探究开关设备中的故障电弧及其防护措施
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[摘 要]开关设备中的故障电弧会给人身和设备安全造成极大的危害，这一问题已引起社会的高度关注。本文笔者通过阐述故障电弧的定义和故障电弧效应，对一种新型的故障电弧检测和防护开关进行了研究，并在此基础上分析了故障电弧的防护措施。
[关键词]开关设备；故阵电弧；防护
中图分类号：J62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0051-01
随着经济发展和人们生活水平的提高，电网用户端设备容量日益增大，对开关电器的防护性能要求越来越高，特别是家居、办公场合对安全要求越来越高。从过载保护、短路保护、剩余电流保护到过电压保护、电弧故障保护等每一类配电保护产品的出现及新技术在传统产品中的应用，都诠释着用电安全性要求。在日常用电中，电弧伤害是一种常见的电气安全问题。电弧防护一直是电气工作者关注的焦点。低压配电系统中的电弧包括被动式和主动式燃弧，前者由电路分断引起，后者由线路绝缘故障导致。
一、故障电弧定义
故障电弧是一种可以用数学统计法描述的随机物理现象，这种现象也可称之为气体电离。这种气体电离首先是空气电离，并通过不同电位、电极间（相与相，相与地之间）的高温导电等离子气体保持着。如果将故障电弧看作是电网网络中一种元件的话，则它是一种随时间变化的非线性欧姆组件[1]。
二、故障电弧效应
低压柜发生电弧故障时，首先看到强烈的弧光，伴随这种现象，低压柜冒出浓浓的黑烟和强烈的爆炸声。故障电弧短路结果会产生压力效应、辐射效应和弧根效应，电弧刚点燃时，周围空气就立刻电离，气体压力迅速上升；在电弧点燃5～15ms，压力上升至0.2～0.3MPa。故障电弧40%的能量产生了压力效应，使柜体内的零部件受到损害。空气电离后，气温升至4000～10000K。这些热量通过辐射形式使可燃性材料（操作人员的服装）着火、非可燃性材料热分解，短路容量为100MVA[2]。故障电弧总是在母线上最高的场强位置形成弧根，所以在柜体某一位置发生电弧故障时，电弧沿着母线边缘迁移，迁移速度为140m/s。电弧可能会滞留在母线的角上，稳定燃烧，导致金属材料的溶化和汽化。1kA故障电弧电流每秒可燃化5～10g导体材料，导体材料汽化进一步导致空气电离。故障电弧10%能量消耗在弧根效应中。
由于发生故障电弧时的压力、辐射、弧根效应造成设备严重损害，同时高温、高压气体伴随电弧效应产生炽热的金属和非金属材料颗粒由柜体逸出，造成人身伤害，甚至引起火灾。因此，对电弧故障防护研究，就是人们当前迫切需要解决的问题。
三、原理及实现方式
为了解决单一的故障电弧检测方法（电弧探测法、电流检测法）无法准确确定故障电弧产生时刻和定位故障电弧发生位置的问题，本文提出了一种新型开关设备电弧故障检测及定位装置，该装置可准确判别开关设备内故障电弧发生的时刻和定位故障电弧发生的位置，可大幅度提高开关设备故障电弧检测的可靠性，进而提高开关设备的工作寿命和工作可靠性，为电力系统的稳定运行提供安全可靠的保障[3]。
开关设备电弧故障检测和定位装置包括3个部分：故障电流检测模块、故障电弧采集模块和智能电弧监护器。
（1）故障电流检测模块完成故障电流的采集和辨识，为开关设备的动作提供依据。
（2）故障电弧采集模块完成对弧光信号产生的研判和故障电弧信号的采集功能。
（3）智能电弧监控器，完成对故障电流检测法和弧光探测法上传信号的分析和研判。在满足条件的情况下，输出开关设备动作信号，确定故障电弧的定位功能。
四、故障电弧的防护
从总体上来讲，故障电弧的防护分积极防护和消极防护。前者防止电弧的产生，后者限制电弧的负面效应。积极防护措施如下：
第一，结构措施
（1）将带电件加以绝缘和部分绝缘
（2）结构设计中不形成弧根
（3）采用耐弧绝缘材料
（4）设立隔离壁和隔板
（5）有足够的电气间隙和爬电距离
第二，使用的元件
（1）选用损失能量小的电气设备
（2）采用过电压保护
第三，运行管理
（1）对设备进行检查和维护
（2）对设备进行空调。
（3）检查接触和连接部位
（4）清洗和检验绝缘件
第四，防止误操作
（1）将电气和机械进行联锁
（2）进行人员培训
消极措施主要是限制电弧产生的消极效应，消极措施包括：
第一，空间限制
（1）使用耐压和耐热的材料
（2）设备总体按耐压强度和耐热性设计
第二，限制电弧能量
（1）通过带短路装置的故障电弧防护装置限制电弧持续时间
（2）通过限流器限制电弧的能量
五、新型开关设备电弧故障防护的优点
开关设备电弧故障检测及定位装置的技术优越性主要体现在以下四个方面。
首先，它克服了单一故障电弧检测方法的不足，利用电流检测法和弧光探测法综合的双判据法，避免了由于开关设备启动而造成的电流检测法的误判，弥补了它和非弧光信号进入感光元件引起弧光探测法误判的不足，有效地提高了判断故障电弧产生的可靠性。
其次，在以往电弧故障检测方法的基础上，通过故障电弧采集模块增加了弧光定位裝置的功能。因此，在其他方法具备判断电弧故障产生并切断开关功能的基础上，具备弧光定位功能。弧光的定位功能反映了电弧的发生和发展过程，极大地提高了故障电弧检测与定位的准确性和可靠性，为后续的电弧故障分析提供了依据。
再者，通过对开关设备故障电弧的准确检测和定位，提高了开关设备的分断准确度，降低了电弧烧蚀对开关设备造成的损伤和误判以及对电力系统造成的危害。同时，准确定位电弧的发生位置，对于设备检修和更新升级有很大的指导和帮助作用[4]。
最后，利用开关设备电弧故障检测和定位装置，提高开关设备的寿命和工作可靠性，可极大地提高电力系统运行的安全可靠性。
六、结论
利用开关设备电弧故障检测和定位装置可准确地判定开关设备内故障电弧发生的时刻和定位故障电弧发生的位置，反映了电弧的发生、发展过程，极大地提高故障电弧检测与定位的准确性和可靠性，为后续的电弧故障分析提供很好的依据，进而提高开关设备电寿命和工作可靠性。
参考文献
[1]吴文海，余良清，郑宇宏，王娜，张勐。800kVGIS母线内部故障电弧分析及试验验证[J]。高压电器，2017，53（11）：225-228+235。
[2]纪桂强。1E级低压抽出式成套开关柜的结构设计[J]。机电工程技术，2015，44（07）：167-170。
[3]曾新雄，李新海，曾庆祝，孟晨旭，肖星，姚盛华。10kV开关柜内部电弧故障的危害与保护[J]。广东电力，2016，29（06）：67-71。
[4]李长鹏，吴小钊，张文凯，汤清双，李鹏，刘永庆，王鹏。中压气体绝缘金属封闭开关设备泄压孔设计方法研究[J]。高压电器，2016，52（07）：155-160。
作者简介
王文星（1994--），性别：男，民族：汉族，籍贯：云南曲靖，学历：本科，河北科技大学，材料成型及控制工程专业。
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