开关柜内部故障电弧切除方法与试验

王国锋，王巨丰，唐佳雄，徐宇恒，彭斐，张清河，杨倩颖，李心如

(广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004)

在电力系统中，开关柜内部电弧故障发生概率较大，雷电过电压入侵、操作过电压、绝缘损坏等都可能造成柜内电弧闪络[1]。在雷雨等恶劣天气中，柜内避雷器失效时会出现绝缘失效引发故障；手车式断路器动静触头之间接触不良或咬合不紧，导致触头烧毁引发短路接地故障等。由于开关柜内空间十分有限，各种电气设备分布紧凑，绝缘距离相对有限，绝缘严重损坏后断路器的自动重合闸便失去效果；同时柜内空间较为封闭且柜体容易受潮，一旦出现电弧闪络极易引发爆炸，造成设备严重损坏甚至人身伤亡[2-3]。

开关柜内弧光故障发展过程主要分为4个阶段：压力增大(持续8～10 ms)、气体膨胀(持续5～10 ms)、气流辐射(持续100 ms)、发热。故障电弧有功率大、温度高、光度强及扩散快等特点，柜内电弧产生时瞬时能量巨大，瞬时功率可达上万兆瓦，电弧内部温度可达10 000～20 000 ℃，电弧光强可超过正常照明光强2 000倍，在柜内气体的流动和电场的共同作用下易形成“飞弧”。此外，故障燃弧过程中，金属电极在电弧作用下不断被烧蚀，发生熔化和蒸发，产生金属蒸汽注入到电弧等离子体中，柜内电弧能量十分巨大，破坏性极强[4-5]。随着电力系统的迅猛发展与人民生活水平的不断提高，各类电压等级的开关柜需求量日益增加，其质量与可靠性、安全性越来越受到重视，研究开关柜内部故障电弧能够优化开关柜设计，保护人员及设备安全，具有重要意义。

目前，高压开关柜内电弧防护措施主要有母线保护方案、常规弧光保护及快速灭弧器(ultra-fast earthing switch，UFES)。文献[6-10]介绍的简易母线保护方案(馈线电流闭锁式母线保护)是利用微机继电保护识别进线故障电流与馈线故障电流，若两者同时存在，则通过馈线继电保护输出信号闭锁进线继电保护，其动作时长通常需要300 ms以上。文献[11-13]介绍的弧光保护具有故障定位、断路器失灵保护的功能，根据过流保护与弧光感应双判据来动作，可靠性更高；但是弧光保护所需的探头较多，配置较为复杂，弧光光纤太多，布线困难，电子电路在强场环境中的抗干扰能力与稳定性也有待提高。文献[14-15]介绍的快速灭弧器是真空灭弧室与快速限流器的创新组合，其原理是在设备发生内部故障电弧时将三相直接接地短路，实现电弧故障发生后4 ms内熄灭电弧；然而，灭弧器的整个动作过程仍需要同弧光传感器结合使用，同样存在上述问题。常规的过流保护需要同断路器配合使用，从检测电弧到最终切除故障的时间大于100 ms，不能满足开关柜内设备正常运行的要求[16-17]。IEC 60298-1990《额定电压1 kV及以上、52 kV及以下的交流金属封闭开关设备和控制设备》规定，开关柜内部耐受的最大燃弧时间为100 ms；因此，故障电弧切除时间必须小于该值才能实现保护电气设备的目的[18-19]。

针对现有技术瓶颈，提出了一种新型故障电弧切除方法，在电弧闪络的同时，装置中的气体组件瞬时产生超强气体并驱离串接在回路中的开关导体，故障回路被瞬时切断，电弧失去能量补给后快速熄灭。该方法无需设置各类电子器件，结构稳定性高，且能及时切除柜内相间闪络或接地闪络故障，最终达到保护柜内设备安全的目的。本文建立了超强气体耦合电弧的数学模型，运用MATLAB/Simulink软件进行仿真分析，并进行了气流速度测试试验、气吹灭弧试验及建弧抑制效果试验，通过仿真与试验相结合的方式，验证该方法快速切除柜内电弧的有效性、可靠性。

