1． 引言

　　近年來,中壓開關柜由于各種原因發生內部故障而被嚴重損壞、有的甚至發展成多組開關柜同時燒毀的“火燒連營”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，據統計，全國110kV及以上等級變壓器因外部短路故障造成損壞的事故已達到事故總數的50%以上。此外，開關柜內部弧光短路故障還可能波及站用直流系統發展為系統故障。這些時有發生的事故嚴重威脅著配電系統的安全經濟運行，已引起國內電力部門的高度重視。[1-6]

　　實際運行經驗表明，由于造成開關柜內部故障的原因很多，盡管采取了各種加強開關柜的措施，但由于開關柜弧光短路故障及引起的電力設備損壞仍時有發生。所以，除了嚴格保證開關設備的制造質量、按照相關規程進行正確維護和操作以外，還必須配置快速動作的保護裝置，一旦發生內部弧光短路故障能快速切除，最大限度的保護設備和人員免受嚴重傷害。

　　本文首先簡要說明中壓開關柜的產生內部弧光故障的原因及故障特性；然后介紹開關柜內部弧光故障的危害及防護措施；最后提出對開關柜內部故障保護的中低壓母線保護的要求，并介紹一種新型的電弧光中低壓母線保護系統。

　　2． 中壓開關柜內部弧光短路的故障特性

　　2．1 弧光短路故障的形成

　　1） 引起開關柜內部弧光短路的原因[1，2，8]

　　引起開關柜內部弧光短路故障的原因很多，例如結構設計不合理、制造質量不佳、設備材料絕緣老化、機械磨損、運行條件惡劣（高溫、潮濕、污穢、化學侵蝕等）、用戶維護不當和誤操作、外力因素（小動物的進入、工具等外來物件遺漏在開關柜內等）、電網結構的改變（系統容量增大、接地方式的改變、電纜應用的增多、系統諧振過電壓、保護及自動裝置配置不當等）等等。因此，盡管開關設備發生內部弧光故障的概率不高，但卻是不能完全排除的。而一旦發生開關柜內部弧光短路，會給附近操作人員和設備造成極大的危害。

　　2.2  電弧形成的四個階段

　　中壓開關柜內部弧光故障的形成，將經歷以下四個階段：[7]

　　第1階段，即是壓縮階段，持續時間約5~15ms。在這一階段溫度上升，并產生動態壓力波。

　　第2階段，即是膨脹階段，持續時間約5~15ms。在這一階段短暫的時間內，因燃弧區和周圍空氣之間存在壓力差，開始產生氣流。

　　第3階段，即是輻射排放階段，這一階段可能持續幾百毫秒。在這一階段由于電弧能量繼續輸入燃弧點，產生空氣流、氣流和微粒流。這種強力高速氣流的熱量及所帶的熾熱微粒，內部電弧開始形成對外部的影響。

　　第4階段，即是熱效應階段，亦即為燃弧的最后階段，它持續直至電弧熄滅。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設備的固體零部件。此時開關設備有燒穿的危險。故障清除后，這一階段隨之結束。

　　2.3 電弧的故障效應[7，8]

　　開關柜內部故障電弧燃燒期間產生的電弧效應包括壓力效應、熱（燃燒）效應、輻射和聲效應，如圖1所示。這些電弧效應將損害開關設備，并可能對附近的工作人員造成傷害。

  

圖1. 故障電弧效應及危害

　　2.3.1 壓力效應

　　燃燒的電弧將周圍的空氣加熱，引致空氣急劇膨脹，并在開關柜內部產生巨大的壓力。

　　在最壞的情形，開關柜的門可能被炸開，不牢固的開關柜側板、頂板以及建筑物的墻由于壓力可能會倒塌。此外，所產生的壓力也會使某些不牢固的或獨立的部件從開關柜中拋出，對附近工作人員造成傷害。

　　在新的設計中已考慮到開關柜在能承受較高的壓力。在試驗中，測量的壓力已超過120 kPa (1200kg/m²) ，它是通過壓力釋放閥或開口來達到這一壓力耐受能力的。

　　2.3.2 熱效應

　　電弧的熱（燃燒）效應作用于電極、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到外界環境中去。

　　燃燒的電弧將使電極材料熔化和蒸發。部分熔化的材料在周圍飛濺，其中一部分與空氣混合。作為電弧燃燒持續較長時間的地方，電極將最大程度地遭受這些熱點的作用。電弧的燃燒效應可能切開母線和導線，在門、墻或天花板上燃燒成洞，設備可能受到毀壞。除了電弧本身的燃燒效應以外，電弧可能引致建筑物材料或電纜火災。

