中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障電弧防護(hù)措施研究

林鄧偉

摘 ?要：電力能源是人們生活、工作、社會(huì)生產(chǎn)中必不可少的環(huán)節(jié)。隨著科學(xué)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，大量電氣、電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于人們的生活和工作中，對(duì)電能需求量不斷增加，電力系統(tǒng)的規(guī)模迅速擴(kuò)大的同時(shí)也為電力系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)、管理帶來(lái)了壓力，電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性愈發(fā)重要。中壓開(kāi)關(guān)柜是電力系統(tǒng)電能分配的核心組成構(gòu)件。當(dāng)中壓開(kāi)關(guān)柜發(fā)生故障，將可能直接影響區(qū)域用戶生活、企業(yè)生產(chǎn)以及公共設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在中壓開(kāi)關(guān)柜的故障類型中，以內(nèi)部燃弧故障的影響最大、危害性最強(qiáng)。該文首先分析了中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障產(chǎn)生電弧的原因以及給中壓開(kāi)關(guān)柜帶來(lái)的影響，再針對(duì)如何防護(hù)中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障電弧的措施進(jìn)行簡(jiǎn)要的探討。

關(guān)鍵詞：中壓開(kāi)關(guān)柜;內(nèi)部故障;電弧防護(hù)措施

中圖分類號(hào)：TM561 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)高速發(fā)展，電力系統(tǒng)作為日常能源的重要組成部分，也趨向于規(guī)?；⑾到y(tǒng)化、復(fù)雜化，對(duì)供電連續(xù)性、可靠性、安全性的要求也不斷提高。

中壓開(kāi)關(guān)柜是電力系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，在工業(yè)應(yīng)用中，中壓開(kāi)關(guān)柜的故障會(huì)對(duì)連續(xù)性生產(chǎn)產(chǎn)生影響，最嚴(yán)重的電弧故障還可能給就地操作的人員安全帶來(lái)隱患。持續(xù)的電弧故障甚至?xí)?，?dǎo)致變電站內(nèi)相連的開(kāi)關(guān)柜燒損。發(fā)生電弧故障的開(kāi)關(guān)柜由于受到高溫、高強(qiáng)度內(nèi)部作用力的破壞，往往無(wú)法繼續(xù)使用。修復(fù)或重新采購(gòu)全新設(shè)備需要一定的生產(chǎn)、安裝、調(diào)試周期，對(duì)用戶產(chǎn)生直接、間接經(jīng)濟(jì)損失以及可能的人員安全等綜合性影響。

1 中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的危害性

在電力系統(tǒng)中，配電裝置通常會(huì)分為民用和工業(yè)生產(chǎn)用2種。一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)企業(yè)的變配電裝置通常會(huì)采用成套的開(kāi)關(guān)柜。通常成套的開(kāi)關(guān)柜整體尺寸規(guī)格較小，絕緣強(qiáng)度不大，并且極容易受到外界因素的影響而產(chǎn)生絕緣的凝露或灰塵等，斷路器在推進(jìn)和推出的過(guò)程中也容易對(duì)絕緣造成一定的磨損，也可能由于產(chǎn)品質(zhì)量原因或一些其他外界因素進(jìn)入開(kāi)關(guān)柜中，這樣就使中央開(kāi)關(guān)柜的電弧容易發(fā)生短路情況，導(dǎo)致中央開(kāi)關(guān)柜的故障率升高，由此引起診斷配電裝置發(fā)生損壞或長(zhǎng)期停電的事件也較多。容易發(fā)生火災(zāi)，威脅用戶的生命財(cái)產(chǎn)安全。

