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摘要：本文分析中壓开关柜的产生内部弧光短路故障的原因及故障特性；介绍开关柜内部弧光故障的危害及防护措施；并对比以往的过流保护，介绍弧光保护的方案及特点。
关键词：弧光短路，过流保护，弧光保护
中图分类号：TN133文献标识码： A
1 引言
中压开关柜内部弧光短路故障往往被人们忽视。大量运行数据表明，尽管采取了各种措施加强开关柜内绝缘，但弧光短路故障及引起的事故时有发生。同时现行的继电保护对弧光短路存在死区。
2 弧光短路的故障特性及危害
2.1弧光短路故障的成因
中压开关柜内弧光短路故障的原因大致有：设计不合理、制造质量差、绝缘老化（或绝缘气体泄漏）、机械磨损、运行条件恶劣（高温、潮湿、污秽、化学侵蚀等）、维护及操作不当、外来因素（小动物的进入等）、电网结构的改变等等。
2.2电弧故障的特性
弧光故障的形成经历压缩、膨胀、发射、发热四个阶段。其整个过程带来压力效应、热效应、辐射和声效应。
2.3弧光短路故障的危害
开关柜内弧光短路故障带来的危害主要分为对现场工作人员的伤害及对开关设备及邻近配电设备的损害。
1、弧光短路的各种效应将严重威胁工作人员的人身安全。如：触电死亡，高温气体导致皮肤致命烧伤，强烈的闪光导致失明，爆破声导致永久性失聪、内障损伤，冲击波导致在高空工作的人员坠落，碎片飞射导致人体损伤，产生有毒气体导致呼吸系统受损等。
2、开关柜内部发生弧光短路时，弧光发生点的温度高达太阳表面温度的2~4倍。如此高的温度将造成铜排、铝排熔毁和汽化，使电缆熔毁、电缆包覆层着火，并造成柜内污损、保护漆焚毁、清理困难。此外，高温、高压气体还可能以极快扩散到相邻盘体，从而造成多组开关柜同时烧毁的“火烧连营”事故。电弧还可能引致建筑物材料或电缆火灾。同时柜内压力急骤上升。它产生的压力将造成开关柜盘体变形、破碎。此外，电弧燃烧产生的爆破音将造成盘内强烈震动、使固定元件松脱。开关柜内部弧光短路故障持续期间巨大的故障短路电流将对昂贵的主变压器或厂用变造成冲击而使其绝缘损坏、寿命缩短，甚至被烧毁。
可见，尽管开关柜内发生弧光短路故障的概率不高，但一旦发生开关柜内部弧光短路，会给附近操作人员和设备造成极大的危害。
4 传统弧光短路防护措施存在的问题
IEC298《交流金属封闭开关设备和控制设备》规定：电弧故障的危害程度取决于电弧电流及切除时间。只有总切除时间小于85ms，才能使设备不遭受损害，总切除时间大于100ms，将会对设备造成不同程度的损害。
以往对开关柜柜内弧光短路故障，基本上都是采用消极性防护措施。大致分为以下几类。
1、采取优化开关柜的结构设计来降低弧光故障产生的危害，如加强开关柜的结构，密封隔离各单元室、设置泄压通道、采用气体绝缘等。采取这些措施一定程度上能减小弧光短路对设备的破坏程度；但是采用通过该方式来增加开关柜的燃弧耐受时间需要增加较大成本。
2、继电保护设置。以往国内针对母线故障采用的都是后备保护，如：变压器后备过流保护、或馈线速断保护闭锁的变压器后备过流保护。由于存在级差配合问题，其整定延时时间至少在300ms以上，有的过流保护整定值甚至长达2s以上。线路差动保护（典型的保护动作时间为35ms～60ms）保护范围受流互安装位置的限制，不能保护到发生故障几率较高的电缆室电缆接头处的故障，不能提供故障定位功能，且价格昂贵。
显然，传统的保护方案不能满足快速切除故障或保护覆盖范围要求。
5 弧光保护装置的应用
5.1概述
弧光保护装置可称为积极性防护措施，及时检测开关柜内部产生的故障电弧，并将电弧快速加以消除。从根本上限制故障电弧的发展，消除其各种效应对设备和人员的危害。其保护配置方案分为以下几种：
1、以压力值做判据。当内部的压力达到设定值时，电弧监测装置发出动作指令。然而，预先断定电弧在柜内产生的过压值并非一件易事。试验证明，该方案效果不理想。
