浅谈中低压母线装设弧光保护的必要性

【摘要】中低压开关柜作为电能生产与分配的基础设施之一，使用量逐年增加，并且使用场合的复杂性也在增加。成套开关设备中母线故障产生的弧光将烧坏其元器件,从而导致事故扩大,往往造成较大的经济损失,而母线弧光保护正好解决了这个难题，能够很好地保护开关设备并降低损失。

【关键词】中低压开关柜；母线故障；弧光保护

引言

弧光放电不仅会造成停电事故，还会造成设备性损坏和人身伤害，带来不可估量的损失。弧光放电事故是中低压开关柜内严重的事故之一，本文就几个方面来探讨中低压母线装设弧光保护的必要性。

重视中低压母线故障的原因

我国电力发展建设已经进入大电网、大机组、压输电阶段，并且对发电机组的容量要求越来越高，这对电力系统运行提出了更高的要求，因为单台大机组的运行情况，会直接影响到整个电网的运行稳定性以及经济性。同时，发电厂的用电系统与运行，对发电机组的影响也越来越大。由此可以看出，如果中低压母线出现故障，它会产生弧光，所产生的弧光对电力设备及人本身的影响大，会造成不同程度的损伤，有时还会引发“链式反应”。

现行的继电保护设计标准，是采用借助于上元件的后备过流的方法来保护，从而切除中低压系统母线短路的问题，这样的做法存在弊端。电路故障应该在尽可能短的时间得到维修，而这类保护方法会导致维修时间增长，对设备也有一定的损伤。这些问题如果没有及时解决，还会引起不同程度的事故，轻则会发展为输电网故障，重则会使电力系统出现整体性故障。

产生中低压弧光故障的因素

中低压电力系统在运行中发生的弧光故障事故，多是受到环境条件的影响，绝缘材料受潮、设备表面产生凝露和附着污秽，从而使设备绝缘水平下降引发事故。

（1）弧光产生的技术原因

设备故障和带电设备的误操作，检修工具遗漏在开关设备内，错误的接线和母线连接，绝缘老化和机械磨损、过电压，小动物、灰尘、温度、湿度、腐蚀等环境因素，容性接地电流扩大等。

（2）弧光产生的人为原因

误入带电间隔，隔离开关误操作，忘记在工作区接地，忘记测量工作区内的高压等。

除此之外，电力系统的迅速发展，电网的结构总是在不停地改变，用电负载在增多，从而导致电缆增多，电量超负荷，也容易导致故障发生。

弧光故障事故的危害

弧光产生的温度可达4500℃，内部温度甚至有10000～20000℃。弧光产生时大瞬时功率可达到40MW，弧光光强可超过正常照明光强2000多倍。因此中低压开关柜内因故障而产生电弧时若不能及时采取合理措施，则会产生诸多危害。

（1）对设备的危害：电弧发生时产生大量高温高压气体，气体瞬时冲击波可造成开关柜体变形、破碎；冲击波爆破震动可造成开关柜剧烈震动，使各连接处紧固件松脱；产生的高温可引起电缆燃烧、铜排融化、铝排气化，甚至将开关柜外壳金属融化、元器件严重损坏并引起火灾。

（2）对人的危害：高温灼伤皮肤；熔化的金属蒸发并渗入人的皮肤表层造成皮肤金属化；高强度弧光伤害眼睛，甚至造成角膜脱落；高温燃烧产生的粉尘和有毒有害气体损伤呼吸系统；弧光电流作用于人体可使肌肉产生非自主剧烈收缩，也可损伤肌腱、皮肤、血管、神经组织等。

电弧产生的能量与I ?t成指数规律快速上升，其不仅与故障电流的大小有关，还与燃弧时间有关。根据故障点的不同，通常情况下故障短路电流会在几千安至几万安，故障若不能及时切除以熄灭电弧，则会产生巨大能量。总之，开关柜发生内部电弧故障，不论是对开发设备还是对附近的工作人员，其危险性不可谓不严重。

图1 电弧能量-时间曲线

弧光保护与传统保护之间的比较

传统母线保护方案有如下几种。

（1）进线过流保护方案

利用微机过流保护实现中低压开关柜及其母线保护方案。过流保护动作时间需与各馈线过流保护时间配合，至少在300 ms 以上，动作时间不能满足快速切除弧光短路故障的要求。

