開關柜內(nèi)弧光短路及故障危害及防護

開關柜是電力系統(tǒng)運行過程中的重要電力設備，只有確保開關柜的可靠性才能保證整個電力系統(tǒng)的正常運行。但實際上電力系統(tǒng)運行中的常見嚴重故障之一就是由開關柜內(nèi)部故障電弧引發(fā)的事故。

相關調(diào)查資料顯示，我國變電所每年出現(xiàn)開關柜故障的概率達到0.8%，農(nóng)村配電網(wǎng)中開關柜故障的概率甚至更高。開關柜內(nèi)部故障電弧會給整個電力系統(tǒng)和用戶帶來非常嚴重的影響，給電力企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至還會造成嚴重的人員傷亡事故和周邊建筑物破壞等。這些時有發(fā)生的事故嚴重威脅著配電系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行，已引起國內(nèi)電力部門的高度重視。

開關柜內(nèi)故障電弧出現(xiàn)的原因與危害

造成開關柜內(nèi)部故障電弧發(fā)生的原因主要有設計不合理、制造質(zhì)量差、絕緣老化(或絕緣氣體泄漏)、機械磨損、運行條件惡劣(高溫、潮濕、污穢、化學侵蝕等)、維護及操作不當、外來因素(小動物的進入等)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變等都會造成開關柜故障。

開關柜內(nèi)弧光短路故障帶來的危害主要分為對現(xiàn)場工作人員的傷害及對開關設備及鄰近配電設備的損害。

1、弧光短路所釋放的巨大的能量所產(chǎn)生的各種電弧效應，會對附近的工作人員造成嚴重的傷害。例如：感應電壓會侵害人的肌肉、神經(jīng)，電弧燃燒產(chǎn)生的高溫氣體會使人的皮膚嚴重燒傷，強烈的閃光導致失明，爆破聲導致永久性失聰，爆破性壓力沖擊波會造成在高空工作的人員墜落、碎片的飛射將損傷人體，電弧燃燒所產(chǎn)生的有毒氣體會傷害人的呼吸系統(tǒng)等。

2、開關柜內(nèi)部發(fā)生弧光短路時，弧光發(fā)生點的溫度高達太陽表面溫度的 2~4倍。在這樣的溫度環(huán)境下容易造成銅排、鋁排熔毀和汽化，使電纜熔毀、電纜包覆層著火，并造成柜內(nèi)污損、保護漆焚毀、清理困難。電弧還可能引致相鄰盤體、建筑物材料或電纜火災。同時柜內(nèi)壓力急驟上升。它產(chǎn)生的壓力將造成開關柜盤體變形、破碎、甚至被燒毀等。

可見，一旦發(fā)生開關柜內(nèi)部弧光短路，會給附近操作人員和設備造成極大的危害。

柜內(nèi)電弧故障危害如何防護？

根據(jù)國內(nèi)外試驗研究，燃弧時間與造成開關柜損壞程度關系如下：

故障電弧持續(xù)時間超過100 ms時電纜開始燃燒，超過150ms時銅或鋁母線開始燃燒，超過200 ms時開關柜外殼的鋼板也發(fā)生燃燒，開關柜設備有發(fā)生爆炸的危險。如果在5ms內(nèi)將開關柜內(nèi)部短路故障電弧熄滅，其電弧故障產(chǎn)生的熱效應對開關柜造成的損壞很小，僅對開關柜熱縮套管和環(huán)氧樹脂絕緣造成輕微損壞，其他開關柜內(nèi)的非故障部位的母排、電纜、元器件將保持完好狀態(tài)。

可見從保護開關柜，減小設備損壞考慮，保護動作切除故障時間應小于100ms。不過傳統(tǒng)開關柜一般通過例行巡檢，定期預防性試驗來判斷設備的健康狀態(tài)，難以及時發(fā)現(xiàn)故障隱患。因此，很有必要引入快速切除弧光故障的保護系統(tǒng)。才茂開關柜智能化解決方案提供集成多種數(shù)字化監(jiān)控功能，幫助用戶以全新的方式監(jiān)測預防操作和管理變電站。