2、以光通量为做判据，柜体内出现的弧光会被弧光传感器探测到，因为强烈的光辐射与电弧现象有关。弧光控制系统探测到故障，并发出脱扣信号给断路器。这种情况的探测反应时间仅1毫秒。
3、以光通量和电流增量做判据，基于检测开关柜发生内部故障时发出的弧光为主，同时为了防止误动作采用过流作为闭锁条件，即保护系统只有同时检测到弧光和过流时才发出跳闸指令，因而具有高速及可靠的动作性能。
5.2 保护装置方案
以上述方案3为例，弧光保护装置由三部分组成：弧光保护主单元、弧光保护辅助单元和弧光传感器。弧光传感器可放置在开关设备的任何位置，根据弧光传感器的实际物理位置可实现保护分区的功能，并在弧光保护主单元上显示故障发生的位置，此功能可减少断电的处理时间，使快速恢复供电成为可能。图1为Schneider自主研发的弧光保护装置示意。
图1 传感器布置位置示意
5.3 与传统保护的对比
按目前的制造水平，弧光保护装置和传统过流保护装置切除故障时间对比见表1。
表1 两种保护对比
以上数据表明，弧光保护装置大大提高了故障处理速度。
6. 总结
弧光保护克服了传统母线保护的缺陷，大大提高故障处理速度，可以有效解决弧光短路故障所造成的危害，减少设备维护及人员伤亡，提高电力系统的安全及经济效益。通过加强开关柜的结构，在一定程度上可以限制弧光短路故障的危害，但却需要增加较多费用，笔者认为当前开关柜厂家制造水平参差不齐，在重要场合的中压开关柜设置弧光保护是最有效和经济的限制弧光短路故障危害的方法。
参考文献
[1]陈浪.中压母线装设电弧光保护的必要性.企业科技与发展.2009,8.
[2]陈纪纲等.电弧光保护装置在客运专线牵引变电所的应用.高速铁路技术.2011，10:2(6).
[3]方怡.高速铁路牵引变电所母线弧光保护的研究.电气化铁道.2011,4.
[4]张喜玲等.弧光保护关键技术研究.电力系统保护与控制.2013,7：14(41).
[5]吴英俊等.中低母线加装专用继电保护的必要性和几种方案的探讨，上海电力学院学报.2013,2:1(29).
关键词：弧光短路，过流保护，弧光保护
中图分类号：TN133文献标识码： A
1 引言
中压开关柜内部弧光短路故障往往被人们忽视。大量运行数据表明，尽管采取了各种措施加强开关柜内绝缘，但弧光短路故障及引起的事故时有发生。同时现行的继电保护对弧光短路存在死区。
2 弧光短路的故障特性及危害
2.1弧光短路故障的成因
中压开关柜内弧光短路故障的原因大致有：设计不合理、制造质量差、绝缘老化（或绝缘气体泄漏）、机械磨损、运行条件恶劣（高温、潮湿、污秽、化学侵蚀等）、维护及操作不当、外来因素（小动物的进入等）、电网结构的改变等等。
2.2电弧故障的特性
弧光故障的形成经历压缩、膨胀、发射、发热四个阶段。其整个过程带来压力效应、热效应、辐射和声效应。
2.3弧光短路故障的危害
开关柜内弧光短路故障带来的危害主要分为对现场工作人员的伤害及对开关设备及邻近配电设备的损害。
1、弧光短路的各种效应将严重威胁工作人员的人身安全。如：触电死亡，高温气体导致皮肤致命烧伤，强烈的闪光导致失明，爆破声导致永久性失聪、内障损伤，冲击波导致在高空工作的人员坠落，碎片飞射导致人体损伤，产生有毒气体导致呼吸系统受损等。
2、开关柜内部发生弧光短路时，弧光发生点的温度高达太阳表面温度的2~4倍。如此高的温度将造成铜排、铝排熔毁和汽化，使电缆熔毁、电缆包覆层着火，并造成柜内污损、保护漆焚毁、清理困难。此外，高温、高压气体还可能以极快扩散到相邻盘体，从而造成多组开关柜同时烧毁的“火烧连营”事故。电弧还可能引致建筑物材料或电缆火灾。同时柜内压力急骤上升。它产生的压力将造成开关柜盘体变形、破碎。此外，电弧燃烧产生的爆破音将造成盘内强烈震动、使固定元件松脱。开关柜内部弧光短路故障持续期间巨大的故障短路电流将对昂贵的主变压器或厂用变造成冲击而使其绝缘损坏、寿命缩短，甚至被烧毁。
