中压空气绝缘开关柜内部电弧故障的研究与防护措施

陈翔 李亚 贡明慧

摘 要：中压空气绝缘开关柜的内部电弧故障问题是引发电力事故的主要原因之一，因此需要采用恰当的方式进行柜体强度优化与防护。基于此，本文将阐述中压空气绝缘开关柜内部电弧故障的原因、危害，并以被动加强开关柜结构措施、主动灭弧保护措施为切入点，深入探究开关柜柜体防护的措施，旨在能够有效避免事故的发生和有效降低事故发生时对操作维护人员的危害，确保人身安全。

关键词：空气绝缘开关柜；电弧故障；防护措施

中图分类号：TM591 文献标志码：A

0 前言

随着电力系统的快速发展，国家对电力的质量有了更高的要求，空气绝缘开关柜作为重要的电气设备，需要在使用的过程中具有较高的稳定性、可靠性和安全性。但是，在实际应用中，空气绝缘开关柜的内部电弧故障问题已经成为常见的事故类型之一，而这一事故现象对电力系统的安全运行有着直接的影响。因此，解决开关设备的电弧故障问题是中压空气绝缘开关柜面临的关键问题，以此避免对电力系统的运行造成更加严重的影响。

1 中压空气绝缘开关柜内部电弧故障的研究

1.1 内部电弧故障的原因

在电力系统内，中压变电所如10kV配电装置广泛使用了空气绝缘开关柜，由于其自身的原理优势，能够在线路发生过载时第一时间断电，保护电路与变电所的安全。但是，在实际应用的过程中，中压配电装置会发生一些类似绝缘，接地故障等问题，导致开关柜出现内部电弧故障，总的来说导致开关柜发生电弧故障的原因有很多，并且会造成长期停电、配电装置损坏、造成人身安全事故等严重问题。开关柜的内部电弧故障给用户、变电所均带来了不良的影响，不仅会造成巨大的经济损失，还会对周围的建筑物造成破坏，甚至会导致人员伤亡。因此，我们作为配电设备的生产企业，需要深入分析、掌握开关柜内部故障的主要原因，以便能够采取更加具有针对性的解决方法：

（1）电缆室故障。通常由于开关柜内部的PT绝缘失效甚至穿孔，导致内部发生电弧故障；电力用户的电缆以间歇性的方式进行接地，破坏绝缘体的性能，引发燃弧故障；避雷装置效果不明显，在雷雨天气时导致绝缘体失效而引发故障等等。

（2）手车室故障。在线路运行的过程中，由于断路器没能成功开断短路电流，导致灭弧室爆炸，在开关柜内造成电弧故障，并且会引发短路等问题；

动静触头啮合不紧或接触不够，导致触头烧毁引发短路接地问题；

（3）母线室故障。开关柜内母线套管的绝缘层开裂，绝缘击穿破坏，导致高压接地短路，造成内部故障问题。

1.2 内部电弧故障的危害

当中压空气绝缘开关柜内部发生电弧故障时，就会导致电路的电流、电压发生变化，此时电弧电流呈现正弦波的状态，而电压则呈现出斜顶梯形的状态。当电弧电流处于零区时，电压的变化较大，波动明显，同时电压顶部的倾度会随着时间而发生变化，并且伏安特性还会出现滞环的现象。在开关柜中，一旦发生这种电弧特性，其能够在短时间内将自身的电能转化为热能，在这样的状态下就会导致周围的空气温度升高，同时空气压力增大。因此，在开关柜相对密封的环境中，电弧所聚集的能量很有可能会通过高压、高温气体爆炸的方式释放出来。在电弧故障中，这样的现象将会导致柜体、柜门爆裂，损坏元器件，甚至会有火焰喷出，不仅会对周围的设备造成损坏，甚至还会对工作人员的身体造成伤害。当开关柜出现内部电弧故障时，大面积的停电是无法避免的，不仅影响人们生产、生活用电的稳定性，同时还会造成严重的经济损失。