1 故障电弧切除方法

1.1 电弧切除原理

在电路中串接一金属开关导体，在回路正常工作下，此开关导体对回路中的设备无影响，其通流容量满足正常工作电流的要求。若开关柜内出现接地短路电弧或相间短路电弧造成导线回路电流骤变时，分布在导线周围的感应部件(可采用罗氏线圈)感应到电流变化并将信号传递至气体组件，信号值达到设定阈值，气体组件触发动作，瞬时产生超强气体驱离开关导体，回路瞬时切断，闪络电弧无能量注入无法维持，直至熄灭，如图1所示。

图1 电弧切除方法原理Fig.1 Schematic diagram of the arc removal method

高速气体将串入在回路导线中的开关导体吹离(开关导体两端脱位发生水平位移或一端脱位发生转动位移，又或是通过绝缘介质置换驱离)甚至吹断，从而快速切除短路过电流。该方法具有较高的抗电弧重燃性，超强灭弧气体维持时间大于断口处电弧持续时间，开关导体被吹离或吹断后，断口处的电弧无法继续维持，电弧难以重燃。

1.2 装置结构

1.2.1 产气组件

超强气体主要由内部装置一定量三硝基甲苯(TNT)的产气组件定向爆炸后产生，爆轰反应发生同时形成冲击波。冲击波的计算较为复杂，计算值难以逼近实际值；因此对冲击波能量的分析采用了部分常用炸药的数据，表1为4种常用炸药爆炸时空气冲击波的初始参数[20]。

由表1可知，一般炸药的爆速大约是每秒数千米，体积1 L的固态炸药爆炸时可以产生约1 000 L的气体，能量团瞬间由固态转变为气态，在0.01 ms产生50 MPa左右的压力，灭弧气体能量约为电弧维持能量的几千倍，具有强烈不对称性。此强烈截断电弧的爆炸力会对电弧产生巨大吹断力，加速其湮灭。

表1 冲击波在空气中的初始参数Tab.1 Initial parameters of shock wave in air

1.2.2 连接关系

金属导电材质的开关导体设置在一圆柱形绝缘管道内，开关导体呈圆形薄饼状，开关进、出线穿过绝缘管壁与开关导体电气相连，如图2所示。

图2 开关导体连接Fig.2 Connection of the switch conductor

为避免导线与导体的接触点面积过小，引起连接处发热，采用面接触形式，即接触点设置成金属弹片，弹片通过弹簧固定在管内壁，起到稳固开关导体与减小接触点电阻的双重作用。由于产气组件爆炸后形成高速电负性气流的气压高达50 MPa，且弹片接触点仅有2处，接触面积较于整个导体侧面积较小，阻力可忽略，故弹片的设置不会对超强气体吹离开关导体产生影响。对于不同电压等级的开关柜，所设计的柱形灭弧管道内径与开关导体内径大小也各不相同；开关导体除了2处接触点外，其余外表面由绝缘材料包裹。

在装置的左侧设置能够瞬时产生超强气体的气体组件，若干个气体组件有序安装排布于一圆盘中，圆盘通过圆心转轴实现转动切换，圆心转轴与外部指针相连，圆心转轴、圆盘以及指针三者同轴联动，通过外部指针可知晓装置动作次数及气体组件剩余数量，便于查看设备状态与日常维护，如图3所示。在装置的右侧设有收集部件与气流泄流口，从回路中切除并被气流驱离后的开关导体经收集后可再次使用，气体组件定向爆破后产生的剩余气体从泄流口喷出，避免柜内气压过高。

图3 气体组件结构Fig.3 Structure of the gas components

1.3 柜内布置

快速灭弧装置可水平设置在手车式开关柜的母线室与手车室之间，具体位置是串接在高压母线与手车式断路器之间。快速灭弧装置设有气体组件的一端安装朝向手车室，在开关导体被驱离回路、断路器分闸并确保设备断电后，巡检维护人员解除故障，可在手车室处再次安装开关导体或更换气体组件，安装更换完成后再次合上断路器使回路通电，可达到多次使用、重复灭弧的目的，明显降低费用，减少损失。装置另一端的气流泄流口与收集部件安装朝向母线室内，超强气体通过尾部泄流口后经母线室顶端的泄压板排出，能够有效保持开关柜内气压平衡。灭弧装置的柜内分布如图4所示，在三相线路中均装设了该装置。

