如何解決開關(guān)柜短路故障的隱患
2021-11-28
???弧光產(chǎn)生的原因
引起開關(guān)柜內(nèi)部電弧短路故障的主要原因有：（1）開關(guān)柜使用的導(dǎo)電體性能不良。（2）元件損壞，開關(guān)柜內(nèi)部元件（或零部件）因未得到良好的維修和保養(yǎng)而損壞。（3）絕緣材料損壞, 主要有絕緣材料缺陷（如裂痕），投運(yùn)年限長(zhǎng)久的開關(guān)柜因絕緣件老化，最終造成絕緣損壞導(dǎo)致故障。絕緣材料不滿足加強(qiáng)絕緣要求，絕緣爬距不足，潮濕、多灰塵污染環(huán)境使用等，導(dǎo)致絕緣故障。（4）人或者動(dòng)物誤入，如小動(dòng)物進(jìn)入開關(guān)柜內(nèi)部，接觸到帶電體導(dǎo)致故障。（5）施工（維修）人員將工（器）具遺忘或誤放在開關(guān)柜內(nèi)，導(dǎo)致故障。（6）操作過程的失誤，如未按正確程序停電、驗(yàn)電、接地操作，走錯(cuò)間隔等。（7）單相接地、諧振、雷電等造成的系統(tǒng)過電壓。（8） 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變，如系統(tǒng)容量的增加，電纜應(yīng)用增多等。6-35kV中壓開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生電弧故障的原因、危害，以及弧光保護(hù)在中壓母線保護(hù)中的原理、用途、應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)弧光保護(hù)應(yīng)用現(xiàn)狀。中性點(diǎn)不接地的高壓電網(wǎng)中，單相接地電容電流的危害主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：1）弧光接地過電壓的危害當(dāng)電容電流一旦過大，接地點(diǎn)電弧不能自行熄滅。當(dāng)出現(xiàn)間歇性電弧接地時(shí)，產(chǎn)生弧光接地過電壓，這種過電壓可達(dá)相電壓的3~5倍或更高，它遍布于整個(gè)電網(wǎng)中，并且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，可達(dá)幾個(gè)小時(shí)，它不僅擊穿電網(wǎng)中的絕緣薄弱環(huán)節(jié)，而且對(duì)整個(gè)電網(wǎng)絕緣都有很大的危害。2）造成接地點(diǎn)熱破壞及接地網(wǎng)電壓升高單相接地電容電流過大，使接地點(diǎn)熱效應(yīng)增大，對(duì)電纜等設(shè)備造成熱破壞，該電流流入大地后由于接地電阻的原因，使整個(gè)接地網(wǎng)電壓升高，危害人身安全。3）交流雜散電流危害電容電流流入大地后，在大地中形成雜散電流，該電流可能產(chǎn)生火花，引燃瓦斯爆炸等，可能造成雷管先期放炮，并且腐蝕水管、氣管等。4）接地電弧引起瓦斯煤塵爆炸消弧線圈的作用：電網(wǎng)安裝消弧線圈后，發(fā)生單相接地時(shí)消弧線圈產(chǎn)生電感電流，該電感電流補(bǔ)償因單相接地而形成的電容電流，使得接地電流減小，同時(shí)使得故障相恢復(fù)電壓速度減小，治理電容電流過大所造成的危害。同時(shí)由于消弧線圈的嵌位作用，它可以有效的防止鐵磁諧振過電壓的發(fā)生概率。消弧線圈接地方式存在的一些問題：1）單相接地故障時(shí)，非故障相對(duì)地電壓升高到3 相電壓以上，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、波及全系統(tǒng)設(shè)備，可能引起第二點(diǎn)絕緣擊穿，引起事故擴(kuò)大事故。2）消弧線圈不能補(bǔ)償諧波電流，有些城市電網(wǎng)諧波電流占的比例達(dá)5%-15%，僅諧波電流就可能遠(yuǎn)大于10A，仍然可能發(fā)生弧光接地過電壓。3）對(duì)于電容電流很大的配電網(wǎng)，如果通過補(bǔ)償要使單相接地故障電流Ijd<10A，就必須使系統(tǒng)保持較小的脫諧度，系統(tǒng)的脫諧度過小，對(duì)由于三相電容不對(duì)稱引起的中性點(diǎn)位移電壓會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的放大作用，使中性點(diǎn)電壓偏移超過規(guī)程允許值(<15%Un)，保護(hù)將發(fā)出接地故障信號(hào)。