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开关柜内部电弧故障分析及防控措施

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王超王冰冰陈嵩邵昱

摘要：电弧是一种能量集中、亮度很强、温度很高的气体放电现象，由开关柜内部故障电弧引发的事故是电力系统实际运行中常见的严重故障之一，可使故障所在开关柜及相邻开关柜爆炸烧毁、10 kV母线被迫停电，造成重大的经济损失和不良的社会影响。本文分析了开关柜内部电弧的产生原因及危害，并结合实例深入分析了一起110 kV变电站由电弧引起的事故扩大原因，最后对今后开关柜内部电弧故障提出几种防护方法，为避免类似情况再次发生提供参考。

关键词：开关柜;电弧故障;防护

中图分类号：TM591文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）29-0055-04

Abstract： Arc is a gas discharge phenomenon with concentrated energy， strong brightness and high temperature， the accident caused by the internal arc fault of the switch cabinet is one of the common serious faults in the actual operation of the power system， which can cause the switch cabinet where the fault is located and the adjacent switch cabinet to explode and burn， and the 10 kV bus is forced to cut off， causing significant economic losses and adverse social impact. This paper analyzed the causes and hazards of arcs in the switchgear， and analyzed the reasons for the expansion of an accident caused by arcs in a 110 kV substation in depth with an example， finally proposed several protection methods for the internal arc fault of the switchgear in the future， which could provide reference for avoiding the recurrence of similar situations.

Keywords： switch cabinet;arc fault;protection

电弧是一种能量集中、亮度很强、温度很高的气体放电现象，是指电流通过某些绝缘介质（如空气）时产生的瞬间火花。电弧一旦形成，所需维持电弧稳定燃烧的电压很低，且电弧质量很轻，容易变形[1]。金属封闭壳体内的故障电弧能够在短时间内形成高压力和高温，其产生的影响和破坏程度与壳体大小、短路电流大小、电弧电压及电弧持续时间有关。由开关柜内部故障电弧引发的事故是电力系统实际运行中常见的严重故障之一，若无法得到及时切除，会造成灾难性的后果，可使故障所在开关柜及相邻开关柜爆炸烧毁、10 kV母线停电，造成重大的经济损失和不良的社会影响[2]。

1 开关柜内部故障电弧产生原因及危害

开关柜中内部电弧故障可以用压缩、膨胀、发射和热效应4个阶段来描述[3]。发生故障时，电弧温度可达2×104 ℃，燃烧的电弧引起空气膨胀，在开关柜内部产生巨大压力[4]。10 kV开关柜内部短路故障电弧产生的热效应（电弧能量）呈指数规律上升，如图1所示。故障电弧持续时间超过100 ms，会引起电缆燃烧;超过150 ms，会引起铜排燃烧;超过200 ms，开关柜外壳的钢板也开始燃烧，开关柜设备有爆炸危险。电弧燃烧同时会产生大量有害气体，造成进入人员呼吸系统伤害，相邻开关柜也可能受冲击损坏，甚至引起10 kV高压室火灾，扩大故障范围。

数据统计显示，开关柜内部电弧事故发生在操作人员在打开的设备门前面时占65%，发生在操作人员恰好在关闭的设备门前面且设备不具备耐电弧性时占10%，发生在操作人员不在场且设备不具备耐电弧性时占25%[5]。伴随事故产生的危害有热灼伤、飞溅物、强光、电击、熔融金属和有毒气体等[6-8]。

2 某变电站开关柜电弧故障分析

2.1 故障现象

2019年6月10日，某变电站1021开关跳闸，其10 kV II母I、II失压，并伴有火灾告警，同时通信中断，该站10 kV高压室平面布置如图2所示，运行方式如图3所示。运维人员到达后发现高压室有浓烟，与消防队员进行第一次扑救，确认无明火后离开。2 h后，10 kV高压室烟雾加重，检修人员和消防队员进入10 kV高压室进行扑救，与此同时1#主变跳闸，10 kV I段母线失压。

经开仓检查后，发现34板烧损严重，其断路器A相上触臂对母线仓下封板有明显放电痕迹，如图4所示，断路器三相下觸臂断裂、B相真空泡破裂，如图5所示，电缆仓CT烧蚀掉落至柜体底板，仓内电缆头至三指套绝缘部分已全部烧毁，内部导体光滑，未见明显放电痕迹;10 kV I母PT柜B、C相母线对后仓壁有放电痕迹，如图6所示;101开关手车下触臂三相已全部烧断，A相上触臂已烧熔，A相触头盒固定板存在明显放电痕迹，如图7所示，保护动作过程信息如表1所示。

2.2 原因分析

经排查，本研究发现了接地点故障原因：34板A相上触头因弹簧弹力下降或静触头接触不良引起发热，发热造成A相上触头盒绝缘下降，多次放电并复原，接地电弧引发三相短路对母线仓C相主母线、下母线仓板、断路器三相下触臂及B相真空泡放电，短路电弧致使三相下触臂断裂、B相真空泡破裂，1021跳闸，10 kV II母失压。

