低壓配電系統(tǒng)故障中的電弧防護(hù)研究

新疆廣播電視臺(tái) 趙 晨

在配電系統(tǒng)中電弧有著較高的能量，一些低電流斷層電弧可引起嚴(yán)重的電氣事故，可見(jiàn)在低壓配電系統(tǒng)中對(duì)電弧故障進(jìn)行防護(hù)是非常重要的。

1 電弧形成的原理

電弧是一種游離氣體在兩電極之間產(chǎn)生持久而強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象，由于溫度和導(dǎo)電率都較高，會(huì)延長(zhǎng)斷開(kāi)電路的時(shí)間，對(duì)觸頭還會(huì)產(chǎn)生一定破壞。用開(kāi)關(guān)電器把電流斷開(kāi)，當(dāng)電流不小于80～100mA、當(dāng)電壓不低于10～20V時(shí)電器的觸頭間就會(huì)產(chǎn)生電弧，其形成原理如下。

當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)3×106V/m時(shí)，由于開(kāi)關(guān)觸頭間距離較小，陰極表面的電子能在電場(chǎng)強(qiáng)度作用下被拉進(jìn)接觸空間形成自由電子，完成強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射；當(dāng)電子的移動(dòng)速度和動(dòng)能足夠大時(shí)，陽(yáng)極表面發(fā)出的觸點(diǎn)之間的自由電子和原始電子會(huì)一起向陽(yáng)極做加速運(yùn)動(dòng)，在不斷與中性質(zhì)點(diǎn)相撞的同時(shí)會(huì)從質(zhì)子當(dāng)中出現(xiàn)電子被撞擊形成正離子和新的自由電子的碰撞；觸頭間此時(shí)會(huì)具有很大的電導(dǎo)，介質(zhì)在拉伸應(yīng)力時(shí)破裂以產(chǎn)生電弧，弧隙間的能量形成熱電場(chǎng)發(fā)射，進(jìn)而出現(xiàn)熱游離現(xiàn)象；隨著觸頭分開(kāi)的時(shí)間和距離不斷增加，電場(chǎng)強(qiáng)度也在逐漸減小，電弧的燃燒依靠著熱游離繼續(xù)維持，這時(shí)電場(chǎng)中的間隙容易被電子擊穿，從而形成新的電弧。

2 低壓配電系統(tǒng)中的故障電弧

2.1 故障電弧的種類

故障電弧一般在兩種情況下會(huì)發(fā)生，一種是由于兩個(gè)電極距離過(guò)近，導(dǎo)電體與接地部位易發(fā)生碰撞、或?qū)w的絕緣部分由尖銳的金屬本體劃破而形成電弧，另一種是電弧在絕緣體部分的導(dǎo)體表面產(chǎn)生，絕緣體持續(xù)受熱或間歇性產(chǎn)生電火花，使得絕緣體表面炭化而形成電弧通道。低壓電源和配電線路主要有兩種電弧故障：串聯(lián)和線對(duì)線。其中串聯(lián)故障一般是因在一束導(dǎo)體中有一根在導(dǎo)體接頭處沒(méi)有插緊或發(fā)生了斷裂，由于電弧故障產(chǎn)生的電流很可能低于線路額定電流，通常使用過(guò)流保護(hù)斷路器難以檢測(cè)到該故障；而線對(duì)線故障往往是因一束導(dǎo)體中有兩根導(dǎo)體絕緣表?yè)p傷碰撞而導(dǎo)致短路現(xiàn)象，其電弧電流受電路阻抗的影響[1]。

2.2 故障電弧的產(chǎn)生原因

造成故障電弧產(chǎn)生的原因有很多，首先有可能是絕緣故障導(dǎo)致的，開(kāi)關(guān)柜中絕緣材料沒(méi)有足夠的爬距，沒(méi)有辦法持續(xù)、穩(wěn)定地滿足絕緣要求，在一些潮濕、臟污地環(huán)境發(fā)生絕緣故障進(jìn)而出現(xiàn)故障電??；還有可能是低壓配電系統(tǒng)本身的原因，如系統(tǒng)容量和接地方式的改變、自控及保護(hù)裝置配置不合理、系統(tǒng)諧振過(guò)電壓和電纜應(yīng)用損耗等產(chǎn)生的故障；故障電弧也可能是由于載流回路不良引起的，如緊固螺栓松動(dòng)、觸頭接觸不良、接頭截面不夠?qū)е码娏鱾鬏敃r(shí)過(guò)熱起火，進(jìn)而引起相間、相對(duì)地?fù)舸┑?；還有一部分原因在于人為的操作失誤，如工作人員忘記對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)電和接地等。