图4 改进开关柜主视图与左视图Fig.4 Main view and left view of the improved switch cabine

2 建模仿真

2.1 交流电弧特性

高压开关柜内部发生电弧故障时，会引起回路电压电流出现变化，故障电弧电流的波形大致呈正弦波形，故障电弧电压波形呈斜顶梯形。交流电弧电流过零点处的电弧电压变化率很大，交流电弧电压顶部随时间增长逐步倾斜，电弧伏安特性有明显的滞环。交流电弧存在自然过零点，在电弧电流过零前后，电弧电压出现2个较高的峰值，分别为燃弧尖峰与熄弧尖峰，燃弧尖峰和熄弧尖峰的高低与交流电弧的大小、介质的去游离作用相关。

开断交流电弧时，应在电弧电流达到零值以后，加强对弧隙的冷却，抑制热游离，加强去游离作用。在交流电弧的灭弧过程中，应该充分考虑利用交流电弧电流自然过零点这一特点，采取有效的措施，加大弧隙间隙的去游离强度，使电弧不再重燃，最终熄灭。高压开关柜内新型快速灭弧装置正是利用了交流电弧特性，高速气流迅速置换游离电介质，实现以快制强；同时气流维持时间长，防止电弧死灰复燃。

2.2 超强气体电弧模型

目前，在小电流过程分析中，基于能量平衡原理的mayr电弧模型得到广泛运用，本文结合了电磁场与气体组件产生的超强气流场，对mayr电弧模型作了修改，以适用于电弧在定向强气流作用下的仿真分析[21]，模拟超强气体耦合电弧过程。首先，提出了如下4点假定条件：

a)电弧弧柱呈均匀圆柱形，电弧的温度由轴心往外逐步降低。

b)用沙哈方程G=kexp(Q/Q0)近似表示电弧弧柱的热电离状态，G为电弧电导，Q为单位长度电弧的热量值，Q0为Q的初始值[22]，k为电导常数。

c)忽略气体温度变化对电弧弧柱本身气体物理性质的影响。

d)电弧功率耗散的形式主要为对流和传导。

在一段时间内电弧的输入功率表示为电弧电压u与电弧电流i的乘积，电弧的输出功率(即耗散功率)用P表示[23]。气体组件产生的定向强气流对开关导体驱离回路瞬间产生的间隙电弧进行吹拉，加速电弧能量的耗散。

随着强气流速度的增大，电弧温度加速下降，阻止热游离的继续进行，电弧耗散也随之加快，介质绝缘强度提高，因此气流速度υ与耗散功率P成正比，P=μυ，μ为电弧耗散系数。根据电弧能量方程得到

(1)

式中t为时间。因为

(2)

结合式(1)和式(2)得到超强气流作用下的电弧模型[24-25]

(3)

式中τ为超强气流电弧模型中的时间常数。

使用MATLAB软件中的DEE编辑电弧数学模型公式，在gas模块中设定强气流速度模拟实际开关柜中的超强气体装置对电弧的作用，气流速度大小改变了电弧的热对流、热传导、热辐射效应，从而影响了电弧耗散功率，仿真模型中gas模块的设置符合开关柜中超强气体装置动作的实际情况。子模块封装后可在对话窗口设定模型的多个参数，超强气流电弧模型及封装模块如图5所示。

图5 mayr电弧修改模型Fig.5 Improved mayr arc model

2.3 结果与分析

运用MATLAB/Simulink中的SimPowerSystem库搭建了图6所示的电路，模拟10 kV开关柜内部电弧闪络故障发生时超强气体熄灭工频续流电弧的过程。仿真回路中设置工频电压源幅值为10 kV，系统的相电压幅值8.165 kV。图6中L1表示电源与开关柜之间的电感，取5.8 mH；L2表示开关柜出线模拟线路的电感，取5.4 mH。对于电弧时间常数、耗散功率以及初始电导，由于其值计算较为复杂，选用了一组典型值，分别设置为τ=0.5×10-3s，P=2.9×105W，k=104S，电源频率为50 Hz[26]。

