中壓開關(guān)柜內(nèi)部弧光短路故障的危害及防護(hù)措施
發(fā)布時(shí)間：2020-12-02
近年來(lái),中壓開關(guān)柜由于各種原因發(fā)生內(nèi)部故障而被嚴(yán)重?fù)p壞、有的甚至發(fā)展成多組開關(guān)柜同時(shí)燒毀的“火燒連營(yíng)”的事故；而主變壓器由于遭受外部短路電流沖擊損壞的事故也逐年增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)110kV及以上等級(jí)變壓器因外部短路故障造成損壞的事故已達(dá)到事故總數(shù)的50%以上。此外，開關(guān)柜內(nèi)部弧光短路故障還可能波及站用直流系統(tǒng)發(fā)展為系統(tǒng)故障。這些時(shí)有發(fā)生的事故嚴(yán)重威脅著配電系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，已引起國(guó)內(nèi)電力部門的高度重視。》》點(diǎn)擊了解更多開關(guān)柜潮濕治理方案
實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，由于造成開關(guān)柜內(nèi)部故障的原因很多，盡管采取了各種加強(qiáng)開關(guān)柜的措施，但由于開關(guān)柜弧光短路故障及引起的電力設(shè)備損壞仍時(shí)有發(fā)生。所以，除了嚴(yán)格保證開關(guān)設(shè)備的制造質(zhì)量、按照相關(guān)規(guī)程進(jìn)行正確維護(hù)和操作以外，還必須配置快速動(dòng)作的保護(hù)裝置，一旦發(fā)生內(nèi)部弧光短路故障能快速切除，盡可能的保護(hù)設(shè)備和人員免受嚴(yán)重傷害。
本文首先簡(jiǎn)要說(shuō)明中壓開關(guān)柜的產(chǎn)生內(nèi)部弧光故障的原因及故障特性；然后介紹開關(guān)柜內(nèi)部弧光故障的危害及防護(hù)措施；最后提出對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部故障保護(hù)的中低壓母線保護(hù)的要求，并介紹一種新型的電弧光中低壓母線保護(hù)系統(tǒng)。
2． 中壓開關(guān)柜內(nèi)部弧光短路的故障特性
2．1 弧光短路故障的形成
1） 引起開關(guān)柜內(nèi)部弧光短路的原因
引起開關(guān)柜內(nèi)部弧光短路故障的原因很多，例如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、制造質(zhì)量不佳、設(shè)備材料絕緣老化、機(jī)械磨損、運(yùn)行條件惡劣（高溫、潮濕、污穢、化學(xué)侵蝕等）、用戶維護(hù)不當(dāng)和誤操作、外力因素（小動(dòng)物的進(jìn)入、工具等外來(lái)物件遺漏在開關(guān)柜內(nèi)等）、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變（系統(tǒng)容量增大、接地方式的改變、電纜應(yīng)用的增多、系統(tǒng)諧振過(guò)電壓、保護(hù)及自動(dòng)裝置配置不當(dāng)?shù)龋┑鹊?。因此，盡管開關(guān)設(shè)備發(fā)生內(nèi)部弧光故障的概率不高，但卻是不能完全排除的。而一旦發(fā)生開關(guān)柜內(nèi)部弧光短路，會(huì)給附近操作人員和設(shè)備造成極大的危害。
2.2 電弧形成的四個(gè)階段
中壓開關(guān)柜內(nèi)部弧光故障的形成，將經(jīng)歷以下四個(gè)階段：
第1階段，即是壓縮階段，持續(xù)時(shí)間約5~15ms。在這一階段溫度上升，并產(chǎn)生動(dòng)態(tài)壓力波。
第2階段，即是膨脹階段，持續(xù)時(shí)間約5~15ms。在這一階段短暫的時(shí)間內(nèi)，因燃弧區(qū)和周圍空氣之間存在壓力差，開始產(chǎn)生氣流。
第3階段，即是輻射排放階段，這一階段可能持續(xù)幾百毫秒。在這一階段由于電弧能量繼續(xù)輸入燃弧點(diǎn)，產(chǎn)生空氣流、氣流和微粒流。這種強(qiáng)力高速氣流的熱量及所帶的熾熱微粒，內(nèi)部電弧開始形成對(duì)外部的影響。
第4階段，即是熱效應(yīng)階段，亦即為燃弧的最后階段，它持續(xù)直至電弧熄滅。在這一階段最終包圍短路電弧的空氣幾乎達(dá)到電弧的溫度。從這一階段開始，大部分燃弧能量作用于開關(guān)設(shè)備的固體零部件。此時(shí)開關(guān)設(shè)備有燒穿的危險(xiǎn)。故障清除后，這一階段隨之結(jié)束。