另外脫諧度太小，系統(tǒng)運(yùn)行在接近諧振補(bǔ)償狀態(tài)，將給系統(tǒng)運(yùn)行帶來極大的潛在危險(xiǎn)（諧振過電壓）；要保證中性點(diǎn)位移電壓不超過規(guī)程允許值，就要增大脫諧度，然而，脫諧度過大，將導(dǎo)致殘余接地電流太大(Ijd>10A)，又可能引起間歇性弧光接地過電壓。很難保證既使殘余接地電流Ijd<10A，又保證中性點(diǎn)位移電壓不超過規(guī)程允許值這兩個(gè)相互制約的條件。4）消弧線圈的調(diào)節(jié)范圍受到調(diào)節(jié)容量限制，調(diào)節(jié)容量與額定之比一般為1/2，如按終期要求選擇，工程初期系統(tǒng)電容電流小，消弧線圈的最小補(bǔ)償電流偏大，可能投不上；如按工程初期的要求選擇，工程終期系統(tǒng)電容電流大，消弧線圈的最大補(bǔ)償電流又偏小，也不能滿足合理補(bǔ)償?shù)囊蟆?/span>
5）在運(yùn)行中，消弧線圈各分接頭的標(biāo)稱電流和實(shí)際電流會(huì)出現(xiàn)較大誤差，運(yùn)行中就發(fā)生過由于實(shí)際電流與名牌電流誤差較大而導(dǎo)致諧振的現(xiàn)象。
6）由于系統(tǒng)的運(yùn)行方式及系統(tǒng)電壓經(jīng)常變化，系統(tǒng)的電容電流經(jīng)常變化，跟蹤補(bǔ)償困難。目前的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償裝置呈百花齊放的景象，實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)時(shí)間較短，運(yùn)行情況還不理想。而且價(jià)格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)量大，不適應(yīng)無人值班變電站的要求。
7）由于上述原因，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地僅能降低弧光接地過電壓的概率，不能消除弧光接地過電壓，也不能降低弧光接地過電壓的幅值，弧光過電壓倍數(shù)也很高。
8）尋找單相接地故障線路困難，目前許多小電流接地選線方法的選線成功率還不理想，往往還要采用試?yán)ā?/span>
9）采用試?yán)〞r(shí)，既造成非故障線路短時(shí)停電，又會(huì)引起操作過電壓。
10）系統(tǒng)諧振過電壓高，諧振過電壓持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)并波及全系統(tǒng)設(shè)備，常造成PT燒壞、或PT熔斷器熔斷。武高所和廣州供電局在區(qū)莊變電站試驗(yàn)中測(cè)得1/2分頻諧振過電壓達(dá)2PU ，測(cè)得由合閘操作激發(fā)的3次高頻諧振過電壓達(dá)4PU，測(cè)得A相導(dǎo)線斷線并接地于負(fù)荷側(cè)時(shí)，諧振過電壓值為3.8PU。。
11）電纜排管或電纜隧道內(nèi)的電纜發(fā)生單相接地時(shí)，不及時(shí)斷開故障線路，可能引起火災(zāi)，上海某35KV系統(tǒng)電纜就發(fā)生過單相接地一小時(shí)后引起火災(zāi)，燒毀電纜隧道中40多條電纜的重大事故。
12）尋找故障線路時(shí)間較長(zhǎng)，在帶接地故障運(yùn)行期間，容易引起人身觸電事故。
13）單相接地時(shí)，非故障相電壓升高至線電壓或更高，在不能及時(shí)檢出故障點(diǎn)的情況下，無間隙金屬氧化物（MOA）避雷器長(zhǎng)時(shí)間在線電壓下運(yùn)行，容易損壞甚至爆炸。弧光接地過電壓、諧振過電壓幅值高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，MOA由于動(dòng)作負(fù)載問題，一般不要求WGMOA系統(tǒng)內(nèi)過電壓，不能有效利用MOA的優(yōu)良特性，不利于MOA在配電網(wǎng)的推廣使用。
以電纜線路為主的配電網(wǎng)的特點(diǎn)：