图6 电弧仿真回路Fig.6 Simulation circuit of arc

在不设置gas模块条件下(即没有超强气流作用于电弧，电弧处于自然状态)，通过仿真计算得到的电弧电压、电流波形如图7所示。当gas模块中设置气流速度υ=100 m/s时，得到的电弧电压、电流波形如图8所示。

图7 添加gas模块前电弧电压、电流波形Fig.7 Arc voltage and current waveforms before adding gas module

图8 添加gas模块后电弧电压、电流波形Fig.8 Arc voltage and current waveforms after adding gas module

在一个正弦波周期内，t=10 ms时刻为交流电弧的自然过零点[27]，此时对于交流电弧的熄灭最为有利；但在高电压等级的开关柜中，由于故障电弧内部能量巨大、电场强度大、热电离反应剧烈、空气介质绝缘强度恢复慢等原因，电弧极易重燃，如图7(b)中所示，在t=10 ms时刻后电弧电流开始恢复，其幅值达到了1.5 kA。时间t=10～12 ms时，电弧电压出现短暂的恢复后又急剧下降，如图7(a)所示，表明故障电弧无法自然熄灭，电弧复燃，在相对封闭的开关柜内会烧蚀电气设备与钢材；同时柜内气体不断膨胀，有发生柜体爆炸的危险，对人身安全也存在巨大威胁[28]。

当超强气流横向作用于电弧时，电弧对流传导过程加快，电弧加速冷却，降低了电弧中的电场强度，促进了去游离作用，弧间隙带电粒子减少；同时由于强气流在管内维持时间大于电弧重燃所需时间，电弧能量受到深度抑制。如图8所示，t=10 ms(即半个工频周波)时，电弧电流过零，之后间隙电压迅速恢复至峰值，电弧电流下降并维持在零值，说明电流被切断，电弧熄灭后未重燃。仿真过程中多次改变短路电流初始相位，电弧电流均能在第1次过零点时被截断，理想环境下，熄灭幅值1.5 kA工频续流电弧的时间约2 ms。

3 试验与结果分析

3.1 气流速度测试试验

气体组件触发动作时产生的气流速度大小对电弧熄灭效果影响较大，改变气体组件内部产气材料种类、配比、装药量，或者通过改变气体组件外部机械结构方法改变气体组件破裂的临界气压，这些措施都能得到不同的初始气流速度。为了比较气流速度大小对工频续流电弧抑制的效果，设计了如图9所示的试验电路图。

图9 气流测速试验Fig.9 Airflow velocity test

图9中灭弧管左端为气体组件，在管内距离气体组件出气口5 cm、10 cm分别设置了1段短线路，5～10 cm区间为气流对电弧的主要作用区，因此开关导体也需设置在该区间段。气体组件动作后在管内产生向右喷射的超强气流，短线路会被强气流吹断[29]，不考虑短线路对气流速度的影响。R1、R2为测量电阻，短线路被吹断后，测量电阻上的高电平会变成低电平，2个示波器中电位变化的时间差计为td，计算可得强气流的平均速度υ=l/td， 式中l为2段短线路的间距。

3.2 灭弧试验

试验时将灭弧装置的开关进、出线连接在试验变压器的二次侧，用熔丝代替开关导体，模拟超强气体切断故障回路时在开关导体2处接触点之间的电弧。试验中，工频电弧电流为10 kA，维持时间达200 ms，变压器一次侧交流电源频率为50 Hz。调节试验变压器参数，在熔丝电阻熔断瞬间，气体组件触发产生超强气体，并用高速摄像机观察记录试验现象。在灭弧装置开关进、出线上还并联有电容分压器，电容分压器上设有数字示波器，用来显示并记录灭弧试验波形。

图10(a)—(b)显示了起弧后装置迅速产生强气流；图10(c)—(d)可见强气流与发展中的电弧开始接触；图10(e)中气流接触电弧后剧烈反应，气流强烈作用于电弧中部，通过光热反应加速电弧能量耗散。在t=2.8 ms后，电弧出现弱化直至完全熄灭，此时气流仍然能够继续保持，起到抑制电弧重燃的作用。整个熄弧时长为4 ms，小于继电器动作时长，该灭弧装置能够在断路器动作之前切断故障回路，保护开关柜中设备安全。