　　灼熱的氣體、甚至是燃燒著的氣體可能從開關柜中爆炸而出，引起設備損壞或人員傷害。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。電弧燃燒所產生的氣體也可能有毒的，因為它們可能包含例如象一氧化碳、銅或鋁的蒸氣。

　　2.3.3 輻射和聲效應

　　來自電弧的直接輻射一般不會對人員產生直接的危險。這是因為輻射水平低于危險水平（25W/cm²）。然而，電弧燃燒所以產生的明亮的光可能引起暫時性的失明，它連同大的爆破聲效應可能引起工作人員休克，而這也將增加傷害的危險性。

　　3．開關柜內部弧光短路故障的危害

　　開關柜發生弧光短路故障的產生的危害，主要表現在造成現場工作人員的傷害，對開關設備及鄰近配電設備的損害這二方面。

　　3.1 弧光短路故障對人員的危害

　　弧光短路所釋放的巨大的能量所產生的各種電弧效應，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，電弧燃燒產生的高溫氣體會使人的皮膚嚴重燒傷，強烈的閃光會刺傷眼睛、連同爆破聲造成暫時性失明，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，爆破性的聲音會造成人的耳膜、內臟震損，電弧燃燒所產生的有毒氣體會傷害人的呼吸系統等。

　　值得一提的是，在開關柜故障中，除了明顯的觸電死亡和身體電擊的危險外，另一個可能更敏感的危險是電弧的熱效應對人的傷害。之所以說敏感，是因為故障電弧產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，它對人的傷害是嚴重的、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行檢修對某10kV出線進行切換操作時，由于違章操作和開關柜內聯鎖功能失效，在帶負荷拉開該帶電線路的線路側刀閘時產生弧光短路故障，故障電弧效應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變電站在進行檢修時，配電房進線柜內部故障發生爆炸，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大面積停電1小時。

　　為了最大限度地保護人員免受故障電弧的傷害，一方面，保護系統應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就能切斷供給燃弧點的短路電流的話，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對人員的傷害。另一方面，運行操作人員在開關設備附近工作時，通過評估現場故障電弧可能造成的傷害的工作條件，穿戴合適的個人防護裝備(防護手套、防護外套、防護面罩及防護眼鏡等)也可對工作人員提供相應的保護。采用個人防護裝備的目的，是在發生電弧故障時為工作人員提供逃離的時間，并減少電弧熱效應的燒傷程度，從而增加了事故受害者的生存機會。

　　3.2弧光短路故障對設備的損害

　　3.2.1 概述

　　開關柜內部發生弧光短路時，弧光發生點的溫度是35，000°F，為太陽表面溫度的4倍。如此高的溫度將造成銅排、鋁排熔毀和汽化，使電纜熔毀、電纜包覆層著火，并造成柜內污損、保護漆焚毀、清理困難。此外，高溫、高壓氣體還可能以極快擴散到相鄰盤體，從而造成多組開關柜同時燒毀的“火燒連營”事故。

　　電弧燃燒時釋放的巨大的能量，高溫對空氣加熱而膨脹，而銅排氣化時，體積膨脹67，000倍，從而使柜內壓力急驟上升。它產生的爆破壓將造成開關柜盤體變形、破碎。此外，電弧燃燒產生的爆破音將造成盤內強烈震動、使固定元件松脫。

　　開關柜內部弧光短路，往往不僅損壞開關設備本身、在某些情形造成“火燒連營”重大設備損壞事故，而且在故障持續期間巨大的故障短路電流往往對昂貴的主變壓器或廠用變造成沖擊而使其絕緣損壞、壽命縮短，甚至被燒毀。此外，它還可能波及站用直流系統發展成系統性故障，造成巨大的經濟損失。

　　3.2.2 造成“火燒連營”事故

　　中壓開關柜發生內部電弧故障，由于電弧能量釋放巨大的能量造成的各種電弧效應，除了造成起弧開關柜本身嚴重損壞外，往往還波及到鄰近的開關設備，甚至造成多組開關柜同時燒毀的“火燒連營”事故。發生這種事故后搶修恢復困難，無論直接損失還是間接損失都很大，造成極其深遠的影響。

　　典型事故3：1998年4月，內蒙古某變電站10KV I段某開關柜內部突然閃絡，引起母線故障，并造成“火燒連營”事故，致使相鄰五個間隔設備燒損。事故使該變電站10KV四段母線對外全部停電，10KV I段母線對外停電7天才恢復送電。事故直接損失達30多萬元。

