中压开关柜内部弧光短路故障的危害及防护措施

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　　1． 引言

　　近年来,中压开关柜由于各种原因发生内部故障而被严重损坏、有的甚至发展成多组开关柜同时烧毁的“火烧连营”的事故；而主变压器由于遭受外部短路电流冲击损坏的事故也逐年增加，据统计，全国110kV及以上等级变压器因外部短路故障造成损坏的事故已达到事故总数的50%以上。此外，开关柜内部弧光短路故障还可能波及站用直流系统发展为系统故障。这些时有发生的事故严重威胁着配电系统的安全经济运行，已引起国内电力部门的高度重视。[1-6]

　　实际运行经验表明，由于造成开关柜内部故障的原因很多，尽管采取了各种加强开关柜的措施，但由于开关柜弧光短路故障及引起的电力设备损坏仍时有发生。所以，除了严格保证开关设备的制造质量、按照相关规程进行正确维护和操作以外，还必须配置快速动作的保护装置，一旦发生内部弧光短路故障能快速切除，最大限度的保护设备和人员免受严重伤害。

　　本文首先简要说明中压开关柜的产生内部弧光故障的原因及故障特性；然后介绍开关柜内部弧光故障的危害及防护措施；最后提出对开关柜内部故障保护的中低压母线保护的要求，并介绍一种新型的电弧光中低压母线保护系统。

　　2． 中压开关柜内部弧光短路的故障特性

　　2．1 弧光短路故障的形成

　　1） 引起开关柜内部弧光短路的原因[1，2，8]

　　引起开关柜内部弧光短路故障的原因很多，例如结构设计不合理、制造质量不佳、设备材料绝缘老化、机械磨损、运行条件恶劣（高温、潮湿、污秽、化学侵蚀等）、用户维护不当和误操作、外力因素（小动物的进入、工具等外来物件遗漏在开关柜内等）、电网结构的改变（系统容量增大、接地方式的改变、电缆应用的增多、系统谐振过电压、保护及自动装置配置不当等）等等。因此，尽管开关设备发生内部弧光故障的概率不高，但却是不能完全排除的。而一旦发生开关柜内部弧光短路，会给附近操作人员和设备造成极大的危害。

　　2.2  电弧形成的四个阶段

　　中压开关柜内部弧光故障的形成，将经历以下四个阶段：[7]

　　第1阶段，即是压缩阶段，持续时间约5~15ms。在这一阶段温度上升，并产生动态压力波。

　　第2阶段，即是膨胀阶段，持续时间约5~15ms。在这一阶段短暂的时间内，因燃弧区和周围空气之间存在压力差，开始产生气流。

　　第3阶段，即是辐射排放阶段，这一阶段可能持续几百毫秒。在这一阶段由于电弧能量继续输入燃弧点，产生空气流、气流和微粒流。这种强力高速气流的热量及所带的炽热微粒，内部电弧开始形成对外部的影响。

　　第4阶段，即是热效应阶段，亦即为燃弧的最后阶段，它持续直至电弧熄灭。在这一阶段最终包围短路电弧的空气几乎达到电弧的温度。从这一阶段开始，大部分燃弧能量作用于开关设备的固体零部件。此时开关设备有烧穿的危险。故障清除后，这一阶段随之结束。

　　2.3 电弧的故障效应[7，8]

　　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（燃烧）效应、辐射和声效应，如图1所示。这些电弧效应将损害开关设备，并可能对附近的工作人员造成伤害。

  

图1. 故障电弧效应及危害

　　2.3.1 压力效应

　　燃烧的电弧将周围的空气加热，引致空气急剧膨胀，并在开关柜内部产生巨大的压力。

　　在最坏的情形，开关柜的门可能被炸开，不牢固的开关柜侧板、顶板以及建筑物的墙由于压力可能会倒塌。此外，所产生的压力也会使某些不牢固的或独立的部件从开关柜中抛出，对附近工作人员造成伤害。

　　在新的设计中已考虑到开关柜在能承受较高的压力。在试验中，测量的压力已超过120 kPa (1200kg/m²) ，它是通过压力释放阀或开口来达到这一压力耐受能力的。