可见，尽管开关柜内发生弧光短路故障的概率不高，但一旦发生开关柜内部弧光短路，会给附近操作人员和设备造成极大的危害。
4 传统弧光短路防护措施存在的问题
IEC298《交流金属封闭开关设备和控制设备》规定：电弧故障的危害程度取决于电弧电流及切除时间。只有总切除时间小于85ms，才能使设备不遭受损害，总切除时间大于100ms，将会对设备造成不同程度的损害。
以往对开关柜柜内弧光短路故障，基本上都是采用消极性防护措施。大致分为以下几类。
1、采取优化开关柜的结构设计来降低弧光故障产生的危害，如加强开关柜的结构，密封隔离各单元室、设置泄压通道、采用气体绝缘等。采取这些措施一定程度上能减小弧光短路对设备的破坏程度；但是采用通过该方式来增加开关柜的燃弧耐受时间需要增加较大成本。
2、继电保护设置。以往国内针对母线故障采用的都是后备保护，如：变压器后备过流保护、或馈线速断保护闭锁的变压器后备过流保护。由于存在级差配合问题，其整定延时时间至少在300ms以上，有的过流保护整定值甚至长达2s以上。线路差动保护（典型的保护动作时间为35ms～60ms）保护范围受流互安装位置的限制，不能保护到发生故障几率较高的电缆室电缆接头处的故障，不能提供故障定位功能，且价格昂贵。
显然，传统的保护方案不能满足快速切除故障或保护覆盖范围要求。
5 弧光保护装置的应用
5.1概述
弧光保护装置可称为积极性防护措施，及时检测开关柜内部产生的故障电弧，并将电弧快速加以消除。从根本上限制故障电弧的发展，消除其各种效应对设备和人员的危害。其保护配置方案分为以下几种：
1、以压力值做判据。当内部的压力达到设定值时，电弧监测装置发出动作指令。然而，预先断定电弧在柜内产生的过压值并非一件易事。试验证明，该方案效果不理想。
2、以光通量为做判据，柜体内出现的弧光会被弧光传感器探测到，因为强烈的光辐射与电弧现象有关。弧光控制系统探测到故障，并发出脱扣信号给断路器。这种情况的探测反应时间仅1毫秒。
3、以光通量和电流增量做判据，基于检测开关柜发生内部故障时发出的弧光为主，同时为了防止误动作采用过流作为闭锁条件，即保护系统只有同时检测到弧光和过流时才发出跳闸指令，因而具有高速及可靠的动作性能。
5.2 保护装置方案
以上述方案3为例，弧光保护装置由三部分组成：弧光保护主单元、弧光保护辅助单元和弧光传感器。弧光传感器可放置在开关设备的任何位置，根据弧光传感器的实际物理位置可实现保护分区的功能，并在弧光保护主单元上显示故障发生的位置，此功能可减少断电的处理时间，使快速恢复供电成为可能。图1为Schneider自主研发的弧光保护装置示意。
图1 传感器布置位置示意
5.3 与传统保护的对比
按目前的制造水平，弧光保护装置和传统过流保护装置切除故障时间对比见表1。
表1 两种保护对比
以上数据表明，弧光保护装置大大提高了故障处理速度。
6. 总结
弧光保护克服了传统母线保护的缺陷，大大提高故障处理速度，可以有效解决弧光短路故障所造成的危害，减少设备维护及人员伤亡，提高电力系统的安全及经济效益。通过加强开关柜的结构，在一定程度上可以限制弧光短路故障的危害，但却需要增加较多费用，笔者认为当前开关柜厂家制造水平参差不齐，在重要场合的中压开关柜设置弧光保护是最有效和经济的限制弧光短路故障危害的方法。
参考文献
[1]陈浪.中压母线装设电弧光保护的必要性.企业科技与发展.2009,8.
[2]陈纪纲等.电弧光保护装置在客运专线牵引变电所的应用.高速铁路技术.2011，10:2(6).
[3]方怡.高速铁路牵引变电所母线弧光保护的研究.电气化铁道.2011,4.
[4]张喜玲等.弧光保护关键技术研究.电力系统保护与控制.2013,7：14(41).
[5]吴英俊等.中低母线加装专用继电保护的必要性和几种方案的探讨，上海电力学院学报.2013,2:1(29).