　　典型事故4：1999年10月，廣西某變電站10KV開關柜的真空斷路器在投切電容器中發生爆炸而引起“火燒連營”的事故，燒毀開關柜4臺。經濟損失達30萬元。

　　中壓開關柜故障引發的母線故障被發展擴大的最根本的原因，就是因為沒有專門的快速母線保護，使母線故障由延時較長的變壓器后備過流保護來切除；在故障持續過程中，產生的電弧引發其它部位的故障。電弧的燃燒效應還會點燃開關柜的器件引起火災，大面積燒毀配電設備，同時變壓器受到短路電流的沖擊而可能損壞。如果配置有專用快速母線保護，在故障發生后立即動作，在電弧剛燃起時就快速切除故障，則開關設備可避免被燒毀、變壓器受到的沖擊也大大降低，同時可快速恢復供電，使損失減到最小。

　　3.2.3 造成主變壓器/廠用變損壞的事故

　　自上世紀90年代以來，我國110KV及以上的變壓器因外部短路引起損壞的事故逐年增加，1990 ~1991年所占的比例還在10％以下，1992~1995年平均以每年10％左右的速度增長，到1996年已達到50％。根據1995~ 2000年的統計數據，110KV及以上變壓器全國共有316臺損壞，其中因短路損壞的變壓器達136臺，占全部事故的44%。而實際數字還要高，因為上述數字還沒有包括因誤操作、繞組變形累積引起的絕緣事故。

　　因外部短路引起故障的變壓器大多損壞嚴重，特別是變壓器低壓出口短路形成的故障一般需要更換繞組，嚴重時可能要更換全部繞組，從而造成十分嚴重的后果和損失。有的因變壓器的損壞還擴大成為系統事故，造成巨大的經濟損失和社會影響。

　　造成變壓器損壞有多種原因，比如變壓器本身的動熱穩定性能差、系統的擴大后引致的短路容量的增加、運行維護操作薄弱環節等，但國家電力公司發輸電運營部提供的調查報告認為，繼電保護不完善也是造成變壓器損壞的重要原因之一。

　　國家標準中規定110KV及以上電壓等級的變壓器的熱穩定允許時間為2s，動穩定時間為0.25s。但實際上很多變壓器的保護動作時間大于此規定值。比如，一臺220KV、120MVA變壓器低壓側出口短路持續時間可能達2.45s，大于變壓器的熱穩定時間2s，離變壓器的動穩定時間0.25s要求相差的更遠。所以，萬一發生中低壓母線或近區故障，巨大的短路電流流過變壓器對變壓器的動穩定和熱穩定都將構成嚴重的威脅，可能造成變壓器的絕緣損壞、壽命縮短，甚至被燒毀。 

　　典型事故5：1999年3月，某電廠6kV廠用電A段上3a磨煤機斷路器b相由于動觸頭拉桿端部絕緣老化，對本體放電形成單相弧光接地，并發展為斷路器下部與底座之間三相短路的母線故障。6kV母線最大故障電流達24000A以上，由于3號高壓廠用變已經過多次短路電流沖擊，這次再承受20000A以上的電流達0.5s之久（時限速斷動作時間整定為0.4s，斷路器固有的分閘時間0.1s）而損壞，變壓器瓦斯保護、差動保護、高壓側過流保護動作，使機組解列。事故造成3A磨煤機斷路器燒毀、3號高壓廠用變損壞，3號機組事故跳閘。

　　典型事故6：2001年8月，廣東某110KV變電站因遭受雷擊，某10KV饋線避雷器爆炸，0.2秒電流速斷保護動作開關跳閘，2.0秒該開關自動重合閘，過0.75秒后該開關再次跳閘，再過2.23秒變壓器復合電壓過流保護動作，跳110KV分段開關。與此同時，２號主變壓器瓦斯繼電器動作，跳主變高低側開關，事故過程保護動作一切正常。事故后現場吊罩檢查發現變壓器低壓側B相繞組中部嚴重變形，造成匝間短路，A、C相繞組也存在幅向變形。

　　目前針對變壓器穿越性短路電流的過流保護的動作時間過長，遠大于變壓器的允許時間，不能滿足保護變壓器動穩定和熱穩定的要求，迫切需要改善變壓器保護，使變壓器的保護動作小于變壓器的允許動穩定時間0.25s。為此，為了避免變壓器遭受外部短路電流沖擊而損壞，國家電力公司提出了以下針對保護配置以及開關柜管理方面的部分預防措施包括：

