空气绝缘开关柜内部电弧弧光危害的解决方案.doc

空气绝缘开关柜内部电弧弧光危害的解决方案Young-woo Jeong Hyun-wook Lee Yang-seop Sin Young-keun KimLS工业系统公司（韩 国）摘要：传统保护系统不足以保护空气绝缘开关柜内部电弧弧光事故。因为电弧在引燃1015 ms后会达到其最高温度和气压，而普通保护方法需要继电操作时间与断路器操作时间进行时间配合。因此，电弧保护系统（APS）对断路器是必需的，并且最近该系统已吸引了广泛关注。本研究中，使用优化软件设计一种快速接地开关从而开发APS。该APS由光传感器、电弧保护继电器和能快速关合使回路接地的消弧器组成。所有元器件都经过测试，表明其性能足以保护开关设备免受电弧弧光的危害。在开发APS的过程中，发现了几个必须解决的实际问题并利用自己的技术设计了一个可靠的系统。用实验确定开关设备电弧闪络事件的光学勒克斯水平，并与其他光源对比。并开发了点状和环形光学传感器、电弧保护继电器和消弧器。特别开发了电弧检测用的专用算法，并用于电弧保护继电器中。最后，开发了用于优化消弧器中Thomson驱动程序的极快速计算软件。它的速度是基于普通有限元法软件的十倍。0 引言电弧的温度可超过20，000 K，并且电弧能量可被转换为热量、气压和辐射。电弧经过压缩/膨胀/喷射/发热4个步骤，在电弧引燃后1015 ms内到达其最高气压。因此，它看起来就像爆炸一样。通常开关设备是电力系统中必需的设备，并由断路器、母线、电流互感器、电压互感器等组成。在开关设备发生击穿或事故情况下，电力系统受到电力故障的危害。尽管采取了反措施，但由于操作者的失误、旧设备的绝缘击穿和动物的侵入等，开关设备仍然经常会发生内部电弧故障。持续时间长的电弧闪络可能危害电力系统中的电气设备，并引起停电、威胁到开关设备周围的人身安全。因此，美国的NFPA（国家防火协会）敦促需要接近开关设备时人员应当穿保护衣服（护具）。根据IEC标准，开关设备必须通过内部电弧试验。鉴此，开关设备制造商设计了坚固的结构以耐受来自内部电弧的高温和气压。但是，这些方法使得产品价格提高和尺寸增大。而且，不可能完美地保护电气设备和人员免受电弧故障危害。一些制造商开发了电弧保护系统，能够在极短的时间内熄灭电弧，从而将财产和人员损失降为最低。本文介绍了LS工业系统公司开发的APS。1 电弧保护系统由于要与下游继电器进行时间配合，当短路故障发生时，通常上游继电器要等200300 ms才能感应到故障的发生。因此，当开关设备中发生内部电弧闪络事故时，使用传统的OCR(过流继电器)的保护过程对断路器无效。不必等200300 ms，开关设备和人员就已经受到严重危害，毕竟在电弧引燃后1015 ms之内就将达到最高气压和温度。 图1 电弧保护系统的组成另外，当在电力系统中使用APS时，弧光传感器不用继电器就能够检测到电弧闪络发出的光信号。依据光和来自电流互感器的电流，电弧保护继电器或电弧模块可判定电弧故障。然后从断路器或消弧器中尽早的消除电弧。2 弧光传感器一小部分电弧能量通过辐射消耗掉了。弧光传感器能够不用继电器就检测到电弧的弧光。弧光传感器有两种类型。一种是安装在开关设备隔室内的点传感器，另一种是沿母线安装的环形传感器。两种传感器，点传感器和环形传感器分别检测窄和宽的区域。 图2 弧光传感器点传感器由光纤和传感器帽组成。当电弧事故发生时，传感器帽检测光信号，并通过光纤将光信号传送到继电器中（电弧保护继电器或电弧模块）。环形传感器仅由光纤组成，换句话说，光纤本身就是环形传感器。该传感器检测安装光纤回路的所有区域的光信号。