中低压配电系统的柜内弧光保护
摘要:文章对中低压配电系统的电弧光故障及保护方式进行了较为深入的分析,并建议将母线电弧光保护系统纳入中低压配电系统保护的标准配置,最大限度地降低由于电弧光故障对供配电网和设备的损害,提高整个电网的可靠性。
1 前言
我国正处在工业化、城镇化地快速发展阶段,经济的高速发展必将需要更多的电力产品作为基础设施,因此,中低压开关柜的数量也增加很快,由此而产生的各类电气故障也在增加。目前,虽有多种针对中低压母线故障的保护方法,但由于以下原因,都不能完全符合供配电系统的要求。
(1)保护电器动作时间不能满足IEC标准;
(2)目前供配电系统现行的继电保护设计标准对于中低压母线一般不配置专用的快速保护,而是依赖上一级变压器的后备保护来切除母线短路等故障。
电弧光故障因其发生的原因和部位,使由其引发的配电网故障影响范围大,造成的经济损失也很大。然而,我国电力系统中低压配电部分,针对电弧光保护的内容还没有被写入相关规范和设计手册,在中低压配电系统增设电弧光保护的项目更是“凤毛麟角”。其实,增设中低压电弧光保护系统的成本并不高,但对整个供配电系统的安全性、可靠性和稳定性起着弥足重要的作用,值得推荐使用。
2 电弧光的形成及危害
电弧是放电过程中发生的一种现象,当两点之间的电压超过介质绝缘强度极限时就会发生,而只要有足够的能量补偿热损耗,并维持适当的温度,电弧就会持续发生。在供配电系统中,各类开关电弧的形成是触头间中性质子(分子和原子)被游离的过程,当两电极间电压升高,靠近电极最近处空气中的正负离子被电场加速,在移动过程中与其它空气分子碰撞产生新的离子(即电离现象),空气被电离的同时,温度随之急剧上升而产生电弧,这种放电即为弧光放电(电弧光),属于低电压大电流的放电类别,类似情形还会发生在线路的“相间”短路和“相对地”短路。
电力系统电弧光(弧光放电)引起的危害主要有以下几个方面:
(1)产生高温和强光
电弧光温度可达8000°C,发生点温度更高达20000°C,远远高于太阳的表面温度,如此的高温会对人体造成严重伤害,破坏电器设备绝缘层,使导体导线融毁,甚至气化。同时,伴随高温的强光,会造成工作人员暂时性失明,严重的还会刺伤眼睛。
(2)爆破压和爆破音
电弧光以300m/s的速度爆发,威力强大,不仅可击毁开关柜内元器件,产生的高分贝爆破音还会造成工作人员鼓膜损伤。并且,只要系统不断电,弧光就会一直存在,爆发的冲击波也就一直持续。
(3)故障电弧还可能产生弧根效应,母线短路电流产生的强电磁场和电弧电磁场的相互作用会在母线场强最大的位置形成弧根。电弧会以140m/s的速度沿着母线边沿迁移,并且短路电流越大则迁移速度也越快。电弧的迁移会从开关柜内一个小室“窜”到另一个小室,或“窜”到临近的开关柜,使故障范围迅速蔓延。
(4)后续的破坏结果
1)持续的爆破压会使开关设备振动,固定元件松脱,还会使上一级变压器承受近距离短路电流冲击,导致变压器绕组变形发生匝间短路。
2)由电弧故障引起的电器元件燃烧以及导体导线的融化、气化会产生多种有害气体。
3)爆炸会引起的碎片高速飞射,伤及人员和其它设备等。
电弧性短路是电气短路起火的主要原因,电弧的持续存在最终肯定会产生明火。配电柜内部电弧性短路燃烧释放出的巨大能量,将产生各种故障电弧效应,严重时会烧毁配电柜,强大的短路电流将冲击损坏电力变压器,还会波及其它配电柜和配变电站,造成工作人员的伤亡和长时间的停电事故。
3 开关电器的灭弧
开关电器的弧光危害在很早就受到业界的重视,因而防范措施已较完善,其基本方法如下:
(1)增大近极电压降,即将电弧分隔为很多串联短弧(如利用金属片将长弧切成若干短弧的灭弧栅);
(2)加速电弧冷却,让电弧在固体介质所形成的狭沟中燃烧,利用外力吹动并拉长电弧,即增大了电弧的冷却面积,从而加快电弧冷却,并降低触头的温度;
(3)增大弧隙间的介质绝缘强度。
另外,利用电路阻抗特征实现灭弧的方法,在原理上可行,但很难实现,目前尚未在配电行业中应用。
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