　　1）本著“保設備”的原則，對變壓器繼電保護進行改造完善。使之滿足變壓器保護動作的時間小于變壓器承受短路能力的持續時間。

　　2）變壓器中低壓側加裝相間電流限時速斷保護，其電流整定值與時限均與出線電流速斷配合。對于重要變電站加裝母線保護。

　　3）加強開關柜管理，防止配電室“火燒連營”。

　　3.2.4 波及站用直流系統發展為電網事故

　　在開關柜發生內部弧光短路故障時，故障點處的電弧光很容易波及到周圍的直流電纜或保護用的端子排，從而引發直流系統故障，甚至直接損壞二次設備。失去直流電源的后果，一方面造成當地保護裝置而不能及時動作以切除故障，致使主變壓器長時間流過短路電流而被燒毀；另一方面只能靠越級由遠方跳閘切除當地故障而使事故進一步擴大為系統事故，從而造成巨大的經濟損失。

　　典型事故7：1999年11月，江西某220KV變電站的一個10KV開關柜的電纜頭發生三相短路，開關在分閘過程中由于遮斷容量不足發生爆炸，造成“火傷連營”事故，燒毀10KV開關柜8臺。開關柜爆炸起火后引起柜內直流信號電纜短路，造成高壓室直流系統控制保險熔斷，全站信號電源消失。1號主變保護失去直流工作電源不能啟動而不能跳開三側開關，引起事故擴大，導致5個110KV變電站失壓，地調小水電、小火電與系統解列。

　　典型事故8： 2000年6月，湖北某電廠由于B磨開關中B相真空滅弧室破裂對合閘線圈放電，開關柜燒毀。高電壓竄入220V直流系統，220V動力回路電源保險熔斷；而開關二次插件端子的擊穿又將高壓引入直流110V系統，110V控制回路電源保險炸毀，最后導致發變組保護C屏的出口插件燒毀而引起停機。事故造成直接損失13萬元，少發電5025萬kWh。

　　4. 弧光短路危害的防護措施

　　4.1消極性防護措施

　　采用消極性防護措施的目的，是通過加強開關柜的結構來限制故障電弧產生的各種效應，如加強開關柜的結構，密封隔離各單元室、設置釋放板和泄壓通道等。采用這種措施在一定程度上能減少損壞程度；另一方面，如果要采用通過加強結構的方式來較大地提高開關柜的燃弧耐受時間的話，則需要增加很大的設備費用。

　　4.2積極性防護措施

　　采用積極性防護措施的目的，是及時檢測開關柜內部產生的故障電弧，并將電弧快速加以消除。例如采用專用中壓母線保護來快速切除弧光短路故障，從根本上限制故障電弧的發展，消除其各種效應對設備和人員的危害。如果中低壓母線保護能在開關柜耐受燃弧時間以內切除故障的話，將最大限度地限制弧光故障對開關設備的損壞；從另一方面看，限制了開關設備的損壞，即阻斷了故障發展的可能性，從而可避免主變壓器長時間遭受短路電流的沖擊而損壞，同時也可防止故障電弧波及站用直流系統而發展成系統故障。這也是目前迫切需要采取的最有效的限制弧光短路故障造成開關設備燒毀及變壓器因短路電流沖擊而損壞的防護措施。

 

　　5. 開關柜弧光短路故障對保護系統的要求

　　5.1 中壓開關柜內部電弧耐受時間故障防護標準[7，8]

　　中壓開關柜發生內部電弧故障釋放的能量是很大的，其總能量取決于短路電流大小、故障電弧燃燒的時間、同時燃燒的電弧的數量等因素。在一條短時耐受電流為25kA和電弧電壓約為600V的20kV電力系統中，故障電弧釋放的能量為40.5MJ。這一能量能在1秒內可使15.6升水蒸發掉，或使42公斤的鐵熔化。

　　在中壓開關柜中，國外一般采用IEC298中附錄AA中指定的100ms的內部電弧額定時間作為電弧故障防護標準，它指的是開關柜可以承受的內部電弧燃燒時間。也就是說，發生開關柜內部故障時保護動作切除故障的時間在100ms以內的話，對開關設備及附近人員的損害限制到最小。圖2為電弧燃燒產生的能量與電弧燃燒時間的關系曲線，圖中也標出通過試驗得出的電弧燃燒持續時間對某些開關設備部件的損壞程度。

　　國外著名廠家生產的中壓開關柜，一般都進行內部電弧試驗，并在產品樣本中提供這一性能指標。國內的開關柜，一般采用等效IEC298的GB3906、DL404等標準生產的，但在產品樣本中一般沒有列出內部電弧額定時間這一指標。在國外，在用戶提出要求高于100ms的內部電弧耐受時間要求時，一般由用戶和生產廠另行商定解決。當然，這將增加開關柜的費用。根據國外的應用經驗，將內部電弧故障額定值從100ms增加到200ms，開關柜的成本增加10%；但如果將該指標增加到1秒，則開關柜的成本將增加100%。

