开关柜内弧光短路及故障危害及防护

开关柜是电力系统运行过程中的重要电力设备，只有确保开关柜的可靠性才能保证整个电力系统的正常运行。但实际上电力系统运行中的常见严重故障之一就是由开关柜内部故障电弧引发的事故。

 

相关调查资料显示，我国变电所每年出现开关柜故障的概率达到0.8%，农村配电网中开关柜故障的概率甚至更高。开关柜内部故障电弧会给整个电力系统和用户带来非常严重的影响，给电力企业造成巨大的经济损失，甚至还会造成严重的人员伤亡事故和周边建筑物破坏等。这些时有发生的事故严重威胁着配电系统的安全经济运行，已引起国内电力部门的高度重视。

开关柜内故障电弧出现的原因与危害

造成开关柜内部故障电弧发生的原因主要有设计不合理、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)、电网结构的改变等都会造成开关柜故障。

 

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、弧光短路所释放的巨大的能量所产生的各种电弧效应，会对附近的工作人员造成严重的伤害。例如：感应电压会侵害人的肌肉、神经，电弧燃烧产生的高温气体会使人的皮肤严重烧伤，强烈的闪光导致失明，爆破声导致永久性失聪，爆破性压力冲击波会造成在高空工作的人员坠落、碎片的飞射将损伤人体，电弧燃烧所产生的有毒气体会伤害人的呼吸系统等。

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。在这样的温度环境下容易造成铜排、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。电弧还可能引致相邻盘体、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、甚至被烧毁等。

可见，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。

柜内电弧故障危害如何防护？

根据国内外试验研究，燃弧时间与造成开关柜损坏程度关系如下：

故障电弧持续时间超过100 ms时电缆开始燃烧，超过150ms时铜或铝母线开始燃烧，超过200 ms时开关柜外壳的钢板也发生燃烧，开关柜设备有发生爆炸的危险。如果在5ms内将开关柜内部短路故障电弧熄灭，其电弧故障产生的热效应对开关柜造成的损坏很小，仅对开关柜热缩套管和环氧树脂绝缘造成轻微损坏，其他开关柜内的非故障部位的母排、电缆、元器件将保持完好状态。

可见从保护开关柜，减小设备损坏考虑，保护动作切除故障时间应小于100ms。不过传统开关柜一般通过例行巡检，定期预防性试验来判断设备的健康状态，难以及时发现故障隐患。因此，很有必要引入快速切除弧光故障的保护系统。才茂开关柜智能化解决方案提供集成多种数字化监控功能，帮助用户以全新的方式监测预防操作和管理变电站。

开关柜弧光监测及防护方案

才茂智能开关柜解决方案是利用物联网技术、边缘计算技术及IEC61850技术，实现了开关柜健康情况的“自我感知、自主监测、自动预警”及远程的可视化全电控操作功能。通过边缘计算、各类传感器、一键控制、视频监测和人机交互通过采集现场设备的状态信息，对现场设备的健康状态进行分析，并根据分析结果，启动不同级别的报警信号。当电力系统开关柜出现故障电弧时，自动保护装置就会迅速切断开关柜与其他电力设备的连接，防止开关柜内部故障电弧影响扩大，减少不利影响和危害。该方案还能客观反映出电力系统运行中的异常情况，可以将实际运行状态与运行参数进行对比，如果发现异常情况就会发出差异信号，便于检修人员及时发现故障、排除故障。

方案的运用对提高开关柜内部电弧防护技术水平及实现整个开关柜的健康管理有着积极的推动作用，大大减少了用户损失和供电损失，提高了用户的供电可靠性，具有良好的经济效益和社会效益。监测防护方案分为以下几种：

1、断路器机械特性监测

断路器机械特性监测主要用于在线监测开关柜内断路器的机械动作性能。在不破坏原有结构的前提下，在断路器传动杆下端安装红外位移传感器，将每次分合闸动作所产生的机械特性数据实时上传至智能监测单元IED，当发生异常时能够及时维护，减少因断路器自身故障而引起的意外损失，为开关柜的状态检修提供依据。

 

2、开关柜电动机构监测

断路器使用寿命与分、合闸操作次数有关，尤其是开断电流的大小造成的影响，是其寿命的一个重要参数，开关柜电动机构监测通过IED内置霍尔传感器对断路器分闸次数统计，区分故障分闸和操作分闸，通过绘制其电流曲线，可以判定其基本状态，建立分合闸线圈电流波形专家图库，为运维检修提供数据参考。

3、温升实时监测

开关柜温升过高带来的氧化腐蚀，会加速导致接触电阻增加，进而加速温升，形成恶性循环，从而导致设备损坏，发生爆炸等严重情况。温升实时监测可在断路器的每个触臂上安装温度传感器，变化中的温度信号，通过自供电无线通信模块实时传输到智能监测单元IED感知温升变化，提前介入预防。

4、一键顺控

一键顺控，即一键完成开关柜的送电、停电过程。断路器底盘车采用电动机构，可在工作运行位置及实验位置之间自动摇入摇出，同样基地刀闸也升级为电动操作，这样断路器和基地开关就实现了就地或远程自动操作，避免了手动操作带来的安全隐患，保证人身安全。

5、可视化视频监控

柜体内重要位置都安装有摄像头，具备视频监测功能。开关柜物联终端通过采集柜内断路器室及电缆室视频数据进行视频图像处理分析，判断断路器触头及活门的动作以及接地刀闸的合分动作，从而实现可视化操作，支撑运维人员的精准运维。

方案优势

1、提升管理效率、降低运行管理成本

工作人员在监控室即可实时监控配电柜环境数据、设备运行状态，全面掌握配配电设备的各种信息，减少运营人员巡检工作，降低运维成本。

2、提高综合用电管理水平

为管理部门提供用电成本、效率管理、电力运行调度管理等功能，为管理人员运行策略和用能策略提供有效依据，提高政企部门电力运行调度管理效率。

3、故障实时监测，防护更安全

拥有丰富的告警方式和策略，有效避免多种事故的发生，提高运维响应速度，从而保障居民生命财产安全。