1）單位長(zhǎng)度的電纜線路的電容電流比架空線路電容電流大10幾倍，以電纜為主的城市電網(wǎng)對(duì)地電容電流很大。
2）電纜線路受外界環(huán)境條件（雷電、外力、樹木、大風(fēng)等）影響小，瞬時(shí)接地故障很少，接地故障一般都是永久性故障。
3）電纜線路發(fā)生接地故障時(shí)，接地電弧為封閉性電弧，電弧不易自行熄滅，如不及時(shí)跳閘，很容易造成相間短路，擴(kuò)大事故。
4）電纜為弱絕緣設(shè)備。例如，10kV交聯(lián)聚乙稀電纜的一分鐘工頻耐壓為28KV ，而一般10kV 配電設(shè)備的絕緣水平為42kV 。在消弧線圈接地系統(tǒng)中，由于查找故障點(diǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，電纜長(zhǎng)時(shí)間承受工頻或暫態(tài)過電壓作用，易發(fā)展成相間故障，造成一線或多線跳閘。
5）在電纜線路中，高頻振蕩電流幅值大衰減慢，高頻振蕩電流遠(yuǎn)大于工頻電流，在工頻電流過零時(shí)高頻振蕩電流仍然有很大的幅值，維持弧光燃燒取決于高頻振蕩電流衰減的快慢和工頻電流，消弧線圈不能補(bǔ)償高頻振蕩電流，又由于在電纜線路中消弧線圈補(bǔ)償后的殘流大，消弧線圈在電纜線路中不能消弧。
PT諧振：
（1）PT諧振 PT諧振對(duì)于yo/yo電磁式PT，在正常情況下線路發(fā)生單相接地不會(huì)出現(xiàn)鐵磁諧振過電壓，但在下列條件下，就可能引發(fā)鐵磁諧振。
1）對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，故障點(diǎn)流過電容電流，未接地的兩相相電壓升高3倍。但是，一旦接地故障點(diǎn)消除，非接地相在接地故障期間已充的線電壓電荷只能通過PT高壓線圈經(jīng)其自身的接地點(diǎn)流入大地，在這一瞬間電壓突變過程中，PT高壓線圈的非接地兩相的勵(lì)磁電流就要突然增大，甚至飽和，由此構(gòu)成相間串聯(lián)諧振。
2）系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振。近年來，由于配電線路用戶PT、電子控制電焊機(jī)、調(diào)速電機(jī)等數(shù)量的增加，使得10kV配電系統(tǒng)的電氣參數(shù)發(fā)生了很大的變化，導(dǎo)致諧振的頻繁出現(xiàn)。在系統(tǒng)諧振時(shí)，PT將產(chǎn)生過電壓使電流激增，此時(shí)除了造成一次側(cè)熔斷器熔斷外，還將導(dǎo)致PT燒毀。個(gè)別情況下，還會(huì)引起避雷器、變壓器、斷路器的套管發(fā)生閃絡(luò)或爆炸。
3）線路檢修，事先不向調(diào)度部門申請(qǐng)辦理停電手續(xù)，隨意帶負(fù)荷拉開分支線路隔離刀閘或帶負(fù)荷拉開配電變壓器的高壓跌落開關(guān)，造成刀閘間弧光短路而引發(fā)諧振。
4）當(dāng)配電變壓器內(nèi)部發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流將通過抗電能力強(qiáng)的絕緣油對(duì)地放電，也會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的電弧激發(fā)電網(wǎng)諧振。
5）運(yùn)行人員送電操作程序不對(duì)，未拉開PT高壓側(cè)刀閘就直接帶PT向空母線送電，引起PT鐵磁諧振。
3 弧光保護(hù)用途
（1）用于中壓開關(guān)柜母線系統(tǒng)保護(hù)
國(guó)內(nèi)6-35 kV 母線一般不配置專用母線保護(hù)，采用弧光保護(hù)系統(tǒng)用于母線保護(hù)，可以彌補(bǔ)該缺陷，其功能和作用完全等同并優(yōu)于現(xiàn)有各種原理的母差保護(hù),可以保護(hù)整段母線。目前，國(guó)內(nèi)中壓系統(tǒng)使用的弧光保護(hù)主要應(yīng)用于母線保護(hù)。
（2）用于中壓饋線柜保護(hù)
以檢測(cè)到電弧光作為判據(jù)，也可與過流保護(hù)配合，在開關(guān)柜內(nèi)單相對(duì)地燃弧時(shí)就發(fā)出跳閘信號(hào)，及早斷開斷路器，減小事故損失。