開關柜弧光監(jiān)測及防護方案

才茂智能開關柜解決方案是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、邊緣計算技術(shù)及IEC61850技術(shù)，實現(xiàn)了開關柜健康情況的“自我感知、自主監(jiān)測、自動預警”及遠程的可視化全電控操作功能。通過邊緣計算、各類傳感器、一鍵控制、視頻監(jiān)測和人機交互通過采集現(xiàn)場設備的狀態(tài)信息，對現(xiàn)場設備的健康狀態(tài)進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果，啟動不同級別的報警信號。當電力系統(tǒng)開關柜出現(xiàn)故障電弧時，自動保護裝置就會迅速切斷開關柜與其他電力設備的連接，防止開關柜內(nèi)部故障電弧影響擴大，減少不利影響和危害。該方案還能客觀反映出電力系統(tǒng)運行中的異常情況，可以將實際運行狀態(tài)與運行參數(shù)進行對比，如果發(fā)現(xiàn)異常情況就會發(fā)出差異信號，便于檢修人員及時發(fā)現(xiàn)故障、排除故障。

方案的運用對提高開關柜內(nèi)部電弧防護技術(shù)水平及實現(xiàn)整個開關柜的健康管理有著積極的推動作用，大大減少了用戶損失和供電損失，提高了用戶的供電可靠性，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。監(jiān)測防護方案分為以下幾種：

1、斷路器機械特性監(jiān)測

斷路器機械特性監(jiān)測主要用于在線監(jiān)測開關柜內(nèi)斷路器的機械動作性能。在不破壞原有結(jié)構(gòu)的前提下，在斷路器傳動桿下端安裝紅外位移傳感器，將每次分合閘動作所產(chǎn)生的機械特性數(shù)據(jù)實時上傳至智能監(jiān)測單元IED，當發(fā)生異常時能夠及時維護，減少因斷路器自身故障而引起的意外損失，為開關柜的狀態(tài)檢修提供依據(jù)。

2、開關柜電動機構(gòu)監(jiān)測

斷路器使用壽命與分、合閘操作次數(shù)有關，尤其是開斷電流的大小造成的影響，是其壽命的一個重要參數(shù)，開關柜電動機構(gòu)監(jiān)測通過IED內(nèi)置霍爾傳感器對斷路器分閘次數(shù)統(tǒng)計，區(qū)分故障分閘和操作分閘，通過繪制其電流曲線，可以判定其基本狀態(tài)，建立分合閘線圈電流波形專家圖庫，為運維檢修提供數(shù)據(jù)參考。

3、溫升實時監(jiān)測

開關柜溫升過高帶來的氧化腐蝕，會加速導致接觸電阻增加，進而加速溫升，形成惡性循環(huán)，從而導致設備損壞，發(fā)生爆炸等嚴重情況。溫升實時監(jiān)測可在斷路器的每個觸臂上安裝溫度傳感器，變化中的溫度信號，通過自供電無線通信模塊實時傳輸?shù)街悄鼙O(jiān)測單元IED感知溫升變化，提前介入預防。

4、一鍵順控

一鍵順控，即一鍵完成開關柜的送電、停電過程。斷路器底盤車采用電動機構(gòu)，可在工作運行位置及實驗位置之間自動搖入搖出，同樣基地刀閘也升級為電動操作，這樣斷路器和基地開關就實現(xiàn)了就地或遠程自動操作，避免了手動操作帶來的安全隱患，保證人身安全。

5、可視化視頻監(jiān)控

柜體內(nèi)重要位置都安裝有攝像頭，具備視頻監(jiān)測功能。開關柜物聯(lián)終端通過采集柜內(nèi)斷路器室及電纜室視頻數(shù)據(jù)進行視頻圖像處理分析，判斷斷路器觸頭及活門的動作以及接地刀閘的合分動作，從而實現(xiàn)可視化操作，支撐運維人員的精準運維。

方案優(yōu)勢

1、提升管理效率、降低運行管理成本

工作人員在監(jiān)控室即可實時監(jiān)控配電柜環(huán)境數(shù)據(jù)、設備運行狀態(tài)，全面掌握配配電設備的各種信息，減少運營人員巡檢工作，降低運維成本。

2、提高綜合用電管理水平

為管理部門提供用電成本、效率管理、電力運行調(diào)度管理等功能，為管理人員運行策略和用能策略提供有效依據(jù)，提高政企部門電力運行調(diào)度管理效率。

3、故障實時監(jiān)測，防護更安全

擁有豐富的告警方式和策略，有效避免多種事故的發(fā)生，提高運維響應速度，從而保障居民生命財產(chǎn)安全。