电弧弧根温度可达20 000 ℃，由于10 kV II段三相短路引发的电弧从持续到熄灭的过程中，柜内金属和绝缘材料都被侵蚀，经多次融化和扩散，形成的有毒烟雾和熔融金属蒸汽通过10 kV I段母线仓上部母线桥散热孔进入15板、16板和101，造成16板、101A相上分支母排对A相触头盒固定金属板放电，B、C两相电压幅值升高到[3]倍，进而引发充满粉尘的15板内B、C相母线接地，构成三相短路，101跳闸，I母失压，此时短路电弧已将101A相上触头盒及相邻绝缘护套点燃，4 s后火势蔓延至101开关手车A相下触臂，引发手车下触臂三相短路，短路电弧将开关手车三相下触臂烧断，1#主变高后备保护动作，出线1开关跳闸，1#变失压。

后经深入排查，确定事故初始原因为一条10 kV馈出线发生A相接地，系统非故障相电压升高为线电压并对系统产生扰动。通过消弧线圈装置信息及保护录波可以看出，金属性接地故障电流中存在很高的直流分量，且持续时间长达250 s，故障电流直流分量流经PT相当于线圈短路，会引起PT线圈严重发热。在电压突变过程中，该站10 kV母线PT高压线圈非接地两相B、C相的励磁电流突然增大、饱和，饱和后的PT励磁电感变小，由此构成相间串联谐振，产生过电压。与此同时，感抗下降使得励磁回路严重饱和，励磁电流远超额定值，导致铁芯剧烈振动。电压互感器在大电流下运行，自身温度迅速升高，铁芯严重发热，最终导致PT本体烧损。

PT本体烧损后，烟尘及火焰蔓延引发ABC三相弧光短路，3#变低复压过流I段保护动作跳开103开关，导致该站10 kV II母II段、III母失压，造成事故扩大。

3 电弧故障防护方法

3.1 增加常规停电检测手段

针对本文事例中暴露出的断路器触头发热问题，建议在常规停电例试时增加开关柜全导电回路电阻检测、开关柜电晕检测两个试验项目。开关柜全导电回路电阻检测通过200 A大电流检测开关柜自母线到出线电缆全导电回路的电阻，可以有效发现开关柜内可能存在的接触不良、连接松动等导电缺陷;开关柜电晕检测是采用脉冲电流法对整段开关柜进行局部放电检测，可以有效发现开关柜内可能存在的连接部位虚接、绝缘介质强度下降、柜内存在导电杂质等绝缘缺陷。通过这两项试验，进一步强化开关柜停电检测的效果。

3.2 尝试开关柜快速灭弧器

快速灭弧器是主动型电弧故障保护设备，能显著降低电力系统发生电弧事故时产生的高温及电动力对设备的破坏。与系统仅使用传统电流保护相比较，配套此类电弧故障的保护设备由一次主元件和检测控制装置组成，检测控制装置在2 ms内能可靠地检测到故障弧光及故障电流信号，一次主元件收到动作指令后在1.5 ms内动作，通过将一次系统的三相主回路短路并接地，使故障处电弧电压瞬间下降至零，从而快速熄灭故障电弧，降低电弧故障造成的破坏。

3.3 试点开关柜在线局放监测

目前，在电力变电设备领域，脉冲电流法是普遍认可且广泛使用的一种局部放电量测试方法，其结果以pC为单位，属于定量性质的测量，能客观反映电气设备的绝缘状态及缺陷。以后可以利用高压开关柜带电显示装置的绝缘子式电容传感器进行在线局部放电监测，通过配套传感器將监测结果传输至手机终端，实时监测开关柜运行状态。

3.4 改进设计

当电力系统开关柜出现故障电弧时，可应用自动保护装置，迅速切断开关柜与其他电力设备的连接，防止影响扩大。加强机械设计防护，尽量减少隔室与带电元件的接触，防止故障时高温气体大范围扩散[9]。

4 结论

由开关柜内部故障电弧引发的事故是电力系统实际运行中常见的严重故障之一，其破坏力强、影响范围广，应尝试多种防护措施降低其不利影响，最大限度保护工作人员和其他电力设备的安全。本文结合某变电站事故，对开关柜内部电弧故障进行分析，说明其产生原因及影响，同时提出了几种实际中切实可行的防护方法，为避免类似情况再次发生提供参考。

参考文献：

[1]蔡彬，陈德桂.中压开关柜中内部电弧故障的计算方法和防护措施[J].高压电器，2003（1）：10-13.

[2]田有文，赵龙，高长亮，等.二次变电站中低压开关柜弧光故障分析研究[J].沈阳农业大学学报，2013（3）：253-356.

[3]M Wactor，T W Olsen，C J Ball，et al.Strategies for mitigating the effects of internal arcing faults inmedium-voltage metal-enclosed switchgear[C]//Transmission & Distribution Conference & Exposition.2001.

[4]田广青.电弧光保护及其在中低压开关柜和母线保护中的应用[J].电工技术杂志，2004（1）：27-30.

[5]李渊，淡淑恒.开关柜内部故障电弧危害及其防护综述[J].高压电器，2018（7）：73-78.

[6]Doan D R，Slivka J K，Bohrer C J，A summary of arc flash hazard assessments and safety[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2009（4）：1210-1216.

[7]Finke S，Koenig D.Recent investigations on high current internal arcs in low voltage switchgear[C]//Conference Record of the 2002 IEEE International Symposium on Electrical Insulation.2002.

[8]Mike L，Ken J.Exposed to the arc flash hazard[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2015（1）：51-61.

[9]陈顺利.开关柜内部故障电弧的探讨[J].中国新技术新产品，2018（7）：33-34.

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