中壓開(kāi)關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部故障產(chǎn)生電弧時(shí)，經(jīng)常會(huì)引起電路中電壓與電流的變化，故障電弧容易引起電流變化率升高，主要原因在于故障電弧電流的波形約為正弦波形，而電弧電壓波形作為斜頂?shù)奶菪?，電壓頂部也?huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而使得電弧的伏安特性產(chǎn)生明顯的滯環(huán)，這種情況主要是由于電弧所攜帶的電能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，并引起周圍環(huán)境溫度的急劇升高，空氣壓力也會(huì)在瞬間增大，在極短的時(shí)間內(nèi)就容易產(chǎn)生爆炸等事故，尤其中央開(kāi)關(guān)柜處于較小的空間內(nèi)，其密閉的環(huán)境極容易在電弧能量高溫高壓環(huán)境情況下引發(fā)爆炸。在這種情況下，在中央開(kāi)關(guān)柜的沖擊下會(huì)導(dǎo)致柜體爆裂，并且柜內(nèi)的元器件也容易全部燒毀。所以，國(guó)家也明確規(guī)定了中央開(kāi)關(guān)設(shè)備必須能夠進(jìn)行一定的內(nèi)部故障實(shí)驗(yàn)。所有檢驗(yàn)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，符合法律規(guī)定后才能夠投入使用。

2 中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障的計(jì)算方法

常規(guī)采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算法其理論基礎(chǔ)主要依據(jù)為能量守恒定律和理想氣體狀態(tài)方程，在實(shí)際計(jì)算中，設(shè)定壓力上升和電弧能量為假設(shè)的均衡狀態(tài)，對(duì)其氣體設(shè)定為一元等熵流動(dòng)，同時(shí)將中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的空間氣體設(shè)想為理想氣體。并設(shè)定其摩爾數(shù)為等值不變的情況，設(shè)定其物理性質(zhì)不變、體積固定。例如CR、CP不變。此時(shí)功率PP會(huì)迅速加熱氣體，暫時(shí)不考慮殼體氣流和壓力波、沖擊波以及熱導(dǎo)等條件。其時(shí)間為dt，對(duì)于電弧所提供的，導(dǎo)致氣體壓力上升的主體能量為dQ，這時(shí)就可計(jì)算氣體通過(guò)釋放口所消耗的能量，即為dE，其計(jì)算公式為：

dQ-dE=d（m·cV·T）

由氣體狀態(tài)方程pV=mRT，求導(dǎo)。

V·dp+p·dV=m·R·dT+R·T·dm

式中：R為氣體常數(shù)，V為小室的體積，m為小室內(nèi)的氣體質(zhì)量。壓力釋放裝置開(kāi)啟初始，能量不會(huì)發(fā)生損失即為dE=0，dm=0，此時(shí)結(jié)合相關(guān)豎式和4階庫(kù)塔數(shù)值方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算能量轉(zhuǎn)換系數(shù)，開(kāi)啟壓力釋放裝置后，就必須要將壓力釋放口所產(chǎn)生的氣流進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)行模型計(jì)算時(shí)，必須要注意一維理想絕熱氣體通過(guò)喉部界面為S的噴管，在計(jì)算中，假設(shè)流體通過(guò)出口界面的速度是保持高度的勻速。時(shí)間dt內(nèi)轉(zhuǎn)移氣體質(zhì)量dm計(jì)算公式為：

dm=α·S·pn·vn·dt

式中：α為氣流摩擦和收縮系數(shù)，S為出氣口有效面積，pn、vn為氣流通過(guò)壓力釋放口時(shí)的壓力、速度，dt為時(shí)間，m為釋放板的質(zhì)量。再根據(jù)熵和絕熱氣流能量方程和等熵絕熱過(guò)程關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算（計(jì)算過(guò)程略），當(dāng)氣體流出釋放口的時(shí)間之內(nèi)，氣體壓力會(huì)根據(jù)隔室內(nèi)部與外部的壓力比變化而發(fā)生變化。通過(guò)2次計(jì)算后會(huì)出現(xiàn)2種取值，如果比值小于或等于臨界壓力比，則釋放口氣體會(huì)出現(xiàn)膨脹的情況，如果2種取值比值大，則氣體壓力不可能降至相應(yīng)的背壓（壓力釋放口外界氣壓），則只能夠降至臨界壓力，其取值為臨界壓力值。