　　2.3.2 热效应

　　电弧的热（燃烧）效应作用于电极、柜门、柜壁以及母线上。在这些地方，燃烧的气体和热粒子爆发到外界环境中去。

　　燃烧的电弧将使电极材料熔化和蒸发。部分熔化的材料在周围飞溅，其中一部分与空气混合。作为电弧燃烧持续较长时间的地方，电极将最大程度地遭受这些热点的作用。电弧的燃烧效应可能切开母线和导线，在门、墙或天花板上燃烧成洞，设备可能受到毁坏。除了电弧本身的燃烧效应以外，电弧可能引致建筑物材料或电缆火灾。

　　灼热的气体、甚至是燃烧着的气体可能从开关柜中爆炸而出，引起设备损坏或人员伤害。由于灼热气体的热辐射，站立在附近的工作人员的衣物可能着火。电弧燃烧所产生的气体也可能有毒的，因为它们可能包含例如象一氧化碳、铜或铝的蒸气。

　　2.3.3 辐射和声效应

　　来自电弧的直接辐射一般不会对人员产生直接的危险。这是因为辐射水平低于危险水平（25W/cm²）。然而，电弧燃烧所以产生的明亮的光可能引起暂时性的失明，它连同大的爆破声效应可能引起工作人员休克，而这也将增加伤害的危险性。

　　3．开关柜内部弧光短路故障的危害

　　开关柜发生弧光短路故障的产生的危害，主要表现在造成现场工作人员的伤害，对开关设备及邻近配电设备的损害这二方面。

　　3.1 弧光短路故障对人员的危害

　　弧光短路所释放的巨大的能量所产生的各种电弧效应，会对附近的工作人员造成严重的伤害。例如感应电压会侵害人的肌肉、神经，电弧燃烧产生的高温气体会使人的皮肤严重烧伤，强烈的闪光会刺伤眼睛、连同爆破声造成暂时性失明，爆破性压力冲击波会造成在高空工作的人员坠落、碎片的飞射将损伤人体，爆破性的声音会造成人的耳膜、内脏震损，电弧燃烧所产生的有毒气体会伤害人的呼吸系统等。

　　值得一提的是，在开关柜故障中，除了明显的触电死亡和身体电击的危险外，另一个可能更敏感的危险是电弧的热效应对人的伤害。之所以说敏感，是因为故障电弧产生很大比例的辐射热能，而它是人眼所看不见的，它可能造成皮肤的二度和三度烧伤，它对人的伤害是严重的、甚至是致命的。

　　典型事故1：2000年4月，广东某供电局在一变电站进行检修对某10kV出线进行切换操作时，由于违章操作和开关柜内联锁功能失效，在带负荷拉开该带电线路的线路侧刀闸时产生弧光短路故障，故障电弧效应将该线路柜后门冲开，将拿地线到停电线路柜后面的一位检修人员灼伤。

　　典型事故2：2002年9月，河南某供电局在220KV变电站在进行检修时，配电房进线柜内部故障发生爆炸，在附近的6名工作人员被电弧火球烧伤，配电房外一变压器因短路烧毁，变电站停电，事故造成该市部分地区大面积停电1小时。

　　为了最大限度地保护人员免受故障电弧的伤害，一方面，保护系统应以尽可能快的速度切除故障，比如如果在电弧排放阶段开始时就能切断供给燃弧点的短路电流的话，故障电弧释放的能量将大大减少，从而也大大降低电弧效应对人员的伤害。另一方面，运行操作人员在开关设备附近工作时，通过评估现场故障电弧可能造成的伤害的工作条件，穿戴合适的个人防护装备(防护手套、防护外套、防护面罩及防护眼镜等)也可对工作人员提供相应的保护。采用个人防护装备的目的，是在发生电弧故障时为工作人员提供逃离的时间，并减少电弧热效应的烧伤程度，从而增加了事故受害者的生存机会。