图10 高速摄像机拍摄的灭弧过程Fig.10 Arc extinguishing process filmed by high speed camera

图11为灭弧试验波形，图中U1为触发脉冲，U2为工频电弧电压波形。波形图横坐标每小格时长为5 ms，试验中在电弧电压较大的A点的进行触发，最后至B点被熄灭，总共耗时不到5 ms，远小于继保最小动作时限，能成功防止线路跳闸。

图11 灭弧试验波形Fig.11 Arc extinguished test waveform

3.3 建弧抑制效果试验

由大量重复性试验发现，故障电弧切除时间及电弧重燃抑制效果与气流速度大小有很大关系。若装置在一次动作后电弧出现重燃，会继续动作连续触发产气组件，直至电弧完全熄灭。

试验针对10 kV开关柜熄灭开断电弧需求，利用冲击电流发生器进行模拟试验，电弧电流分别设置为5 kA、15 kA、20 kA时，进行多次重复气吹灭弧试验以测试不同条件下的气吹灭弧效果，并记录试验数据。数据中将气流速度为100 m/s作为统计起点，按照统计间隔10 m/s逐步递增统计至500 m/s。每个统计点分别要求对幅值为5 kA、15 kA、20 kA的故障电流进行10次重复性试验，并取其平均值作为对应统计点的数值。为便于分析，表2仅列出了部分统计点的建弧抑制参量。

目前我国继电保护最快动作时间为10 ms。当单次灭弧时间取3 ms时，在单次灭弧中装置连续动作最大次数应为3。装置连续动作时，每次动作灭弧互不影响[30]。根据概率统计理论，装置的有效灭弧率N应为各个动作次数完成灭弧的全概率事件，其表达式为

式中：Pn为装置连续动作至第n次完成灭弧的概率，n≤3；a为单次灭弧成功率。

超强气流作用下故障电弧建弧率

式中：E为灭弧空间平均场强，其值与中性点运行方式有关且波动不大，在实验室条件中取10 kV/m；K为建弧系数，因建弧过程与灭弧过程互为对立，在超强气流作用下K=1-N。

表2中记录了3种大小不同故障电流、不同气流速度下的建弧率及灭弧率，并用MATLAB进行了数据分析，得到了气流速度与建弧率之间的关系曲线，如图12所示。

表2 不同条件下的灭弧效果Tab.2 Arc extinguishing effects under different conditions

图12 气流速度与建弧率关系曲线Fig.12 Relationship curves between air velocity and arcing rate

由图12、表2可知，当开关柜内闪络电弧电流一定时，气流速度越大，建弧率越低，灭弧率越高，熄弧效果越好；当气流速度一定时，随着电弧电流的增大，电弧输入功率增大，电弧具有的能量更大，建弧率随之提高，灭弧难度也更大。试验结果分析可知，为了达到理想的灭弧效果，必须保证足够强大的气流速度，这就要求我们采取多种对气体组件的增压方法，增大初始气流速度，提高装置的灭弧能力。

4 结论

a)超强气流切除开关柜内故障电弧方法是一种新型、快速、有效、可靠的灭弧方法，灭弧能力强，灭弧速度极快，回路电流突变瞬间就将故障切除，能够消除柜内的接地短路电弧和相间闪络电弧，不会造成电气设备的故障，同时消除了短路电流带来的设备高温及电动力损害。

b)基于高速气流作用电弧的原理，利用MATLAB对mayr电弧模型作了修改，增加gas模块模拟高速强气流，强气流作用下交流电弧在自然过零点处便开始熄灭，未出现重燃。

c)通过建弧抑制效果试验可知，电弧电流越大，建弧能量越高，提高气流速度对电弧熄灭更有利；灭弧试验结果显示，在10 kA的工频电弧电流下，超强气流可在4 ms内熄灭工频续流电弧。仿真环境与试验环境存在一定误差，但两者的灭弧时间均小于弧光保护及继电保护响应时间，可靠地保护了开关柜设备及人身安全。