【摘要】中低壓開關柜作為電能生產與分配的基礎設施之一，使用量逐年增加，并且使用場合的復雜性也在增加。成套開關設備中母線故障產生的弧光將燒壞其元器件,從而導致事故擴大,往往造成較大的經濟損失,而母線弧光保護正好解決了這個難題，能夠很好地保護開關設備并降低損失。

【關鍵詞】中低壓開關柜；母線故障；弧光保護

引言

弧光放電不僅會造成停電事故，還會造成設備性損壞和人身傷害，帶來不可估量的損失。弧光放電事故是中低壓開關柜內嚴重的事故之一，本文就幾個方面來探討中低壓母線裝設弧光保護的必要性。

重視中低壓母線故障的原因

我國電力發展建設已經進入大電網、大機組、壓輸電階段，并且對發電機組的容量要求越來越高，這對電力系統運行提出了更高的要求，因為單臺大機組的運行情況，會直接影響到整個電網的運行穩定性以及經濟性。同時，發電廠的用電系統與運行，對發電機組的影響也越來越大。由此可以看出，如果中低壓母線出現故障，它會產生弧光，所產生的弧光對電力設備及人本身的影響大，會造成不同程度的損傷，有時還會引發“鏈式反應”。

現行的繼電保護設計標準，是采用借助于上元件的后備過流的方法來保護，從而切除中低壓系統母線短路的問題，這樣的做法存在弊端。電路故障應該在盡可能短的時間得到維修，而這類保護方法會導致維修時間增長，對設備也有一定的損傷。這些問題如果沒有及時解決，還會引起不同程度的事故，輕則會發展為輸電網故障，重則會使電力系統出現整體性故障。

產生中低壓弧光故障的因素

中低壓電力系統在運行中發生的弧光故障事故，多是受到環境條件的影響，絕緣材料受潮、設備表面產生凝露和附著污穢，從而使設備絕緣水平下降引發事故。

（1）弧光產生的技術原因

設備故障和帶電設備的誤操作，檢修工具遺漏在開關設備內，錯誤的接線和母線連接，絕緣老化和機械磨損、過電壓，小動物、灰塵、溫度、濕度、腐蝕等環境因素，容性接地電流擴大等。

（2）弧光產生的人為原因

誤入帶電間隔，隔離開關誤操作，忘記在工作區接地，忘記測量工作區內的高壓等。

除此之外，電力系統的迅速發展，電網的結構總是在不停地改變，用電負載在增多，從而導致電纜增多，電量超負荷，也容易導致故障發生。

弧光故障事故的危害

弧光產生的溫度可達4500℃，內部溫度甚至有10000～20000℃。弧光產生時大瞬時功率可達到40MW，弧光光強可超過正常照明光強2000多倍。因此中低壓開關柜內因故障而產生電弧時若不能及時采取合理措施，則會產生諸多危害。

（1）對設備的危害：電弧發生時產生大量高溫高壓氣體，氣體瞬時沖擊波可造成開關柜體變形、破碎；沖擊波爆破震動可造成開關柜劇烈震動，使各連接處緊固件松脫；產生的高溫可引起電纜燃燒、銅排融化、鋁排氣化，甚至將開關柜外殼金屬融化、元器件嚴重損壞并引起火災。

（2）對人的危害：高溫灼傷皮膚；熔化的金屬蒸發并滲入人的皮膚表層造成皮膚金屬化；高強度弧光傷害眼睛，甚至造成角膜脫落；高溫燃燒產生的粉塵和有毒有害氣體損傷呼吸系統；弧光電流作用于人體可使肌肉產生非自主劇烈收縮，也可損傷肌腱、皮膚、血管、神經組織等。

電弧產生的能量與I ?t成指數規律快速上升，其不僅與故障電流的大小有關，還與燃弧時間有關。根據故障點的不同，通常情況下故障短路電流會在幾千安至幾萬安，故障若不能及時切除以熄滅電弧，則會產生巨大能量。總之，開關柜發生內部電弧故障，不論是對開發設備還是對附近的工作人員，其危險性不可謂不嚴重。

圖1 電弧能量-時間曲線

弧光保護與傳統保護之間的比較

傳統母線保護方案有如下幾種。

（1）進線過流保護方案

利用微機過流保護實現中低壓開關柜及其母線保護方案。過流保護動作時間需與各饋線過流保護時間配合，至少在300 ms 以上，動作時間不能滿足快速切除弧光短路故障的要求。

（2）變壓器后備過流保護方案:

該方案是目前應用廣泛的中低壓母線保護方案，保護跳閘時間一般整定為1. 2 ～ 2. 0 s，更加不能滿足快速切除中低壓母線和線路故障的要求。

（3）環流原理的高阻抗母線保護方案:

該方案是專用的母線保護方案，保護動作時間一般為35 ～ 60 ms。但是這種方案接線復雜、對CT 要求高，安裝在中低壓開關柜有很多困難，也不經濟。此外，由于其保護范圍受到CT 安裝位置的限制，不能保護發生故障概率較高的電纜接頭處的故障，并且也不能提供故障定位，因此其實用性差。

弧光保護專門用于來保護中低壓開關柜母線，它的動作時間快，相比于傳統的保護系統，更具優越性，它采用弧光和電流閉鎖的方法來進行雙重判斷，增加了可靠性和性。它在發生故障時，能準確地定位，可減少維修人員查找故障點的時間，大大減短了維修時間，從而保障事故檢修之后快速恢復供電。

安科瑞ARB5系列弧光保護裝置

安科瑞ARB5系列弧光保護裝置具有原理簡單、動作可靠迅速、對變電站一次設備無特殊要求、適應于各種運行方式、且在各種運行方式下保護不需要切換等優點，為目前發電廠、變電站、工業及商業配電系統0.4kV - 35kV中低壓母線保護理想的解決方案。它通過弧光+電流雙重判據或弧光單判據啟動保護，其弧光單判據動作時間≤7ms；弧光+電流雙判據動作時間≤20ms，為快速切除中低壓弧光故障提供了技術支持。

圖2 ARB5弧光保護邏輯原理圖

ARB5弧光保護還具有失靈保護、CT監測、弧光故障點定位、弧光光纖鏈路自檢及裝置異常自檢、支持包括IEC61850在內的主要行業內通訊協議等功能。

圖3 ARB5弧光保護典型配置圖

中低壓開關柜母線弧光保護的應用案例

安科瑞ARB5系列弧光保護裝置廣泛應用于中低壓開關柜母線保護。

（1） 某機場10kV開關柜母線弧光保護

圖4 某機場10kV開關柜ARB5弧光保護安裝圖

（2） 某工廠0.4kV開關柜母線弧光保護

圖5 某工廠0.4kV開關柜ARB5弧光保護安裝圖

結束語

中低壓系統母線的保護，不僅需要、熟練地掌握技術，還需要一些保護系統來協調配合完成，而弧光保護作為一個理想的解決方法，可以合理地解除故障，減少設備維護的次數，提高電力系統的經濟效益，提高電力系統的性和可靠性。