（2）变压器后备过流保护方案:

该方案是目前应用广泛的中低压母线保护方案，保护跳闸时间一般整定为1. 2 ～ 2. 0 s，更加不能满足快速切除中低压母线和线路故障的要求。

（3）环流原理的高阻抗母线保护方案:

该方案是专用的母线保护方案，保护动作时间一般为35 ～ 60 ms。但是这种方案接线复杂、对CT 要求高，安装在中低压开关柜有很多困难，也不经济。此外，由于其保护范围受到CT 安装位置的限制，不能保护发生故障概率较高的电缆接头处的故障，并且也不能提供故障定位，因此其实用性差。

弧光保护专门用于来保护中低压开关柜母线，它的动作时间快，相比于传统的保护系统，更具优越性，它采用弧光和电流闭锁的方法来进行双重判断，增加了可靠性和性。它在发生故障时，能准确地定位，可减少维修人员查找故障点的时间，大大减短了维修时间，从而保障事故检修之后快速恢复供电。

安科瑞ARB5系列弧光保护装置

安科瑞ARB5系列弧光保护装置具有原理简单、动作可靠迅速、对变电站一次设备无特殊要求、适应于各种运行方式、且在各种运行方式下保护不需要切换等优点，为目前发电厂、变电站、工业及商业配电系统0.4kV - 35kV中低压母线保护理想的解决方案。它通过弧光+电流双重判据或弧光单判据启动保护，其弧光单判据动作时间≤7ms；弧光+电流双判据动作时间≤20ms，为快速切除中低压弧光故障提供了技术支持。

　　图2 ARB5弧光保护逻辑原理图

ARB5弧光保护还具有失灵保护、CT监测、弧光故障点定位、弧光光纤链路自检及装置异常自检、支持包括IEC61850在内的主要行业内通讯协议等功能。　　

图3 ARB5弧光保护典型配置图

中低压开关柜母线弧光保护的应用案例

安科瑞ARB5系列弧光保护装置广泛应用于中低压开关柜母线保护。

（1） 某机场10kV开关柜母线弧光保护

　　图4 某机场10kV开关柜ARB5弧光保护安装图

（2） 某工厂0.4kV开关柜母线弧光保护

　　图5 某工厂0.4kV开关柜ARB5弧光保护安装图

结束语

中低压系统母线的保护，不仅需要、熟练地掌握技术，还需要一些保护系统来协调配合完成，而弧光保护作为一个理想的解决方法，可以合理地解除故障，减少设备维护的次数，提高电力系统的经济效益，提高电力系统的性和可靠性。

现场︱一起电缆故障引发母线弧光短路的分析处理

中国电工技术学会将于2016年12月23日（周五）在北京铁道大厦举办“2016第三届轨道交通供电系统技术大会”。

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中冶集团铜锌有限公司巴基斯坦•山达克铜金项目的研究人员尤家安，在 2016 年第 10 期《电气技术》杂志上撰文，通过事故案例对电缆线路发生短路故障而引发的低压配电柜母线弧光短路致人面部烧伤事故，从多方面进行了详实的分析，并确定了事故原因、处理方法和防范措施，为从事该项工作的检修技术人员提供现场经验参考。

据不完全统计，低压触电事故占整个触电事故的60％以上[1]。其潜在的安全隐患主要表现在违章作业、设备老化失修、检查维护等方面，其中空气开关发生的故障很普遍，如果对电气设备检修维护工作不到位，忽视了小的设备缺陷侥幸心里导致的伤人事故就会发生，年积月累形成的安全隐患时刻威胁着现场检修人员。

1 事故概况

1.1 供电方式

本案例配电变压器容量为315kVA，二次侧0.4kV经电缆线引入低压进线柜，经DW15/1600总开关接入低压母线段，总开关设有速断保护、过负荷保护等。

故障线路是由低压配电柜的一个DZ-100空气开关（以下简称开关）经地埋电缆向#3仓库配电箱供电，供电系统图见图1所示。

图1 短路故障一次系统图

1.2 事发经过及现象

2015年2月27日接到公司#3仓库没有电的报告，派检修人员前去检查处理。检修人员对#3仓库用电情况查无异常，返回到配电室发现给#3仓库供电的开关是在跳闸状态，随即合闸送电，但合闸即跳，然后将#3仓库中的总开关拉开，对来自配电室的主电缆线用500V摇表进行绝缘检查，结果是：相间及对地绝缘均大于0.5MΩ，满足绝缘最低要求，但有不稳定摆动现象（0.6-0.8MΩ）。