2.3 電弧故障的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于電弧故障的防護(hù)一般分為人身防護(hù)、設(shè)備電弧故障防護(hù)及設(shè)備功能防護(hù)三種，每種防護(hù)都有其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。首先人身防護(hù)是最為基礎(chǔ)和重要的，這方面的防護(hù)主要是保護(hù)人員免受故障電弧的高壓、高溫氣體可能造成的傷害，對(duì)于開(kāi)關(guān)設(shè)備的防護(hù)不是十分嚴(yán)格，將實(shí)驗(yàn)條件設(shè)為ICW=65kA、Ui=440V、Tp=100ms，將門(mén)、蓋板固定好，檢查好危險(xiǎn)零部件看是否會(huì)脫落、指示器是否會(huì)點(diǎn)燃、電弧燃燒或其他效應(yīng)是否對(duì)設(shè)備的外殼表面造成孔洞、外殼的等點(diǎn)位連接是否仍然有效等，要確保電弧效應(yīng)限制在開(kāi)關(guān)柜的范圍內(nèi)且不會(huì)發(fā)生擴(kuò)散。

設(shè)備電弧故障防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)是在做好人身防護(hù)的前提下，將故障限制在電弧發(fā)生范圍或開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部，允許內(nèi)部裝置元器件損壞，防護(hù)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置中電流和電壓與人身防護(hù)參數(shù)相同，而Tp 改為300ms；最后一級(jí)的設(shè)備功能防護(hù)是電弧故障防護(hù)的最高級(jí)別，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為ICW=50kA、Ui=725V、Tp=300ms，不僅要滿足人身安全防護(hù)的要求，還要保證開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部無(wú)損壞和無(wú)需替換零部件等，在排除故障后設(shè)備可很快進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)[2]。

2.4 低壓故障電弧的檢測(cè)方法

要想在低壓配電系統(tǒng)中做好電弧故障的防護(hù)措施，首先要進(jìn)行電弧檢測(cè)，判斷是否存在故障電弧及故障電弧的大致出現(xiàn)位置。目前電弧的檢測(cè)方法大致分為建立模型、測(cè)量參數(shù)以及根據(jù)波形變化來(lái)檢測(cè)電弧等。

首先是通過(guò)建立電弧數(shù)學(xué)模型來(lái)檢測(cè)電弧，利用低能量直流電弧設(shè)計(jì)安全電路的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)設(shè)計(jì)研究建立靜態(tài)、動(dòng)態(tài)伏安法特性模型與線性電流阻尼模型，但目前該種檢測(cè)方法因條件限制尚停留在仿真階段，進(jìn)展緩慢；還可以根據(jù)參數(shù)的變化來(lái)判斷電弧故障，電弧的產(chǎn)生會(huì)伴隨著輻射、溫度和聲、光等物理參數(shù)的變化，當(dāng)配電柜中產(chǎn)生電弧時(shí)會(huì)使這些物理現(xiàn)象更加明顯，出現(xiàn)噪聲、強(qiáng)光和高溫、高壓等狀況，可以較為容易的判斷電弧是否出現(xiàn)故障；最后就是根據(jù)電壓、電流波形的變化進(jìn)行電弧故障的檢測(cè)，由于這種方法具有檢測(cè)范圍廣和較容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的檢測(cè)方法。

3 低壓配電系統(tǒng)故障中的電弧防護(hù)措施

3.1 基本防護(hù)措施

低壓配電系統(tǒng)中的故障電弧基本防護(hù)措施分為積極措施和消極措施兩種。首先是積極措施，這種防護(hù)辦法主要是防抑制電弧的產(chǎn)生，從根源上降低故障發(fā)生的概率。從結(jié)構(gòu)方面來(lái)考慮，工作人員可將帶電件進(jìn)行全部絕緣或部分絕緣，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中防止弧根的形成，還可以通過(guò)設(shè)立隔板和隔離壁、選用耐弧絕緣材料、保持充足的導(dǎo)體間距和爬電距離等方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的積極防護(hù)；在元件的選擇上要盡量使用能量損耗較小的電氣設(shè)備，并采取過(guò)電壓的方式進(jìn)行防護(hù)；還要在工作過(guò)程中做好科學(xué)的運(yùn)行管理，要對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)，對(duì)接觸和連接部位做好檢查，還要注意按時(shí)清洗和檢驗(yàn)絕緣件，防止誤操作情況，盡量減少設(shè)備故障的可能性。