3 中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障分析方法

目前，在電力企業(yè)中常用的開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障分析方法主要包括電路敲擊法、故障排除法和圖形分析法。

電路敲擊法主要是指在設(shè)備帶電的工作運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行檢查。檢測(cè)人員可以使用絕緣的工具如橡皮小錘與進(jìn)行各種設(shè)備運(yùn)行元件的敲擊，如果電氣設(shè)備存在故障，在經(jīng)受一定的敲擊之后會(huì)發(fā)生異常情況。這就表明電氣設(shè)備存在故障隱患，需要及時(shí)進(jìn)行檢修和解決。

故障排除法主要是指對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行逐層的檢測(cè)和運(yùn)行狀態(tài)的分析，其通過(guò)對(duì)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)的觀察，需要檢測(cè)人員對(duì)電氣設(shè)備十分了解，要能夠由外至內(nèi)、層層進(jìn)行分析和推理，根據(jù)電氣設(shè)備各元件運(yùn)行狀態(tài)去判斷，在實(shí)際檢測(cè)中，使用順推理方法或逆向推理方法進(jìn)行故障的排出是較為常規(guī)的方法，將所有正常運(yùn)行的部件或連接設(shè)備排除后就能夠準(zhǔn)確地找到和排除故障。

圖形分析法主要是以電氣設(shè)備的相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù)，根據(jù)電氣設(shè)備的運(yùn)行原理和設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)圖、原理圖、構(gòu)造圖和位置圖等以及功能裝接的方式和維修方法等重要的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行電氣設(shè)備的檢查，在進(jìn)行電氣設(shè)備的診斷時(shí)，也可以根據(jù)這些圖紙和數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行綜合全面的分析，以此來(lái)作為電氣設(shè)備故障診斷時(shí)的依據(jù)[1]。

4 中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障電弧防護(hù)措施

4.1 加強(qiáng)整體系統(tǒng)的主動(dòng)性

目前在電力企業(yè)的電力系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)同時(shí)發(fā)生幾種故障，由此造成電弧混亂，極為容易引起更大的事故。因此在實(shí)際的防范過(guò)程中，必須要加強(qiáng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的檢修并提高維護(hù)水平，降低內(nèi)部故障電弧發(fā)生的概率。尤其要注意采用電流保護(hù)或低壓保護(hù)與斷相保護(hù)等相關(guān)的防護(hù)措施。并以電氣設(shè)備質(zhì)量為基礎(chǔ)定期進(jìn)行整體系統(tǒng)的維護(hù)，對(duì)于易發(fā)生故障位置要做到精細(xì)的檢測(cè)。這樣不但能夠有效地降低故障發(fā)生概率，同時(shí)，還能夠增強(qiáng)對(duì)成本的有效控制，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。

4.2 加強(qiáng)專用中壓母線保護(hù)

加強(qiáng)對(duì)專用增壓母線的保護(hù)主要的目的在于降低中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障發(fā)生概率和進(jìn)行電弧的防護(hù)。建湖匯中央開(kāi)關(guān)柜故障的原因是由于內(nèi)部的系統(tǒng)封閉。無(wú)法承受空氣爆破的壓力。而母線能夠在一定水平上增加空氣短時(shí)內(nèi)間內(nèi)發(fā)熱膨脹的壓力。利用母增壓母線提供保護(hù)后，中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障產(chǎn)生的電弧帶有的紅外線紫外線等具有穿透力的管線會(huì)在一定程度上得到隔離，可見(jiàn)光數(shù)量也會(huì)相應(yīng)的降低，能夠有效地提升電力設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。目前電力企業(yè)也在不斷地進(jìn)行中壓開(kāi)關(guān)柜增壓母線保護(hù)的研究，并且取得了一些成果。