3.4 弧光保護(hù)應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)
電弧光保護(hù)裝置關(guān)鍵技術(shù)主要包括：
(1)電子設(shè)備穩(wěn)定性及抗干擾技術(shù)；
(2)傳感器及其信號(hào)處理技術(shù)；
(3)故障電流快速識(shí)別技術(shù)；
(4)故障快速跳閘信號(hào)輸出及一次設(shè)備快速開斷技術(shù)；
(5)弧光故障初期單相燃弧接地狀態(tài)的預(yù)警技術(shù)。
4 弧光保護(hù)應(yīng)用現(xiàn)狀
弧光保護(hù)在歐美國(guó)家得到了比較廣泛的應(yīng)用，在一些國(guó)家甚至已成為中低壓開關(guān)柜的標(biāo)準(zhǔn)配置 [5] 。國(guó)內(nèi)電弧光保護(hù)裝置應(yīng)用，正從發(fā)電企業(yè)逐步擴(kuò)展到供電企業(yè)。自2011年起，南方電網(wǎng)的如云南、貴州，國(guó)家電網(wǎng)的如江蘇、浙江、山東、湖北省公司等省公司，均選擇變電站進(jìn)行試點(diǎn)，作為10kV和35kV母線的快速保護(hù)。2009年以來，國(guó)內(nèi)已有南京、武漢天津多家企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的弧光保護(hù)系列產(chǎn)品，如南京南瑞繼保電氣開發(fā)的PCS-9656電弧光保護(hù)系統(tǒng)；自主研發(fā)了紫外光弧光傳感器，解決了普通光纖弧光傳感器容易受干擾光影響的問題?；」獗Ｗo(hù)在實(shí)際應(yīng)用中也存在問題，如缺乏產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程的支撐，產(chǎn)品的電子裝置過于復(fù)雜，部分謹(jǐn)慎用戶只投運(yùn)保護(hù)裝置而不投入保護(hù)輸出等，弧光保護(hù)產(chǎn)品在技術(shù)層面還具有一定的提升空間。
5、安科瑞弧光保護(hù)裝置功能
5.1裝置簡(jiǎn)介
ARB5系列弧光保護(hù)裝置是安科瑞電氣股份有限公司在總結(jié)了現(xiàn)有產(chǎn)品運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，融合了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，采用基于ARM9內(nèi)核的32位閃存微控制器，根據(jù)中國(guó)電力系統(tǒng)不斷發(fā)展的需求研制和生產(chǎn)的適用于中低壓等級(jí)電網(wǎng)的弧光故障迅速切除裝置。其外觀時(shí)尚、大屏幕液晶顯示，圖形化多語言菜單，操作快捷方便；具有強(qiáng)大的功能集成：集保護(hù)、測(cè)量、控制、監(jiān)測(cè)、通訊、故障錄波、事件記錄等多種功能于一體,準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)弧光信號(hào)，保護(hù)電流；在線記錄事件量達(dá)256條，先進(jìn)先出（FIFO）動(dòng)態(tài)刷新，帶有時(shí)間標(biāo)記，掉電不丟失。支持IEC61850通信功能(MMS)和GOOSE通信功能，實(shí)現(xiàn)與IEC61850站控層無縫連接，強(qiáng)大的GOOSE跳閘、GOOSE網(wǎng)絡(luò)聯(lián)鎖功能及可視化的可編程邏輯軟件優(yōu)化了二次接線，IRIG-B、SNTP、PPS等多種對(duì)時(shí)方式確保全站時(shí)鐘的統(tǒng)一。ARB5-E擴(kuò)展單元開關(guān)柜就地安裝，ARB5-M主控單元可以就地安裝也可以組屏安裝，是構(gòu)成智能電網(wǎng)的理想元件。
中、低壓母線發(fā)生短路故障時(shí)，所產(chǎn)生的電弧光對(duì)設(shè)備及人員會(huì)造成極大的傷害。在電力系統(tǒng)中，由于下列原因可能在開關(guān)設(shè)備內(nèi)造成短路故障并產(chǎn)生電弧光：
設(shè)備故障
人為錯(cuò)誤操作或錯(cuò)誤接線
絕緣材料老化和機(jī)械磨損
灰塵、溫度、濕度、腐蝕等環(huán)境因素
電纜接頭制作不良
過電壓