另一方面，負(fù)面措施主要是為了限制電弧的負(fù)面影響，主要分為空間限制和電弧能量限制兩種，通過(guò)選用耐壓和耐熱的材料或加強(qiáng)設(shè)備這兩方面的設(shè)計(jì)、用短路裝置故障電弧保護(hù)電弧壽命限制電流限制器限制電弧能量等等，借助這種手段降低電氣失火的可能性，減少故障電弧帶來(lái)的危害[3]。

3.2 金屬管布線預(yù)控方法

低壓配電系統(tǒng)相關(guān)人員可利用施工過(guò)程控制電弧故障，有效控制可控范圍內(nèi)的電弧故障，從而避免配電線路故障電弧及周邊設(shè)備可燃材料造成的損壞。在低壓配電系統(tǒng)中，當(dāng)有常規(guī)的保護(hù)裝置時(shí)可以采用金屬管布線方式，保證其與保護(hù)接地導(dǎo)體進(jìn)行有效連接，從而形成剩余電流、短路電流等有利保護(hù)條件能夠?qū)崿F(xiàn)良好的電源保護(hù)。

金屬管機(jī)械強(qiáng)度較高，有較好的阻燃性和導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，受外界因素影響較小，降低了絕緣受損的可能性，還能對(duì)導(dǎo)線起到一定的散熱作用，能夠阻止過(guò)電壓對(duì)絕緣的破壞，具有較高的安全性。當(dāng)金屬管內(nèi)的導(dǎo)線出現(xiàn)電弧故障時(shí)，燃燒現(xiàn)象也會(huì)被嚴(yán)格限制在金屬管內(nèi)部。當(dāng)出現(xiàn)金屬性短路的時(shí)候可以采用熔斷器或斷路器進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)金屬管壁與帶電導(dǎo)體接觸形成接地故障時(shí)，剩余電流裝置也可以實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)，從而有效預(yù)控在系統(tǒng)中出現(xiàn)的電弧故障。

3.3 “Arcon”故障電弧防護(hù)裝置

該故障防護(hù)裝置由傳感設(shè)備、滅弧裝置和計(jì)值單元組成，它可以限制誤差光弧對(duì)弧根位置的負(fù)面影響。當(dāng)出現(xiàn)故障光弧時(shí)，傳感器首先檢測(cè)發(fā)射的電弧電流和光源，并在主控制器內(nèi)進(jìn)行計(jì)值，再由主控制將電弧刪除命令傳輸?shù)诫娀h除裝置，最終形成與故障部位平行的三相金屬?gòu)澢宇^。該三項(xiàng)短路被斷路器開(kāi)斷，母線的電壓下降之后就會(huì)導(dǎo)致電弧燃燒所需的電壓下降，讓電弧在點(diǎn)燃后2ms之內(nèi)就會(huì)熄滅，減少了電弧故障的破壞。

Arcon故障電弧防護(hù)裝置中還有電弧檢測(cè)功能，基于光纖的光傳感器可以有效的監(jiān)控主站、支母線以及各母線連接的系統(tǒng)，測(cè)量變換器在傳感器斷路器前檢測(cè)電弧電流，并在產(chǎn)生誤差層弧時(shí)處理其發(fā)出的光和電弧電流，斷路器開(kāi)斷電弧，而整個(gè)裝置的總開(kāi)端時(shí)間取決于斷路器的動(dòng)作時(shí)間，一般在30～70ms之間。采用Arcon故障電弧防護(hù)裝置可以讓電弧在產(chǎn)生的初始階段就被熄滅，盡可能快地減少了故障損失，保護(hù)了工作人員的人身安全，維持設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 電弧故障斷路器AFCI

傳統(tǒng)的斷路器只能防止電流和短路現(xiàn)象，而AFCI電弧故障斷路器是一種新型的電路保護(hù)裝置，基于傳統(tǒng)斷路器的額外抗干擾性，具有能夠檢測(cè)和識(shí)別設(shè)備啟動(dòng)、停止或切換時(shí)產(chǎn)生的電弧是普通電弧還是故障電弧，并能在故障電弧發(fā)生時(shí)及時(shí)切斷電源，能夠有效地防止故障電弧引起的火災(zāi)。根據(jù)UL1699標(biāo)準(zhǔn)，交流電源和di/dt的大小由電流互感器采集，隨后進(jìn)行處理，然后輸入到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換處理的單片機(jī)中。單片機(jī)對(duì)采樣值進(jìn)行了分析，在交流電路上當(dāng)AFCI在0.5秒內(nèi)察覺(jué)到8個(gè)半周的故障電弧，斷路器就會(huì)立刻執(zhí)行脫口，切斷交流線路。

