赵东方　肖洋　姚松彪

摘要：社会与国家在进步，发展离不开建设更离不开电力系统的支持。经济活动的深度与广度在不断增大，中压开关柜是我国电力系统的核心部分，但其改进速度远滞后于经济发展的速度，因此在生产过程中较容易出现中压开关柜内部故障问题。我国相关电力部门人员应当重视中压开关柜的内部问题，从源头上出发避免故障电弧带来的危害，促进有关行业持续稳定的发展。

关键词：内电弧故障;保护措施;快速灭弧柜

1 概述

开关柜是电力系统中必不可少的构件之一，也是容易出现故障的主要构件。从电力学的角度分析，当电力系统的内部电弧出现故障时，电压与电流会在短时间内出现大幅度的变动，一般情况下故障电弧电流及电压的波形会变为正弦与斜顶梯形波。不仅如此，电弧出现故障后，电力系统会出现短路的情况，电流短时间内激增，电压顶部随之倾斜。从能量守恒的角度分析，短时间内电压迅速增多会导致电能转化成为内能，且转化率较高。电力系统内部是一个相对封闭的空间环境，电弧能量难以及时释放，因此较易出现气体爆炸的故障现象。开关柜质量不达标会造成柜门承受不住爆炸力度，最后柜内原件破坏，周围工作人员的生命安全受到威胁。电弧故障导致的开关柜爆炸是电力系统常出现的安全事故，事故本身不但导致区域范围内停电现象，影响人民群众的生产和生活，而且对工作人员的生命造成较大的威胁。

2 内部电弧的危害及防护措施

开关柜内部故障电弧燃烧期间产生的电弧效应包括压力效应、热效应、辐射及声效应。在这四种效应中压力效应及热效应尤为突出，其危害主要表现在造成现场工作人员的伤害和对开关设备及邻近配电设备的损害。开关柜内部发生电弧故障时，弧光发生点的温度高达20，000oC，为太阳表面温度的4 倍，如此高的温度将在短时间内造成电缆烧毁，铜排铝排熔毁气化，造成人员伤亡（触电、皮肤烧伤、刺伤眼睛、碎片飞射损伤等），柜内污损。电弧燃烧时释放的能量巨大，高温对空气加热而膨胀，金属气化时体积膨胀67，000 倍，从而使柜内压力急骤上升。它产生的压力相当于爆炸产生的能量会使开关柜体变、破碎，波及邻近设备，甚至造成“火烧连营”事故。为了最大限度地保护人员和设备免受故障电弧的损害，目前采取的措施分为消极防护措施和积极防护措施。消极防护措施是通过加强开关柜的结构来限制故障电弧产生的各种效应，如加强开关柜的结构、密封隔离各单元室、设置压力释放板压力通道等。这种措施在一定程度上减少损坏程度，同时增加很大的设备投资（依赖于其耐受电弧及耐受时间）。积极防护措施是指，通过保护系统及时检测开关柜内的故障电弧，并尽可能快的速度切除，如能在电弧开始阶段就切断电弧，大大减少故障电弧的能量，限制了开关设备的损坏。目前，常用的积极防护措施有两种：一种是通过常规继电器检测故障，驱动上游侧断路器动作切除故障，需要100 至200 毫秒的时间;另一种是通过弧光保护继电器检测，驱动上游侧断路器动作，切除燃弧故障平均所需时间在100 毫秒左右。