其他原因（動(dòng)物鼠害等）
電弧光一旦產(chǎn)生，其危害程度取決于電弧光電流及切除時(shí)間，電弧產(chǎn)生的能量與I2t成指數(shù)規(guī)律快速上升。只有在極短時(shí)間內(nèi)切除故障才能使設(shè)備不遭受損害。若總切除時(shí)間大于100ms，輕則設(shè)備局部燒損，重則造成開光柜爆炸以及人員傷亡，還可能引發(fā)火災(zāi)。
5.2主要特點(diǎn)及功能
（1）高度集成：集保護(hù)、測(cè)量、控制、監(jiān)測(cè)、通訊、錄波、事件記錄等多種功能于一體。
（2）弧光保護(hù)功能：搭配ARB5-S弧光傳感器，通過保護(hù)裝置之間的配合，可以方便實(shí)現(xiàn)弧光保護(hù)功能而不用增加其它任何成本，大大提升了產(chǎn)品性價(jià)比。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境光強(qiáng)，ARB5-S弧光傳感器動(dòng)作閾值可設(shè)，可根據(jù)不同場(chǎng)合設(shè)定不同動(dòng)作值。
（3）擴(kuò)展功能：同一插槽位置可配置不同功能板件，很方便實(shí)現(xiàn)開入、開出等通道的擴(kuò)展。
（4）通訊功能：采用獨(dú)立的ARM9通信處理器進(jìn)行通訊管理，可提供1路RS485、2路以太網(wǎng)通訊接口、1路打印RS232接口和1路IRIG-B碼對(duì)時(shí)接口；通訊協(xié)議支持IEC61850、modbus RTU、modbus TCP、IEC103，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、保護(hù)定值設(shè)定及查詢、裝置工作狀態(tài)、SOE事件記錄、錄波數(shù)據(jù)等傳輸功能。
（5）自檢功能：具備軟、硬件實(shí)時(shí)自檢、硬件配置自動(dòng)識(shí)別與報(bào)警功能、光纖回路鏈路狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和斷鏈報(bào)警功能。
（6）可編程邏輯功能：各保護(hù)功能、繼電器、開入量具有邏輯組態(tài)功能，用戶可以現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)需要來進(jìn)行設(shè)定：保護(hù)動(dòng)作出口和信號(hào)輸出可自由整定、開入量可通過設(shè)定實(shí)現(xiàn)非電量保護(hù)功能和閉鎖保護(hù)功能。
（7）友好人機(jī)界面：大屏幕圖形液晶顯示，動(dòng)態(tài)顯示一次系統(tǒng)圖、實(shí)時(shí)波形圖、故障錄波圖、各種電氣參數(shù)及保護(hù)信息，多語言菜單切換，操作快捷方便。
（8）故障錄波功能：采用COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)錄波格式，可記錄20個(gè)錄波報(bào)告，可將故障前、故障中、故障后的電流、電壓、斷路器狀態(tài)和保護(hù)信息完整真實(shí)記錄下來，為用戶進(jìn)行故障分析提供依據(jù)。
（9）故障自動(dòng)推畫面功能：當(dāng)保護(hù)動(dòng)作或者有告警信息時(shí)，裝置自動(dòng)彈出畫面，提示用戶動(dòng)作或者告警的保護(hù)。
（10）調(diào)試接口：裝置具有專門的以太網(wǎng)調(diào)試接口，通過專用配置軟件，可以就地和遠(yuǎn)方實(shí)現(xiàn)程序升級(jí)、定值設(shè)定、故障分析，提高了用戶的使用和維護(hù)方便性，提高了工作效率。
（11）電磁兼容：裝置強(qiáng)弱電嚴(yán)格分開，采取硬件、軟件抗干擾措施，裝置的抗干擾能力大大提高，對(duì)外電磁輻射滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
（12）全封閉機(jī)箱：采用全封閉半層4U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，機(jī)箱深度較小，既適合集中組屏安裝，也可開關(guān)柜分散安裝；獨(dú)特機(jī)箱設(shè)計(jì)方便拼接。