检修人员认为故障可能出在用电设备上，因此将#3仓库的用电负荷全部拉开，然后手机通知在配电室等候的检修人员再次合闸送电。

因为操作者不知道故障是否排除，所以手持1米长绝缘木棒对开关进行远距离躲避性合闸，不料在合闸瞬间一声巨响，门外的监护人亲眼目睹了惊人的一幕，操作者瞬间被弧光包围，喷射出的爆燃物及金属颗粒四处飞溅，距开关柜2米远的墙壁也被喷射的乌黑，地面到处都是喷溅的金属渣，相邻的4个空气开关烧焦报废，接引铜排和水平铜排熔化。

在强大的母线短路电流作用下，开关柜总进线DW15/1600TH 380V开关速断动作跳闸，燃烧的弧光团熄灭。操作人员面部严重烧伤，由于戴着护目镜仅造成短时失明。事故现场见图2所示。

图2 事故现场

2 故障分析

2.1 故障检查

1）故障发生后，用500V摇表对#3仓库主电缆进行绝缘检查，发现相间及对地绝缘在0-0.1 MΩ之间变化，确认电缆已经短路，而且短路状态很不稳定。

经反复查找短路点位于配电室约100m（电缆长度）处的厂区道路段，挖出电缆发现，由于车辆反复重压使电缆外防护管及绝缘层破坏，恰巧赶上近期的一次降雨，在电缆的破损处发生了短路，电缆已经烧断线芯之间严重碳化。

事故之前检查三相绝缘均大于0.5MΩ而事故后则变成了0MΩ，说明短路点处在不稳定状态（时好时坏），导致配电室的开关DZ-100跳闸停电。

2）拆解开关发现内部焦黑不堪，三相极间隔板碳化严重，说明电缆三相短路使开关内部发生过瞬间电弧燃烧，但动、静触头并没有明显烧熔痕迹，虽然绝缘部分碳化严重，但是内部并没有发生相间短路现象，开关内部烧损情况见图3所示。

图3 开关内部烧损情况

2.2 对故障开关的分析

1）从开关的分断容量分析

根据三相短路电流有效值的计算[2]，设系统容量为无穷大，简化计算可忽略系统、母线、开关等阻抗。则：

开关DZ-100的极限分断电流是ICN＝18kA，从短路电流计算结果看IK＝2.44kA＜＜18kA，开关的分断能力可以满足要求，开关被烧坏一定另有原因。

2）从开关内部分析

国外一些发达国家很早就规定了最小的触头开距：额定低压在125V以上为5mm，300-600V为6mm（我国没有技术标准明文规定）[3]，实测故障开关触头的开距为6mm满足要求，仔细观察发现动、静触头并没有明显烧损痕迹，说明动、静触头之间不存在持续电弧，否则会将触头熔化。

电弧虽然产生在触头之间，但是远在触头来得及完全分开以前，灭弧磁场即已将其从触头间隙中排出[4]，就故障开关触头的6mm开距而言不会影响电弧的熄灭过程。

分析认为：当开关带着短路点d1合闸时见图1所示，开关的短路（电磁保护）保护动作将已经闭合的触头立刻分开，故障电流在动、静触头之间产生的故障电弧会比正常电弧大许多倍，因此短路电流在电弧通道周围产生的强磁场作用下将此电弧通过灭弧删片缝隙从开关上部排气筛孔（带孔的电木板）快速喷出见图4所示，因为电弧在动、静触头之间燃烧时间极短，所以触头无明显损伤。

图4 开关内部喷出的电弧在外部形成电弧短路烧损情况

3）从开关外部分析

在事故前几天刚做完设备吹扫工作，开关外部存在金属性杂物短路的可能性不大，开关上端短路是由于带故障合闸才发生的，说明与被操作的开关有一定关系。

经过反复检查对比其它同类型开关，发现原本配置的相间隔弧板都没有安装见图4，而且这种现象低压配电柜普遍存在，原因是：妨碍卫生清扫，一旦碰掉了也无人恢复过问，由于缺少相间隔弧板而导致短路故障的概率并不高认为是多余的配置，所以不被重视。