4.3 加強(qiáng)相關(guān)系統(tǒng)定期檢修

除了對(duì)整體系統(tǒng)和主系統(tǒng)進(jìn)行定期維護(hù)之外，還需要對(duì)相關(guān)的系統(tǒng)采取相應(yīng)的保護(hù)。要從整個(gè)控制系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)3個(gè)方面來(lái)進(jìn)行全面的維護(hù)，制定科學(xué)完善的維護(hù)周期制度方案。可以在控制系統(tǒng)中增設(shè)短接開(kāi)關(guān)或差分繼電器等設(shè)備裝置，也可以選擇采用熄滅電弧的裝置進(jìn)行電弧故障的防護(hù)。這樣就能夠起到降低內(nèi)部故障電弧產(chǎn)生引發(fā)事故的概率。

4.4 加強(qiáng)電氣設(shè)備日常維護(hù)

在中央開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障電弧的防護(hù)措施中，需要加強(qiáng)對(duì)電氣控制設(shè)備的日常維護(hù)。尤其要重點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)裝置運(yùn)行故障的檢測(cè)與檢修。要將易發(fā)生故障的位置和容易產(chǎn)生故障的因素進(jìn)行直觀的檢查。通過(guò)自動(dòng)保護(hù)裝置在電氣控制系統(tǒng)中的使用，能夠在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中針對(duì)發(fā)生的故障進(jìn)行設(shè)備與設(shè)備之間連接的快速切斷，減少事故影響范圍。而且自動(dòng)防護(hù)裝置還能夠?qū)㈦娞菘刂葡到y(tǒng)所出現(xiàn)的異常情況或相關(guān)故障信息進(jìn)行預(yù)警，準(zhǔn)確的將發(fā)生故障位置進(jìn)行反映。這一功能主要是基于自身運(yùn)行條件和實(shí)際的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，如果監(jiān)測(cè)當(dāng)中發(fā)生異常信號(hào)，則可以快速進(jìn)行反應(yīng)，并提示維修維護(hù)人員進(jìn)行故障檢測(cè)[2]。

4.5 加強(qiáng)機(jī)械設(shè)計(jì)防護(hù)水平

機(jī)械設(shè)計(jì)防護(hù)措施主要可以分為隔離或絕緣等方法。隔離的措施主要是封鎖存放設(shè)備的空間，或加裝防護(hù)柵欄。由于高壓設(shè)備通常是持續(xù)帶電，且電流和電壓功率較大，所以這也是必須采取有效防護(hù)和隔離措施的主要原因。絕緣則是借助母排絕緣和高壓格式的方式來(lái)降低內(nèi)部故障電弧相互抵觸的可能性。在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程當(dāng)中，能夠有效地起到防止和降低帶電部件之間的接觸頻率，以此來(lái)來(lái)甫電弧發(fā)生。這其中需要重點(diǎn)注意的是母線系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)柜的處理，要注意絕緣措施的全面布設(shè)[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

中央開(kāi)關(guān)柜是電力系統(tǒng)中重要的組成部分。其內(nèi)部電路故障電弧時(shí)間短，破壞力強(qiáng)而且能量大。所造成的爆炸事故給人們帶來(lái)極大的生命安全威脅和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。因此，相關(guān)企業(yè)必須要嚴(yán)格地進(jìn)行中央開(kāi)關(guān)柜產(chǎn)品質(zhì)量的控制，加強(qiáng)對(duì)主系統(tǒng)的主動(dòng)維護(hù)和相關(guān)系統(tǒng)的維修，并定期對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行檢查。提高檢修人員的專業(yè)水平和操作人員的安全意識(shí)，實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]徐翠麗.中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障電弧防護(hù)措施[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（6）：180，190.

[2]方文波.中壓柜內(nèi)部電弧故障的防護(hù)措施探討[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2017，7（23）：28-29，35.

[3]馬駿.中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障電弧防護(hù)措施[J].通訊世界，2017（14）：188-189.