2 增强中压空气绝缘开关柜柜体抗燃弧性能的方式

2.1 柜体结构加强措施

根据以上对中压空气绝缘开关柜内部电弧故障原因、危害的分析可以发现，这一故障类型实际上是没有办法完全避免的，但是为了能够减少生命、财产的损失，就需要空气绝缘开关柜在设计的过程中增加其強度，使其能够抵抗内部电弧故障的破坏。开关柜结构加强的措施一般有：

（1）目前将压力释放装置安装在开关柜的高压室顶部，形成专用的燃弧泄压通道，这是最为常见的方式，同时在泄压装置内部增加瓦楞式结构，用于阻挡柜体内部高温燃烧的颗粒和碎屑从泄压通道飞出造成其他设备和人身伤害。当发生内部电弧故障时，压力释放装置能够在10ms之内将内部的压力排放出去，避免发生爆裂等现象。在设计的过程中，要求空气绝缘开关柜柜体特别是开关柜的门板、主体框架结构能够承受住10ms之内电弧故障所带来的压力破坏。

（2）当开关柜内部发生故障时，内部的气体会迅速升温，同时发生膨胀以至于对开关柜柜壁造成强烈的冲击。对于这种动态的冲击，柜体自身所承受的冲击量实际上是造成柜体损坏的主要原因之一，同时柜体与前后门板之间采用的是铰链和门锁或螺栓固定的方式，非常容易发生毁坏。所以，为了能够有效控制开关柜避免遭受破坏，在设计的过程中就需要通过恰当的计算方式，增加铰链与封板固定螺丝孔的数量，从而增加开关柜前后面板的抗燃弧强度性能。

（3）为了避免一个小室发生故障而“殃及”其他单元和部件，那么就需要在设计的过程中在各个小室之间对安装的隔板进行加强，一般通过增加横向螺栓进行加强固定，避免各室之间故障的相互影响；

（4）在开关柜高压室尤其是电缆室门板与框架的四周，需考虑设置防燃弧措施。一般是安装阻燃密封圈，同时柜体的四周应该设置安全档，并使二者能够相互配合。一旦发生电弧故障并内部气温升高，则阻燃圈能够避免气体外泄，避免高温、高压气体喷出。

（5）布置于柜后电缆室门板上的照明灯、带电显示、电磁锁等二次元件，其本身是不具备防燃弧性能的，需要对这些元件设计专用的金属保护罩，防止内部电弧故障烧毁元件甚至将元件冲出柜体，以致弧光飞出对人员造成伤害。

2.2 主动灭弧保护措施

对于中压空气绝缘开关柜内部电弧故障，除了上述被动柜体结构加强保护措施之外，还可以以主动方式对开关柜柜体进行防护，主要就是检测开关柜内部的故障电弧，并对其进行快速消除。开关柜内弧光故障依次经历压力增大（持续8 ms～10ms）、气体膨胀（持续5 ms～10ms）、气流辐射（持续100ms）、发热共4个发展阶段。目前仅靠弧光保护跳进线断路器熄弧时间约100ms（气流辐射阶段），考虑到目前业内主流弧光保护及灭弧元件厂家水平，弧光保护动作时间约10ms，灭弧元件动作时间约5ms，总灭弧时间不超过15ms，两者配合使用可在气体膨胀阶段实现熄弧，实现对故障电弧的快速消除。

关于主动灭弧保护，能够实现对电弧燃烧产生的可见光、红外线、紫外线或者无线电频率辐射等进行有效阻断或切除，对开关柜内的压力有明显的降低作用，而且对开关柜内产生的电弧故障也产生了一定的阻断作用，这种方法方便操作，节能环保。此主动型灭弧措施加上开关柜结构加强措施的使用，可完美解决中压空气绝缘开关柜内部故障电弧的危害问题。

结语

综上所述，在中压空气绝缘开关柜内部，导致电弧故障的原因有很多，且具有严重危害，因此需要加以重视。以此为基础，通过被动加强开关柜结构和主动灭弧保护的方式对开关柜进行防护，增强开关柜的抗燃弧性能，保证现场设备安全运行和操作人员的人身安全。

参考文献

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