电弧光保护在配电开关柜设备上的应用
 
引言：长期以来，由于设备质量以及外部冲击（雷击、过电压等）导致开关柜内产生弧光故障，发生大面积烧毁配电设备的状况时有发生，这对变电站的安全稳定运行及用户供电的可靠性造成了严重影响。为避免开关柜内弧在成的危害，衍生出一种在国外被广泛应用、国内已开始使用的新型保护装置（电弧光保护）。
 

  当电流将金属导电体之间空气电离，就会形成弧光短路。弧光短路会产生高温，在短路状态下，弧光中心的温度可达到9,000℃到19,000℃，会产生辐射，总的辐射在1.5米距离时为1.10W/cm2。可控弧光短路的典型应用有电弧炉或电焊机。配电开关正常操作时也会产生弧光。当开关柜内的弧光因意外发生时，就会造成损伤。弧光短路可能是发生在配电系统中的最严重的故障。

  开关柜内弧光故障产生的原因：

人为因素
  隔离开关误操作、误入带电间隔、工作区未做接地、测试用工具遗留等。

技术因素
  设备绝缘损伤或老化、操作或雷击过电压、三相接线错误或母线连接错误、灰尘、温度和湿度等环境原因、小动物（如老鼠）进入、腐蚀等。
 

开关柜内弧光短路的危害
  当带电金属导体之间或金属导体与地之间的绝缘损坏时就可能发生空气被电离形成电弧光短路，由于空气的电阻较大，其短路电流远小于金属性接触的短路电流，传统正常设置的断路器短路保护可能不动作，致使故障不能及时切除，开关柜内弧光短路发生时将引起电弧燃烧，产生的高温造成爆炸性压力，如不及时切除，极易造成人员受伤和大面积相邻设备烧毁事故。
                                                                                                                                       

  开关柜发生内部弧光故障能量很大，其产生的能量与电弧的燃烧时间以及短路电流的平方值成正比，产生的短路功率可能高达8-60MW，会产生多种效应：压力、高温、辐射及声响等，可能造成如下的重大损失：
 

 

图1 弧光短路造成的设备损坏
 

1) 开关柜金属壳体因内部密闭空间中忽升的强大压力爆裂。

2) 金属导体因瞬间高温而熔化或蒸发，又通过辐射使可燃性材料着火，非可燃性材料分解。

3) 一台开关柜的爆炸起火，造成相邻开关柜的连环损坏。

4) 剧烈振动引起固定元器件松脱。

5) 爆炸和高温会造成人身伤害，甚至死亡，声响引起人员休克，震伤耳膜等，耀眼的弧光，还可能引起人员暂时性的失明。

  根据IEC62271-200标准中描述的实验方法，得到开关柜内部弧光与设备燃烧时间的关系图，如下：
 

            图2 弧光能量和燃烧时间的关系
 

  开关柜电缆连接头等部位的绝缘易出问题，当此处发生绝缘单相对地击穿时，由于单相对地的短路电流较小，传统的过流保护可能不动作，就有可能发展成为两相或三相对地短路，此时过流保护虽可以动作，但故障可能已经对设备造成了严重的损坏。
开关柜通常采用的过流保护动作时间

－采样时间：20 – 30ms；

－跳闸启动时间：10ms；

－延时设定：30 – 150ms；

－断路器动作时间：50 – 80ms。

总的跳闸时间：馈线：30+10+30+50=120ms；进线：30+10+150+50=240ms。

  电弧光保护能够在单相对地燃弧之初就发出信号使馈线断路器分闸，使弧光故障造成的损失大幅降低，一般仅需快速恢复绝缘就能使设备的重新运行，大大减少了停电时间和维修成本。
开关柜采用电弧光保护动作时间