而作為一個(gè)全功能的智能斷路器，AFCI具備準(zhǔn)確的電弧檢測(cè)、快速分析電弧特性和負(fù)載電弧特征曲線儲(chǔ)備豐富等便捷功能，通過(guò)增加一個(gè)電流互感器，傳統(tǒng)的短路、過(guò)流和漏電保護(hù)在AFCI電弧故障斷路器中也可以很方便的被集成，進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)電路的保護(hù)作用[4]。

3.5 故障電弧保護(hù)系統(tǒng)

目前較為成熟的故障電弧保護(hù)系統(tǒng)有ABB故障電弧保護(hù)系統(tǒng)和ARCON故障電弧保護(hù)系統(tǒng)兩種。其中ABB電弧保護(hù)系統(tǒng)由電流檢測(cè)單元、執(zhí)行器、電流互感器電弧監(jiān)控器和斷路器組成，工作人員可以利用低壓配電裝置中的探測(cè)器捕獲電弧故障產(chǎn)生的電弧光譜，并將其特定頻譜傳輸?shù)诫娀”O(jiān)控器，對(duì)短路電流信號(hào)和電弧故障信號(hào)進(jìn)行快速評(píng)估和處理，以便向斷路器發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，使上游斷路器脫離故障層弧，從而在低壓配電系統(tǒng)中起到一定的保護(hù)作用。

ARCON故障電弧保護(hù)系統(tǒng)是由光傳感器、控制單元、電弧抑制裝置和閾值控制器形成了一種特殊的斷層弧譜，徑向穿透光纖導(dǎo)體的表面，將光信號(hào)傳輸?shù)娇刂茊卧儆煽刂茊卧M(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)故障電弧的檢測(cè)工作，還能精準(zhǔn)判斷電弧故障的具體位置。當(dāng)發(fā)生電弧故障時(shí)，ARCON故障電弧保護(hù)系統(tǒng)首先將電網(wǎng)與故障電弧隔離，然后使用電弧裝置快速關(guān)閉故障電弧電壓，比傳統(tǒng)系統(tǒng)的短路電流分?jǐn)鄷r(shí)間要快上7～10倍，能夠很好地滿足低壓設(shè)備的功能保護(hù)要求。

3.6 注重整體規(guī)劃，加強(qiáng)人員管理

除了利用專業(yè)設(shè)備和相關(guān)保護(hù)系統(tǒng)對(duì)低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行電弧故障的防護(hù)之外，還可以通過(guò)注重低壓配電系統(tǒng)的整體規(guī)劃和加強(qiáng)人員管理來(lái)進(jìn)行有效防護(hù)。在進(jìn)行系統(tǒng)的全面規(guī)劃時(shí)，基站供電單元應(yīng)充分考慮到各種影響線路的因素的可能性，結(jié)合區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)負(fù)荷的實(shí)際增長(zhǎng)，對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化。

為了避免出現(xiàn)斷電情況，工作人員在布置電網(wǎng)線路時(shí)要注意從點(diǎn)云中心向四周進(jìn)行輻射，從而有效減少操作中斷，相關(guān)人員還可以在每條分支配電線路上配置電容器以提高性能，在一定程度上降低了電能損耗，從而減少輸電線過(guò)程中出現(xiàn)的電弧故障，低壓配電線路的工作人員應(yīng)加強(qiáng)線路的運(yùn)行和負(fù)荷情況的定期檢查，對(duì)于存在的絕緣老化及其他問(wèn)題情況要進(jìn)行及時(shí)更換處理和維修，為了提高管理效果，要對(duì)管理人員的巡檢行為進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)范，讓他們形成嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作態(tài)度并強(qiáng)化自身的專業(yè)技能，盡量避免違規(guī)操作或操作不當(dāng)?shù)那闆r，充分減少相間短路現(xiàn)象，降低人為因素造成電弧故障的可能性。

綜上，本文根據(jù)故障電弧在低壓配電系統(tǒng)中的產(chǎn)生原因和現(xiàn)象，從基本防護(hù)、金屬管布線預(yù)控、電弧故障斷路器AFCI、電磁特性的電弧檢測(cè)裝置、故障電弧保護(hù)系統(tǒng)幾個(gè)方面具體闡述了電弧防護(hù)的措施，望對(duì)安全配電工作有一定幫助。