使用点传感器，用户能够了解事故发生的地点，因为开关设备的每个隔室分别安装一台或两台传感器。但用户要监测某些开关设备中的多个隔室，就需要相同或更多的传感器。在这种情况下，适合应用环形传感器。环形传感器有自诊断功能，可按偏置电压中断或不中断进行检测。3 电弧保护继电器普通过流继电器要花1/21周波（60 Hz时，需8.316.7 ms）才能确定事故发生。因此，它不可能保护电力系统和人员免受电弧闪络故障。 图3 电弧保护继电器和模块电弧保护继电器不需其它元器件，只需将电弧模块添加到普通过流继电器中就能监测电弧闪络故障。这两种类型的继电器通过采用来自弧光传感器的光信号和来自电流互感器的电流信号的算法来确定电弧故障。当电弧故障用算法确定后，继电器就将操作命令发送给断路器或消弧器。因为电弧保护继电器除过电弧外没有其它元器件，所以操作命令在2.5 ms内被传送过去。但是，考虑到添加了电弧模块的过流继电器有许多元器件，因而要花15 ms才能将命令传送过去。 图4 电弧故障举例当电弧故障发生在图4中所指的位置时，一台下游的断路器不能切断故障电流。但上游的过电流继电器没带电弧模块，由于要与下游的继电器进行时间配合，要等200300 ms。因此，电弧电流一直保持300 ms（时间配合+3周波（断路器操作时间）,而在这一周期期间， 电力设备遭到损坏。当给过流继电器加上电弧模块后，仅用来自电流互感器的电流信号就能确定电弧故障，不必再等待配合时间。这样，降低了电弧故障带来的危害。4 消弧器 图5 消弧器电弧故障可用电弧保护继电器来确认，然后跳闸信号将在2.5 ms内被送出。断路器可在3周波后成功地切断故障电流。这意味着该系统应当耐受故障电流至少3周波。为了降低对系统的危害，在温度和气压达最大值之前，就应感应故障电流，并在1015 ms之内切断故障。因此，要普通断路器完美地熄灭电弧故障是不可能的。消弧器是一种快速接地开关，它在常态下将保持所需的绝缘水平，但能在接收到故障信号的3.5 ms之内关合开关，将电弧故障电流引入接地点并避免故障发生，直到上游的断路器动作。消弧器的规格见表1。 表1 消弧器的规格如上所述，消弧器通过关合电弧故障电流，接着在断路器动作前接地，来切断故障。因此，它应当能耐受预燃弧和短时电流。其性能已通过在LS工业系统公司的PT&T高压试验中心进行短时耐受电流和短时关合试验得到证明。 图6 短时耐受电流和关合试验此外，消弧器被安装在开关设备中。当开关设备没有任何异常现象时，消弧器的高压电极和接地电极总是保持带电，这要求消弧器耐受来自系统的冲击电压和过电压。在PT&T已证明的交流冲击耐受电压性能显示，消弧器满足绝缘水平要求。 图7 交流/冲击耐受电压试验5 操动机构的优化消弧器的操作可在3.5 ms内完成。普通机构，如油压、弹簧机构等，不适合机械操作特性。Thomson机构使用电磁推力，适用于消弧器。它由现有的线圈和有接地连接的可动盘组成。当电流流经现有线圈时，在可动盘中产生涡流。因此，在现有线圈和可动盘间产生电磁推力。在推力作用下，可动盘从线圈运动到高压部分。 图8 优化软件Thomson机构的优化是获得消弧器操作性能非常重要的因素。对Thomson机构的动态性能进行分析，时间阶跃有限元法（FEM）与回路和运动方程结合一直是最常用的方法。但是，它非常花时间。为优化消弧器，开发了有效的计算分析软件，将该问题转换为考虑盘中涡流分布的等效回路模型。通过与FEM结果比较验证了软件的精确性和有效性，其误差低于5%。使用该软件，优化了消弧器的结构和回路。6 结语由电弧故障电流引起的高温和高压对开关设备和人员是非常危险的。