　　3.2弧光短路故障对设备的损害

　　3.2.1 概述

　　开关柜内部发生弧光短路时，弧光发生点的温度是35，000°F，为太阳表面温度的4倍。如此高的温度将造成铜排、铝排熔毁和汽化，使电缆熔毁、电缆包覆层着火，并造成柜内污损、保护漆焚毁、清理困难。此外，高温、高压气体还可能以极快扩散到相邻盘体，从而造成多组开关柜同时烧毁的“火烧连营”事故。

　　电弧燃烧时释放的巨大的能量，高温对空气加热而膨胀，而铜排气化时，体积膨胀67，000倍，从而使柜内压力急骤上升。它产生的爆破压将造成开关柜盘体变形、破碎。此外，电弧燃烧产生的爆破音将造成盘内强烈震动、使固定元件松脱。

　　开关柜内部弧光短路，往往不仅损坏开关设备本身、在某些情形造成“火烧连营”重大设备损坏事故，而且在故障持续期间巨大的故障短路电流往往对昂贵的主变压器或厂用变造成冲击而使其绝缘损坏、寿命缩短，甚至被烧毁。此外，它还可能波及站用直流系统发展成系统性故障，造成巨大的经济损失。

　　3.2.2 造成“火烧连营”事故

　　中压开关柜发生内部电弧故障，由于电弧能量释放巨大的能量造成的各种电弧效应，除了造成起弧开关柜本身严重损坏外，往往还波及到邻近的开关设备，甚至造成多组开关柜同时烧毁的“火烧连营”事故。发生这种事故后抢修恢复困难，无论直接损失还是间接损失都很大，造成极其深远的影响。

　　典型事故3：1998年4月，内蒙古某变电站10KV I段某开关柜内部突然闪络，引起母线故障，并造成“火烧连营”事故，致使相邻五个间隔设备烧损。事故使该变电站10KV四段母线对外全部停电，10KV I段母线对外停电7天才恢复送电。事故直接损失达30多万元。

　　典型事故4：1999年10月，广西某变电站10KV开关柜的真空断路器在投切电容器中发生爆炸而引起“火烧连营”的事故，烧毁开关柜4台。经济损失达30万元。

　　中压开关柜故障引发的母线故障被发展扩大的最根本的原因，就是因为没有专门的快速母线保护，使母线故障由延时较长的变压器后备过流保护来切除；在故障持续过程中，产生的电弧引发其它部位的故障。电弧的燃烧效应还会点燃开关柜的器件引起火灾，大面积烧毁配电设备，同时变压器受到短路电流的冲击而可能损坏。如果配置有专用快速母线保护，在故障发生后立即动作，在电弧刚燃起时就快速切除故障，则开关设备可避免被烧毁、变压器受到的冲击也大大降低，同时可快速恢复供电，使损失减到最小。

　　3.2.3 造成主变压器/厂用变损坏的事故

　　自上世纪90年代以来，我国110KV及以上的变压器因外部短路引起损坏的事故逐年增加，1990 ~1991年所占的比例还在10％以下，1992~1995年平均以每年10％左右的速度增长，到1996年已达到50％。根据1995~ 2000年的统计数据，110KV及以上变压器全国共有316台损坏，其中因短路损坏的变压器达136台，占全部事故的44%。而实际数字还要高，因为上述数字还没有包括因误操作、绕组变形累积引起的绝缘事故。

　　因外部短路引起故障的变压器大多损坏严重，特别是变压器低压出口短路形成的故障一般需要更换绕组，严重时可能要更换全部绕组，从而造成十分严重的后果和损失。有的因变压器的损坏还扩大成为系统事故，造成巨大的经济损失和社会影响。

　　造成变压器损坏有多种原因，比如变压器本身的动热稳定性能差、系统的扩大后引致的短路容量的增加、运行维护操作薄弱环节等，但国家电力公司发输电运营部提供的调查报告认为，继电保护不完善也是造成变压器损坏的重要原因之一。

　　国家标准中规定110KV及以上电压等级的变压器的热稳定允许时间为2s，动稳定时间为0.25s。但实际上很多变压器的保护动作时间大于此规定值。比如，一台220KV、120MVA变压器低压侧出口短路持续时间可能达2.45s，大于变压器的热稳定时间2s，离变压器的动稳定时间0.25s要求相差的更远。所以，万一发生中低压母线或近区故障，巨大的短路电流流过变压器对变压器的动稳定和热稳定都将构成严重的威胁，可能造成变压器的绝缘损坏、寿命缩短，甚至被烧毁。 