－弧光探测时间：1ms；

－过流比较时间：1ms；

－跳闸启动时间：5ms（电流启动13ms）；

－断路器动作时间：50 – 80ms。

总的跳闸时间：馈线：1+1+13+50=65ms；进线：1+l+5+50=57ms。

  开关柜制造标准及电弧光保护

  国际电气电子工程师协会标准IEEE Std C37.20.7-2007  确定了开关柜最小能够承受100ms的持续弧光的要求。
 

  图3 燃弧时间与设备损坏情况
 

  开关柜在没有任何特殊要求的情况下，均按照弧光耐受时间100ms制造的。如果故障弧光超过100ms，将会造成开关柜的损坏。对开关柜的成本来说：以100ms弧光耐受度为基础，开关柜弧光耐受时间每提高100ms，则开关柜的成本上升10%。如提高到 500ms的技术要求，开关柜成本则上升50%。

  现有的过流保护方案不能满足发生弧光故障时快速切除故障（100ms以内）的要求，故障不能快速切除导致故障范围和破获程度的扩大，造成的经济损失和停电范围也会扩大。而采用新型电弧光保护技术，快速将弧光故障切除，降低上述的损失，而弧光保护的投入成本还不到开关柜成本十分之一。

  电弧光保护采用同时检测电弧光和过流，如图4所示。其工作机制主要是增加了弧光传感器，在弧光短路发生之初，与电流增量一起判断故障情况，发出跳闸指令。
 

图4 电弧光保护原理
 

  电弧光保护系统主要由电弧光主单元、I/O单元和弧光传感器单元构成。在开关柜内不同区域均可设置弧光传感器（安装在母线室、断路器室和电缆室内），以实现分区保护的要求，控电弧光制部分可指示弧光故障位置，以便快速查找处理故障。

  目前电弧光保护在国外配电系统中已广泛应用，国内也有一些弧光保护装置的引进、生产和使用，其工作原理和组成结构基本相似。加拿大SAQE公司和成都万博联合研发的SAQE系列开关柜电弧光保护的配置，解决方案相对简单，且性能可靠，该装置在每段母线配置一弧光保护装置。其组成结构如下：
 

  弧光传感器是一种光电式点传感器。该种点传感器在新、旧开关柜中安装方便快捷，传感器可安装在绝缘薄弱的区域（如母线室、电缆室、断路器室等），在故障发生时提示故障位置，帮助维修人员快速锁定故障位置。另外采用光电感应原理的弧光传感器，所使用的特殊光敏电阻只对300~500纳米（电弧光的光谱成分大量在这个波长范围内）波长的光源敏感，可免受日常可见光（波长在750纳米）干扰，提高可靠性。

   图5 点传感器

 
  国内35KV及以下开关柜没有设置专门的母线保护，弧光传感器设置在开关柜的母线室内，检测母线故障，可解决长期困扰的母线保护问题。如下示意了有选择性地弧光母线保护及弧光馈线保护。

 

 
图6 弧光母线保护及弧光馈线保护

 

  该系统通过检测故障时开关柜内产生弧光这一特点，同时与过流闭锁判别故障，保护简单、动作迅速，新旧开关柜都易于安装，可有效保护中低压开关柜免受电弧光短路故障损害。

1）原理简单
  采用点式探测器检测电弧光，再由过流闭锁把关，保护结构简单；

2）保护动作迅速可靠
  整套保护的动作时间为15ms，保护动作迅速。整套系统还具备连续自检功能，充分保证系统的安全性和可靠性；

3）精确故障位置定位
  保护控制单元按弧光传感器安装位置指示弧光故障发生点的位置，便于快速处理故障部位。

4）具有断路器失灵保护功能
  在主断路器拒动时，可以发出分闸指令，分断上一级断路器，提高整个系统的安全性；

5）保护配置丰富、适合多种运行方式的保护
  通过弧光和过电流判别，可以对开关柜的需要弧光保护的部位进行有选择性地保护，适用于多种运行方式。
 

  开关柜内弧光短路是一个并不频繁发生的故障，而一旦发生又可能会造成设备损坏严重并伤及变配电所内的工作人员，采用通过判别弧光和过电流而实现的开关柜的电弧光保护，为解决此类故障提供了简单可靠的方法。采用电弧光保护，可以在按现有标准制造的开关柜的电弧耐受时间内，快速切除弧光短路故障，保护人员和配电设备的安全，大量减少了设备维修费用及维修时间。建议电弧光保护在工程的35KV及以下开关柜中推广使用。