据现场统计，100A以下的空气开关有500余个，应该配置相间隔弧板的有98%都没有按要求安装，可见不被重视的程度。

开关上端隔弧板按规定必须装配好。相间隔弧板是防止开关上端相间电弧短路的重要屏障，电源端子及接引铜排相间距离只有17mm见图4。

当电缆存在三相短路时，如果带故障合闸开关触头之间就会形成强烈电弧，此电弧从开关排气筛孔同时喷出的三束导电电弧（飞弧）将三相接线螺丝和接引裸铜排连为一体形成相间电弧短路，接线螺丝烧熔情况见图4所示。

因为三相短路电流周期不可能同时过零点，所以持续燃烧无法熄灭，迅速向上扩展将上部相距70mm处的水平裸母线排包围其中，进而发展成更强烈的爆燃性弧光团d2短路点。

4）开关缺少相间隔弧板与电弧短路的关系

开关普遍存在相间隔弧板缺失问题，为何没有频繁出现开关电弧短路现象呢？

原因之一，当线路发生单相接地或两相短路时，相对三相短路电流要小得多，开关触头之间形成的电弧相对较弱，电弧受到短路电流产生的电动力作用也小，电弧经过灭弧删片会完全被吸收，因此在开关上端电源端子之间就不会发生电弧短路，如果短路不严重时就会出现合闸即跳的现象而不会将故障扩大。

原因之二，当距离电源较近时产生的三相短路电流较大才有可能引发电弧溢出开关壳外现象，且电缆发生三相短路的概率并不高。

原因之三，与开关的结构有关，特别是那些排气筛孔距离开关接线螺丝较近的，更容易发生外部电弧短路。

就上述三点原因，因为开关相间隔弧板缺失而造成的电弧短路属小概率事件，所以相间隔弧板是不被重视的原因所在。

2.3 电缆短路是事故的直接原因

#3仓库停电，是因为电缆绝缘层遭外力破坏短路导致跳闸。虽然送电前经过绝缘电阻测量大于0.5MΩ已达到送电要求，但读数有不稳定摆动现象，说明经过前两次短路跳闸后，电缆被烧断的横截面上线芯之间被碳化层覆盖其绝缘电阻存在着不稳定性，在这种情况下绝缘电阻虽然大于0.5MΩ，但不稳定摆动现象（0.6-0.8MΩ），说明碳化层绝缘恢复是极不稳定的，一旦施加工频电压绝缘就会消失。

绝缘恢复程度受到碳化轻重、干燥程度等多种因素影响，教训告诉我们，不稳定的绝缘是不可信的，一定存在着没有被发现的隐患，由于没有真正排除隐患就合闸送电，由于不重视开关相间隔弧板的安装和使用，所以最终发生弧光短路伤人是必然的，如果有一个环节得到重视也不会发生此类事故。

3 处理结果及防范措施

配电柜顶部主母线保留，烧毁的开关、母线、接引铜排等全部拆除更换，将碳化层用汽油清洗并喷漆处理，按开关柜原配置恢复其原样。

防范措施：低压开关电源侧必须保证相间隔弧板齐全，完善母线（包括开关接引裸铜排）外绝缘防护，必须彻底排除短路故障后才能合闸送电。

血的教训告诉我们电气设备检修维护工作要认真做好每一个环节，不能有侥幸心里只图一时方便，最终酿成安全大患。

4 事故结论

综合以上分析，事故的直接原因是由于电缆外防护管及绝缘层被破坏导致电缆短路引起的。

操作中带短路故障合闸送电，使开关内部产生强烈电弧，在短路电流形成的强磁场作用下，通过开关排气筛孔将三束导电电弧喷出开关外部，在开关上端发生三相电弧短路并引燃了接引裸母线排，造成了更大的母线弧光短路，开关上端相间隔弧板没有按装或丢失，才是造成母线爆燃性弧光短路烧毁设备及人员烧伤事故的主要原因。

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