　　典型事故5：1999年3月，某电厂6kV厂用电A段上3a磨煤机断路器b相由于动触头拉杆端部绝缘老化，对本体放电形成单相弧光接地，并发展为断路器下部与底座之间三相短路的母线故障。6kV母线最大故障电流达24000A以上，由于3号高压厂用变已经过多次短路电流冲击，这次再承受20000A以上的电流达0.5s之久（时限速断动作时间整定为0.4s，断路器固有的分闸时间0.1s）而损坏，变压器瓦斯保护、差动保护、高压侧过流保护动作，使机组解列。事故造成3A磨煤机断路器烧毁、3号高压厂用变损坏，3号机组事故跳闸。

　　典型事故6：2001年8月，广东某110KV变电站因遭受雷击，某10KV馈线避雷器爆炸，0.2秒电流速断保护动作开关跳闸，2.0秒该开关自动重合闸，过0.75秒后该开关再次跳闸，再过2.23秒变压器复合电压过流保护动作，跳110KV分段开关。与此同时，２号主变压器瓦斯继电器动作，跳主变高低侧开关，事故过程保护动作一切正常。事故后现场吊罩检查发现变压器低压侧B相绕组中部严重变形，造成匝间短路，A、C相绕组也存在幅向变形。

　　目前针对变压器穿越性短路电流的过流保护的动作时间过长，远大于变压器的允许时间，不能满足保护变压器动稳定和热稳定的要求，迫切需要改善变压器保护，使变压器的保护动作小于变压器的允许动稳定时间0.25s。为此，为了避免变压器遭受外部短路电流冲击而损坏，国家电力公司提出了以下针对保护配置以及开关柜管理方面的部分预防措施包括：

　　1）本着“保设备”的原则，对变压器继电保护进行改造完善。使之满足变压器保护动作的时间小于变压器承受短路能力的持续时间。

　　2）变压器中低压侧加装相间电流限时速断保护，其电流整定值与时限均与出线电流速断配合。对于重要变电站加装母线保护。

　　3）加强开关柜管理，防止配电室“火烧连营”。

　　3.2.4 波及站用直流系统发展为电网事故

　　在开关柜发生内部弧光短路故障时，故障点处的电弧光很容易波及到周围的直流电缆或保护用的端子排，从而引发直流系统故障，甚至直接损坏二次设备。失去直流电源的后果，一方面造成当地保护装置而不能及时动作以切除故障，致使主变压器长时间流过短路电流而被烧毁；另一方面只能靠越级由远方跳闸切除当地故障而使事故进一步扩大为系统事故，从而造成巨大的经济损失。

　　典型事故7：1999年11月，江西某220KV变电站的一个10KV开关柜的电缆头发生三相短路，开关在分闸过程中由于遮断容量不足发生爆炸，造成“火伤连营”事故，烧毁10KV开关柜8台。开关柜爆炸起火后引起柜内直流信号电缆短路，造成高压室直流系统控制保险熔断，全站信号电源消失。1号主变保护失去直流工作电源不能启动而不能跳开三侧开关，引起事故扩大，导致5个110KV变电站失压，地调小水电、小火电与系统解列。

　　典型事故8： 2000年6月，湖北某电厂由于B磨开关中B相真空灭弧室破裂对合闸线圈放电，开关柜烧毁。高电压窜入220V直流系统，220V动力回路电源保险熔断；而开关二次插件端子的击穿又将高压引入直流110V系统，110V控制回路电源保险炸毁，最后导致发变组保护C屏的出口插件烧毁而引起停机。事故造成直接损失13万元，少发电5025万kWh。

　　4. 弧光短路危害的防护措施

　　4.1消极性防护措施

　　采用消极性防护措施的目的，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、设置释放板和泄压通道等。采用这种措施在一定程度上能减少损坏程度；另一方面，如果要采用通过加强结构的方式来较大地提高开关柜的燃弧耐受时间的话，则需要增加很大的设备费用。