3  新型UFES快速灭弧器

新型快速灭弧器是一种积极防护措施，主要包含两部分一是检测部分一是动作部分。要做到快速灭弧就需要从这两个方面考虑：检测故障要快、动作要快。ABB 生产的UFES 快速灭弧器就将快速光纤检测与快速动作有机结合在一起，由一次主元件PSE 和检测控制装置QRU 两部分组成。是一种特别的安全措施，类似于汽车的安全气囊。UFES 快速灭弧器一次主元件PSE 是ABB 真空泡（20 多年运行经验）与ABB 限流器（50 多年运行经验）两种技术的创新组合，其动作原理是在内部电弧发生时将系统三相短路并接地，快速熄灭电弧。鉴于其设计的特殊性，微型气体发生器驱 动其缸内活塞超快速动作（动作时间小于1.5ms），在故障电流第一个1/4 周波内完成动作，避免开关柜系统承受故障峰值电流，从而 大大减少了设备维修成本及停电时间，提高了系统的可靠性，保证了设备工作人员的安全，无论开关柜是否具备内电弧防护能力，也 无论开关柜是在运行情况或维修/ 维护状况时。UFES 快速灭弧器检测控制装置QRU，集测量、逻辑判断与动作出口于一体，通过探头式光纤（设置于每个高压隔室）独立精确地检测电弧故障的位置，通过电流输入口的电流检测作为判据以提高动作可靠性，实时、完善的自检功能及测试模式确保设备正常可靠。从故障检测到装置出口仅需1ms，为系统快速灭弧提供了保障。QRU1 有9 路光纤输入口，同时可以通过TVOC 可扩展45 路光輸入口，为系统安装配置提供了方便。UFES 快速灭弧器通过检测控制装置QRU 检测到弧光信号后将信号通过光纤传输至UFES 一次主元件PSE，一次主元件 PSE 内的微型气体发生器快速动作，使系统短路并接地熄灭电弧。UFES 快速灭弧器的设置是以母线为单元，通常一段母线只需设置一套，一套UFES 可以为17 面开关柜（每面开关柜按三个高压隔室计算）提供保护。无论是新采购开关柜还是现有开关柜，均可适用，特别是对于旧型号、不具备内电弧防护等级的开关柜系统，UFES 快速灭弧装置会更好地为操作人员安全提供保障，满足标准IEC62271 - 200 中的防护要求。对于新生产的开关柜，随着制造水平和制造工艺的提高，满足内电弧防护等级标准要求已非常普及，但内电弧的防护等级是在开关柜关门的情况下，如设备在检修或维护 时需要打开柜门，是无法达到该要求的。为保障操作人员的安全，建议新柜上同样考虑配置快速灭弧器，亦如好车配有安全气囊一样。对于已在现场使用的开关柜，尤其是不具备内电弧防护等级要求的开关柜，有两种非常简单的通用方案适用于中压空气绝缘柜：固定式和手车式服务单元。如系统中有备用柜，可以选用手车式，主回路部分仅需将断路器手车移出将快速灭弧 器手车移入，不需要作任何额外改动即可投入使用，缩短了系统停电时间。对系统中没有备用柜时，建议采用固定式服务单元，可根 据现场实际情况安装于侧面或顶部。当然也可以增加一台带快速限流器的开关柜或改造现有柜达到同样目的，这需要根据系统的实际 配置情况，成本预算及停电时间等等进行综合评估后确定。UFES 快速灭弧装置主元件结构原理的特殊性，其动作寿命只有一次，执行完成后需更换主元件，一般安装时均会考虑方便更换。针对常规系统如单母线分段方式，建议两段母线各配置一套UFES 快速灭弧器的同时备一套主元件以便需要时能及时更换，提高系统 的利用率，减少停电时间。

4 结语

实际运行中，尽管采取了各种加强开关柜的措施，但开关柜内电弧故障仍时有发生。虽然概率不高，但却是不能完全排除，一旦发生会给附近操作人员和设备造成极大危害。通过加强开关柜的结构可以限制一定的危害;通过保护设备可以以最快的速度将故障切除，将电弧故障保护造成的损害降到最低，尤其是新型快速灭弧器超快速动作使操作人员和开关设备免受内电弧的影响。

参考文献

[1] 方徐俊.  智能变电站中压开关柜智能化解决方案[J]. 中国新技术新产品. 2018（22）

[2] 曾艺，赵嘉，黄文豪，罗麟.  中压开关柜远程智能驱潮除湿装置的研制及应用[J]. 机电信息. 2019（02）