2.3 電弧的故障效應(yīng)
開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧燃燒期間產(chǎn)生的電弧效應(yīng)包括壓力效應(yīng)、熱（燃燒）效應(yīng)、輻射和聲效應(yīng)，如圖1所示。這些電弧效應(yīng)將損害開關(guān)設(shè)備，并可能對(duì)附近的工作人員造成傷害。
2.3.1 壓力效應(yīng)
燃燒的電弧將周圍的空氣加熱，引致空氣急劇膨脹，并在開關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生巨大的壓力。 在最壞的情形，開關(guān)柜的門可能被炸開，不牢固的開關(guān)柜側(cè)板、頂板以及建筑物的墻由于壓力可能會(huì)倒塌。此外，所產(chǎn)生的壓力也會(huì)使某些不牢固的或獨(dú)立的部件從開關(guān)柜中拋出，對(duì)附近工作人員造成傷害。
在新的設(shè)計(jì)中已考慮到開關(guān)柜在能承受較高的壓力。在試驗(yàn)中，測(cè)量的壓力已超過(guò)120 kPa (1200kg/m²) ，它是通過(guò)壓力釋放閥或開口來(lái)達(dá)到這一壓力耐受能力的。
2.3.2 熱效應(yīng)
電弧的熱（燃燒）效應(yīng)作用于電極、柜門、柜壁以及母線上。在這些地方，燃燒的氣體和熱粒子爆發(fā)到外界環(huán)境中去。
燃燒的電弧將使電極材料熔化和蒸發(fā)。部分熔化的材料在周圍飛濺，其中一部分與空氣混合。作為電弧燃燒持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的地方，電極將最大程度地遭受這些熱點(diǎn)的作用。電弧的燃燒效應(yīng)可能切開母線和導(dǎo)線，在門、墻或天花板上燃燒成洞，設(shè)備可能受到毀壞。除了電弧本身的燃燒效應(yīng)以外，電弧可能引致建筑物材料或電纜火災(zāi)。
灼熱的氣體、甚至是燃燒著的氣體可能從開關(guān)柜中爆炸而出，引起設(shè)備損壞或人員傷害。由于灼熱氣體的熱輻射，站立在附近的工作人員的衣物可能著火。電弧燃燒所產(chǎn)生的氣體也可能有毒的，因?yàn)樗鼈兛赡馨缦笠谎趸肌~或鋁的蒸氣。
2.3.3 輻射和聲效應(yīng)
來(lái)自電弧的直接輻射一般不會(huì)對(duì)人員產(chǎn)生直接的危險(xiǎn)。這是因?yàn)檩椛渌降陀谖ｋU(xiǎn)水平（25W/cm²）。然而，電弧燃燒所以產(chǎn)生的明亮的光可能引起暫時(shí)性的失明，它連同大的爆破聲效應(yīng)可能引起工作人員休克，而這也將增加傷害的危險(xiǎn)性。
3．開關(guān)柜內(nèi)部弧光短路故障的危害
開關(guān)柜發(fā)生弧光短路故障的產(chǎn)生的危害，主要表現(xiàn)在造成現(xiàn)場(chǎng)工作人員的傷害，對(duì)開關(guān)設(shè)備及鄰近配電設(shè)備的損害這二方面。
3.1 弧光短路故障對(duì)人員的危害
弧光短路所釋放的巨大的能量所產(chǎn)生的各種電弧效應(yīng)，會(huì)對(duì)附近的工作人員造成嚴(yán)重的傷害。例如感應(yīng)電壓會(huì)侵害人的肌肉、神經(jīng)，電弧燃燒產(chǎn)生的高溫氣體會(huì)使人的皮膚嚴(yán)重?zé)齻瑥?qiáng)烈的閃光會(huì)刺傷眼睛、連同爆破聲造成暫時(shí)性失明，爆破性壓力沖擊波會(huì)造成在高空工作的人員墜落、碎片的飛射將損傷人體，爆破性的聲音會(huì)造成人的耳膜、內(nèi)臟震損，電弧燃燒所產(chǎn)生的有毒氣體會(huì)傷害人的呼吸系統(tǒng)等。
值得一提的是，在開關(guān)柜故障中，除了明顯的觸電死亡和身體電擊的危險(xiǎn)外，另一個(gè)可能更敏感的危險(xiǎn)是電弧的熱效應(yīng)對(duì)人的傷害。之所以說(shuō)敏感，是因?yàn)楣收想娀‘a(chǎn)生很大比例的輻射熱能，而它是人眼所看不見的，它可能造成皮膚的二度和三度燒傷，它對(duì)人的傷害是嚴(yán)重的、甚至是致命的。
典型事故1：2000年4月，廣東某供電局在一變電站進(jìn)行檢修對(duì)某10kV出線進(jìn)行切換操作時(shí)，由于違章操作和開關(guān)柜內(nèi)聯(lián)鎖功能失效，在帶負(fù)荷拉開該帶電線路的線路側(cè)刀閘時(shí)產(chǎn)生弧光短路故障，故障電弧效應(yīng)將該線路柜后門沖開，將拿地線到停電線路柜后面的一位檢修人員灼傷。