　　4.2积极性防护措施

　　采用积极性防护措施的目的，是及时检测开关柜内部产生的故障电弧，并将电弧快速加以消除。例如采用专用中压母线保护来快速切除弧光短路故障，从根本上限制故障电弧的发展，消除其各种效应对设备和人员的危害。如果中低压母线保护能在开关柜耐受燃弧时间以内切除故障的话，将最大限度地限制弧光故障对开关设备的损坏；从另一方面看，限制了开关设备的损坏，即阻断了故障发展的可能性，从而可避免主变压器长时间遭受短路电流的冲击而损坏，同时也可防止故障电弧波及站用直流系统而发展成系统故障。这也是目前迫切需要采取的最有效的限制弧光短路故障造成开关设备烧毁及变压器因短路电流冲击而损坏的防护措施。

 

　　5. 开关柜弧光短路故障对保护系统的要求

　　5.1 中压开关柜内部电弧耐受时间故障防护标准[7，8]

　　中压开关柜发生内部电弧故障释放的能量是很大的，其总能量取决于短路电流大小、故障电弧燃烧的时间、同时燃烧的电弧的数量等因素。在一条短时耐受电流为25kA和电弧电压约为600V的20kV电力系统中，故障电弧释放的能量为40.5MJ。这一能量能在1秒内可使15.6升水蒸发掉，或使42公斤的铁熔化。

　　在中压开关柜中，国外一般采用IEC298中附录AA中指定的100ms的内部电弧额定时间作为电弧故障防护标准，它指的是开关柜可以承受的内部电弧燃烧时间。也就是说，发生开关柜内部故障时保护动作切除故障的时间在100ms以内的话，对开关设备及附近人员的损害限制到最小。图2为电弧燃烧产生的能量与电弧燃烧时间的关系曲线，图中也标出通过试验得出的电弧燃烧持续时间对某些开关设备部件的损坏程度。

　　国外著名厂家生产的中压开关柜，一般都进行内部电弧试验，并在产品样本中提供这一性能指标。国内的开关柜，一般采用等效IEC298的GB3906、DL404等标准生产的，但在产品样本中一般没有列出内部电弧额定时间这一指标。在国外，在用户提出要求高于100ms的内部电弧耐受时间要求时，一般由用户和生产厂另行商定解决。当然，这将增加开关柜的费用。根据国外的应用经验，将内部电弧故障额定值从100ms增加到200ms，开关柜的成本增加10%；但如果将该指标增加到1秒，则开关柜的成本将增加100%。

　　5.2 现有保护系统存在的问题[9，10]

　　现有的针对开关柜内部弧光故障（相当于母线故障）的保护，国内普遍采用变压器后备过流保护作为主保护，由于过流保护为了保证其选择性，其动作时限需要按照阶梯原则配合，即自负荷侧到电源侧的动作时限逐级拉长，以致到了主变压器处已达到1.5 ~ 2.0秒，有的更是长达6秒，如此长的故障切除时间，对于开关柜额定耐受电弧时间只有100ms来说，一旦发生内部弧光故障，对开关设备的损坏将是非常严重的。此外，由于国标规定的110kV及以上电压等级的变压器的动稳定时间为0.25秒，中低压母线保护系统的故障切除时间也必须满足这一要求。

　　为了加快切除中低压母线故障的速度，国外曾配合微机过流保护装置的广泛应用，提出了一种利用馈线过流闭锁进线速断保护的闭锁式保护方案。这种保护方案在国外一些电网采用，它与前一种变压器后备过流保护方案相比，保护的动作速度有了一定的提高，动作时间大约为200ms – 300ms，仍不能满足总故障清除时间100ms的要求。