　　5.2 現有保護系統存在的問題[9，10]

　　現有的針對開關柜內部弧光故障（相當于母線故障）的保護，國內普遍采用變壓器后備過流保護作為主保護，由于過流保護為了保證其選擇性，其動作時限需要按照階梯原則配合，即自負荷側到電源側的動作時限逐級拉長，以致到了主變壓器處已達到1.5 ~ 2.0秒，有的更是長達6秒，如此長的故障切除時間，對于開關柜額定耐受電弧時間只有100ms來說，一旦發生內部弧光故障，對開關設備的損壞將是非常嚴重的。此外，由于國標規定的110kV及以上電壓等級的變壓器的動穩定時間為0.25秒，中低壓母線保護系統的故障切除時間也必須滿足這一要求。

　　為了加快切除中低壓母線故障的速度，國外曾配合微機過流保護裝置的廣泛應用，提出了一種利用饋線過流閉鎖進線速斷保護的閉鎖式保護方案。這種保護方案在國外一些電網采用，它與前一種變壓器后備過流保護方案相比，保護的動作速度有了一定的提高，動作時間大約為200ms – 300ms，仍不能滿足總故障清除時間100ms的要求。

　　應用于高壓、超高壓系統的母差保護的動作速度很快，可達到20 ~ 35ms。然而，由于以下幾方面的原因而不適合于中低壓母線應用。其一，采用母差保護由于保護范圍受到CT安裝位置的限制，不能保護到發生故障幾率較高的電纜室電纜接頭處的故障。其二，采用母差保護不能提供故障定位功能，這對于組成中低壓母線的開關柜一般分為多個單元室，而一段母線上往往連接有十多臺、甚至二十多臺開關柜，快速母線保護切除故障后，在開關柜外觀是看不到損壞痕跡的，如果母線保護系統沒有故障定位功能的話，對于查找故障點可能需要較長的時間，因而影響檢修速度和盡快恢復供電。此外，采用這種方案還存在接線復雜，對CT的要求高并且安裝在6 ~ 35kV母線上有很多困難，也很不經濟等問題。所以，母差保護也是不適合中壓母線保護應用的。

　　現有的保護方案顯然是不能滿足快速切除故障或保護覆蓋范圍要求的，迫切需要采用一種新型中壓母線保護系統，以解決中低壓母線發生故障幾率較高、延遲切除故障導致故障發展、擴大，從而造成的巨大的經濟損失的問題。

　　5.3 新型電弧光中低壓母線保護系統

　　開關柜發生內部故障時，電弧燃燒的結果會生產各種故障特性，如產生可見光、聲波、壓力波，甚至是紅外線、紫外線或無線電頻率的輻射等。[9] 通過檢測這些特征量，國外開發出各種新原理的中低壓開關柜內部故障（中低壓母線故障）保護系統，其中檢測可見光認為的一種實際可行的方法。經過多年來的發展，基于檢測可見光的電弧光母線保護已開始在國外推廣應用，并在一些國家已成為中、低壓母線保護的標準配置。

　　電弧光中低壓保護是基于檢測開關柜發生內部故障時發出的弧光為主，此外為了防止誤動作采用過流作為閉鎖條件，即保護系統只有同時檢測到弧光和過流時才發出跳閘指令，因而具有高速及可靠的動作性能。采用這種新原理的保護所提供動作時間為5 ~ 7ms，加上斷路器35 ~ 60ms的分閘時間，對于開關柜各單元室的故障總清除時間可保證在100ms以內，并留有一定的裕度。

　　電弧光保護系統所覆蓋的保護范圍，是通過布置弧光傳感器的物理位置來實現的，因此其覆蓋范圍是在開關柜內是不受限制的。此外，這種保護系統通過檢測弧光信息還可以提供故障定位功能，以幫助尋找故障點并進行維修，盡快恢復供電。

　　6. 結語

　　在配電系統中，由于引起中壓開關柜內部故障的原因很多，想完全杜絕開關柜內部弧光短路故障的發生是不可能的。開關柜內部弧光故障很少發生，然而一旦發生此類故障，電弧燃燒釋放的巨大的能量所產生的各種故障效應，不盡快切除故障往往會造成災難性的后果。

　　通過加強開關柜的結構，在一定程度上可以限制弧光短路故障的危害，但卻需要增加較大的設備制造費用；最有效和經濟的限制弧光短路故障危害的方法，是采取專用中低壓母線保護系統，在開關設備的耐受弧光短路故障額定時間以內切除故障，可將弧光短路故障造成的損害減到最小。

　　參考文獻

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