保护是一种采用检测弧光和过流双判据的中压母线保护，具有原理简单的优点，从装置检测信号到熄灭电弧仅需5ms。本文结合仿真计算及内燃弧试验判定保护装置的有效性，对保护装置的动作特性研究及指导现场應用具有一定参考价值。

关键词：弧光保护;电弧故障;ANSYS;弧光检测;

引言

中压开关柜是电力系统中的重要环节，在工业应用中，中压开关柜的故障会对连续性生产产生影响，最严重的电弧故障还可能给就地操作的人员安全带来隐患。持续的电弧故障甚至会蔓延，导致变电站内相连的开关柜烧损。发生电弧故障的开关柜由于受到高温、高强度内部作用力的破坏，往往无法继续使用。修复或重新采购全新设备需要一定的生产、安装、调试周期，对用户产生直接、间接经济损失以及可能的人员安全等综合性影响。

1主动型弧光保护装置研制

1.1TVOC动作原理

国内外学者关注电弧故障产生高温、电压降低以及弧光现象，根据这些现象提出电弧探测手段。电弧发生时照度变化量达到20000%，继电器动作迅速，可满足快速切除断路器的要求。根据光敏电阻的电阻变化而启动的继电器固有动作时间不超过4ms，控制单元能够在1～3ms内迅速接收反馈信号，快速熄弧单元收到动作指令后在1.5ms内动作。保护装置动作原理是依靠柜内光照的变化启动继电器而导通跳闸回路。该装置采用检测弧光和过流双判据，原理简单、灵敏度高。

1.2TVOC装置组成

TVOC装置包括传感器、控制单元、扩展弧光检测单元与快速熄弧单元4部分。熄弧单元通过小车模式安装，与控制单元集成布置在快速灭弧高压柜。熄弧单元和开关柜主母线相连接，目的是将短路触头与电弧故障部位并联。

弧光检测控制单元通过持续监测保护范围内的系统电流和弧光信号，迅速可靠地判断是否有电弧故障发生。10kV母线或者开关柜内发生电弧故障，传感器将信号发送至控制单元。控制单元根据判据判定故障是否发生，当判定异常后立即输出脉冲电信号至熄弧单元及进线断路器。熄弧单元收到触发信号动作使母线三相短路接地，故障处电弧电压瞬间迅速下降，在2ms内故障电弧熄灭。同时进线断路器跳闸切除电源，隔离故障。

TVOC型主动型弧光保护装置可在3ms内检测到电弧故障，5ms内快速熄弧。如果装置判断电弧故障已经发生，检测控制装置将立即触发3个一次主元件动作，实现系统三相金属性接地短路，总的故障电弧持续时间不超过10ms。

传感器和扩展弧光检测单元通过控制电缆与控制单元连接，传感器安装在能有效检测母线室内状况的位置，传感器及其连接的光纤宜采用柜体外布线引至仪表室的方案。传感器安装在电弧容易产生的位置，当发生中压开关柜内部电弧故障时，其电弧特性为强烈的气体自持放电，具有明亮的弧光柱和电极斑点。传感器可以在最短的时间内检测可见光和紫外光波段，并转换为4～20mA的电信号。

2中压开关柜内部电弧故障的危害性

在电力系统中，配电装置通常会分为民用和工业生产用2种。一般来说，工业企业的变配电装置通常会采用成套的开关柜。通常成套的开关柜整体尺寸规格较小，绝缘强度不大，并且极容易受到外界因素的影响而产生绝缘的凝露或灰尘等，断路器在推进和推出的过程中也容易对绝缘造成一定的磨损，也可能由于产品质量原因或一些其他外界因素进入开关柜中，这样就使中央开关柜的电弧容易发生短路情况，导致中央开关柜的故障率升高，由此引起诊断配电装置发生损坏或长期停电的事件也较多。容易发生火灾，威胁用户的生命财产安全。

中压开关柜发生内部故障产生电弧时，经常会引起电路中电压与电流的变化，故障电弧容易引起电流变化率升高，主要原因在于故障电弧电流的波形约为正弦波形，而电弧电压波形作为斜顶的梯形，电压顶部也会随着时间的延长而使得电弧的伏安特性产生明显的滞环，这种情况主要是由于电弧所携带的电能会转化为热能，并引起周围环境温度的急剧升高，空气压力也会在瞬间增大，在极短的时间内就容易产生爆炸等事故，尤其中央开关柜处于较小的空间内，其密闭的环境极容易在电弧能量高温高压环境情况下引发爆炸。在这种情况下，在中央开关柜的冲击下会导致柜体爆裂，并且柜内的元器件也容易全部烧毁。所以，国家也明确规定了中央开关设备必须能够进行一定的内部故障实验。所有检验达到相关标准，符合法律规定后才能够投入使用。

3中压开关柜内部故障电弧防护措施

3.1加强整体系统的主动性

目前在电力企业的电力系统中，经常会同时发生几种故障，由此造成电弧混乱，极为容易引起更大的事故。因此在实际的防范过程中，必须要加强对整个系统的检修并提高维护水平，降低内部故障电弧发生的概率。尤其要注意采用电流保护或低压保护与断相保护等相关的防护措施。并以电气设备质量为基础定期进行整体系统的维护，对于易发生故障位置要做到精细的检测。这样不但能够有效地降低故障发生概率，同时，还能够增强对成本的有效控制，提高电力系统运行的稳定性与安全性。

3.2加强专用中压母线保护

加强对专用增压母线的保护主要的目的在于降低中压开关柜内部故障发生概率和进行电弧的防护。建湖汇中央开关柜故障的原因是由于内部的系统封闭。无法承受空气爆破的压力。而母线能够在一定水平上增加空气短时内间内发热膨胀的压力。利用母增压母线提供保护后，中压开关柜内部故障产生的电弧带有的红外线紫外线等具有穿透力的管线会在一定程度上得到隔离，可见光数量也会相应的降低，能够有效地提升电力设备的运行稳定性。目前电力企业也在不断地进行中压开关柜增压母线保护的研究，并且取得了一些成果。

3.3加强机械设计防护水平

机械设计防护措施主要可以分为隔离或绝缘等方法。隔离的措施主要是封锁存放设备的空间，或加装防护栅栏。由于高压设备通常是持续带电，且电流和电压功率较大，所以这也是必须采取有效防护和隔离措施的主要原因。绝缘则是借助母排绝缘和高压格式的方式来降低内部故障电弧相互抵触的可能性。在实际的运用过程当中，能够有效地起到防止和降低带电部件之间的接触频率，以此来来甫电弧发生。这其中需要重点注意的是母线系统和开关柜的处理，要注意绝缘措施的全面布设。

结语

本文设计了一种原理简单、检测故障时间短、抑制故障电弧动作可靠迅速的保护装置，通过燃弧试验和仿真验证其功能，具有一定的工程指导意义，

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