　　应用于高压、超高压系统的母差保护的动作速度很快，可达到20 ~ 35ms。然而，由于以下几方面的原因而不适合于中低压母线应用。其一，采用母差保护由于保护范围受到CT安装位置的限制，不能保护到发生故障几率较高的电缆室电缆接头处的故障。其二，采用母差保护不能提供故障定位功能，这对于组成中低压母线的开关柜一般分为多个单元室，而一段母线上往往连接有十多台、甚至二十多台开关柜，快速母线保护切除故障后，在开关柜外观是看不到损坏痕迹的，如果母线保护系统没有故障定位功能的话，对于查找故障点可能需要较长的时间，因而影响检修速度和尽快恢复供电。此外，采用这种方案还存在接线复杂，对CT的要求高并且安装在6 ~ 35kV母线上有很多困难，也很不经济等问题。所以，母差保护也是不适合中压母线保护应用的。

　　现有的保护方案显然是不能满足快速切除故障或保护覆盖范围要求的，迫切需要采用一种新型中压母线保护系统，以解决中低压母线发生故障几率较高、延迟切除故障导致故障发展、扩大，从而造成的巨大的经济损失的问题。

　　5.3 新型电弧光中低压母线保护系统

　　开关柜发生内部故障时，电弧燃烧的结果会生产各种故障特性，如产生可见光、声波、压力波，甚至是红外线、紫外线或无线电频率的辐射等。[9] 通过检测这些特征量，国外开发出各种新原理的中低压开关柜内部故障（中低压母线故障）保护系统，其中检测可见光认为的一种实际可行的方法。经过多年来的发展，基于检测可见光的电弧光母线保护已开始在国外推广应用，并在一些国家已成为中、低压母线保护的标准配置。

　　电弧光中低压保护是基于检测开关柜发生内部故障时发出的弧光为主，此外为了防止误动作采用过流作为闭锁条件，即保护系统只有同时检测到弧光和过流时才发出跳闸指令，因而具有高速及可靠的动作性能。采用这种新原理的保护所提供动作时间为5 ~ 7ms，加上断路器35 ~ 60ms的分闸时间，对于开关柜各单元室的故障总清除时间可保证在100ms以内，并留有一定的裕度。

　　电弧光保护系统所覆盖的保护范围，是通过布置弧光传感器的物理位置来实现的，因此其覆盖范围是在开关柜内是不受限制的。此外，这种保护系统通过检测弧光信息还可以提供故障定位功能，以帮助寻找故障点并进行维修，尽快恢复供电。

　　6. 结语

　　在配电系统中，由于引起中压开关柜内部故障的原因很多，想完全杜绝开关柜内部弧光短路故障的发生是不可能的。开关柜内部弧光故障很少发生，然而一旦发生此类故障，电弧燃烧释放的巨大的能量所产生的各种故障效应，不尽快切除故障往往会造成灾难性的后果。

　　通过加强开关柜的结构，在一定程度上可以限制弧光短路故障的危害，但却需要增加较大的设备制造费用；最有效和经济的限制弧光短路故障危害的方法，是采取专用中低压母线保护系统，在开关设备的耐受弧光短路故障额定时间以内切除故障，可将弧光短路故障造成的损害减到最小。

　　参考文献

　　[1] 陆育青，成套开关柜的综合治理，高压开关技术通讯，总第39期，1998

　　[2] 华北电科院高压所，6 ~ 35kV开关设备的绝缘改进，高压开关技术通讯，总第40期，1999

　　[3] 金文龙等，全国110kV及以上等级电力变压器短路损坏事故统计分析，电网技术，1999（6）

　　[4] 董其国，电力变压器故障与诊断，中国电力出版社，2001

　　[5] 潘贞存等，中低母线加装专用继电保护的必要性和几种方案的探讨，电网技术，2002（9）

　　[6] 国家电力公司发输电运营部，预防110kV ~ 500kV变压器（电抗器）和互感器事故措施汇编，中国电力出版社，2003

　　[7] 李建基，高中压开关设备实用技术，机械工业出版社，2002

　　[8] O.J.Vahamaki，Arc Protection as Integrated Part of Line Protection Relays，South Africa Power System Protection Conference，2002

　　[9] A.de Jongh，Internal Arc Specifications and Protection for Metal-clad Switchgear，ESI Africa，2002（1）

　　[10] K Brewis，et al，Theory and Practical Performance of Interlocked Overcurrent Busbar Zone Prpotection in Distribution Substations, Reyrolle ACP Ltd. 2002

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