典型事故2：2002年9月，河南某供電局在220KV變電站在進(jìn)行檢修時(shí)，配電房進(jìn)線柜內(nèi)部故障發(fā)生爆炸，在附近的6名工作人員被電弧火球燒傷，配電房外一變壓器因短路燒毀，變電站停電，事故造成該市部分地區(qū)大面積停電1小時(shí)。
為了最大限度地保護(hù)人員免受故障電弧的傷害，一方面，保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)以盡可能快的速度切除故障，比如如果在電弧排放階段開始時(shí)就能切斷供給燃弧點(diǎn)的短路電流的話，故障電弧釋放的能量將大大減少，從而也大大降低電弧效應(yīng)對(duì)人員的傷害。另一方面，運(yùn)行操作人員在開關(guān)設(shè)備附近工作時(shí)，通過(guò)評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)故障電弧可能造成的傷害的工作條件，穿戴合適的個(gè)人防護(hù)裝備(防護(hù)手套、防護(hù)外套、防護(hù)面罩及防護(hù)眼鏡等)也可對(duì)工作人員提供相應(yīng)的保護(hù)。采用個(gè)人防護(hù)裝備的目的，是在發(fā)生電弧故障時(shí)為工作人員提供逃離的時(shí)間，并減少電弧熱效應(yīng)的燒傷程度，從而增加了事故受害者的生存機(jī)會(huì)。
因開關(guān)柜中潮濕引起的安全事故該如何防患解決呢？
防凝露裝置（排水型除濕器）是針對(duì)電氣柜除濕并預(yù)防凝露現(xiàn)象而專門研制的高科技產(chǎn)品。本裝置安裝在電氣控制柜內(nèi)部，通過(guò)局部制造凝露條件使柜內(nèi)潮濕空氣凝結(jié)成水并直接排出柜外，可快速有效地降低電氣柜內(nèi)空氣濕度并抑制凝露現(xiàn)象的產(chǎn)生。對(duì)因潮濕、凝露導(dǎo)致柜內(nèi)設(shè)備老化、絕緣強(qiáng)度降低、二次端子擊穿、材料霉變以及鋼結(jié)構(gòu)件銹蝕等問(wèn)題的預(yù)防具有顯著的作用。
本裝置使用于電力設(shè)備如戶外端子箱、高低壓控制柜、高低壓開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變電站、儀表箱等需要自動(dòng)除潮濕、防凝露的場(chǎng)合。
二、產(chǎn)品分類
a.技術(shù)參數(shù)
| 工作電源電壓 | 0~264VAC、127~370VDC、24VDC(特殊電源可訂制） |
| 額定功率 | ≤60W |
| 除濕啟動(dòng)值 | 濕度RH=50%（默認(rèn)），也可設(shè)定 |
| 輔助加熱 | 啟動(dòng)值 5℃（默認(rèn)），也可設(shè)定 |
| 環(huán)境溫度范圍 | ≥-20℃，≤+70℃ |
| 通訊接口 | RS485 |
| 工作溫度范圍 | 0℃~50℃ |
| 工作濕度范圍 | 20%~95%RH |
| 濕度顯示方式 | 3位數(shù)碼管顯示（0～99.9%RH） |
| 溫度顯示方式 | 2位數(shù)碼管顯示（-20℃～70℃） |
| 除濕量 | 400ml/天（+35℃、85%RH工況下） |
| 輔助電加熱功率 | ≤200W（AC220V、特殊電源請(qǐng)注明） |
| 外形尺寸 | 200mm×116mm×75mm |
| 安裝方式 | 磁鐵吸附/掛件 |
| 除濕體積 | 0.8m³ ～1.0m³ |
| 排水方式 | 軟管排水 |
| 重量 | 約1.08kg |
| 外殼材質(zhì) | 阻燃ABS |
b.外觀尺寸
a.技術(shù)參數(shù)
| 工作電源 | AC 100V～264V |
| 環(huán)境溫度范圍 | -20℃～+70℃ |
| 額定功率 | ≤35W |
| 除濕啟動(dòng)值 | RH=45% |
| 風(fēng)扇風(fēng)量 | 1.1 m³ /min |
| 除濕范圍 | ≤0.6 m³ |
| 工作溫度范圍 | 0℃～+50℃ |
| 工作濕度范圍 | RH=20%～95% |
| 工作方式 | 自動(dòng)運(yùn)行 |
| 除濕量 | 300ml/天（+35℃，85%RH工況下） |
| 噪音 | ＜60dB |
| 重量 | 約0.65kg |
| 外形尺寸 | 158*90*65mm |
| 排水方式 | 軟管排水 |
| 安裝方式 | 卡扣/磁鐵吸附 |
| 外殼材質(zhì) | 阻燃ABS |
b.外觀尺寸
三、安裝實(shí)例
