1、中压开关柜内部弧光短路故障的危害及防护措施1.引言近年来，中压开关柜由于各种原因发生内部故障而被严重损坏、有的甚至发展成多组开关柜同时烧毁的火烧连营"的事故；而主变压器由于遭受外部短路电流冲击损坏的事故也逐年增加，据统计，全国110kV及以上等级变压器因外部短路故障造成损坏的事故已达到事故总数的50%以上。此外，开关柜内部弧光短路故障还可能波及站用直流系统发展为系统故障。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。1-6实际运行经验表明，由于造成开关柜内部故障的原因很多，尽管采取了各种加强开关柜的措施，但由于开关柜弧光短路故障及引起的电力设
5、声效应，如图1所示。这些电弧效应将损害开关设备，并可能对附近的工作人员造成伤害。图1.故障电弧效应及危害2.3.1压力效应燃烧的电弧将周围的空气加热，引致空气急剧膨胀，并在开关柜内部产生巨大的压力。在最坏的情形，开关柜的门可能被炸开，不牢固的开关柜侧板、顶板以及建筑物的墙由于压力可能会倒塌。此外，所产生的压力也会使某些不牢固的或独立的部件从开关柜中抛出，对附近工作人员造成伤害。在新的设计中已考虑到开关柜在能承受较高的压力。在试验中，测量的压力已超过120kPa（1200kg/m2），它是通过压力释放阀或开口来达到这一压力耐受能力的。2.3.2热效应电弧的热（燃烧）效应作用于电极、柜门、柜
7、效应来自电弧的直接辐射一般不会对人员产生直接的危险。这是因为辐射水平低于危险水平（25W/cm2）。然而，电弧燃烧所以产生的明亮的光可能引起暂时性的失明，它连同大的爆破声效应可能引起工作人员休克，而这也将增加伤害的危险性。3.开关柜内部弧光短路故障的危害开关柜发生弧光短路故障的产生的危害，主要表现在造成现场工作人员的伤害，对开关设备及邻近配电设备的损害这二方面。3.1弧光短路故障对人员的危害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，强烈的闪光会刺伤眼睛、连同爆破声造成
8、暂时性失明，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，爆破性的声音会造成人的耳膜、内脏震损，电弧燃烧所产生的有毒气体会伤害人的呼吸系统等。值得一提的是，在开关柜故障中，除了明显的触电死亡和身体电击的危险外，另一个可能更敏感的危险是电弧的热效应对人的伤害。之所以说敏感，是因为故障电弧产生很大比例的辐射热能，而它是人眼所看不见的，它可能造成皮肤的二度和三度烧伤，它对人的伤害是严重的、甚至是致命的。典型事故1：2000年4月，广东某供电局在一变电站进行检修对某10kV出线进行切换操作时，由于违章操作和开关柜内联锁功能失效，在带负荷拉开该带电线路的线路侧刀闸时产生弧光短
9、路故障，故障电弧效应将该线路柜后门冲开，将拿地线到停电线路柜后面的一位检修人员灼伤。典型事故2：2002年9月，河南某供电局在220KV变电站在进行检修时，配电房进线柜内部故障发生爆炸，在附近的6名工作人员被电弧火球烧伤，配电房外一变压器因短路烧毁，变电站停电，事故造成该市部分地区大面积停电1小时。为了最大限度地保护人员免受故障电弧的伤害，一方面，保护系统应以尽可能快的速度切除故障，比如如果在电弧排放阶段开始时就能切断供给燃弧点的短路电流的话，故障电弧释放的能量将大大减少，从而也大大降低电弧效应对人员的伤害。另一方面，运行操作人员在开关设备附近工作时，通过评估现场故障电弧可能造
11、时释放的巨大的能量，高温对空气加热而膨胀，而铜排气化时，体积膨胀67，000倍，从而使柜内压力急骤上升。它产生的爆破压将造成开关柜盘体变形、破碎。此外，电弧燃烧产生的爆破音将造成盘内强烈震动、使固定元件松脱。开关柜内部弧光短路，往往不仅损坏开关设备本身、在某些情形造成火烧连营”重大设备损坏事故，而且在故障持续期间巨大的故障短路电流往往对昂贵的主变压器或厂用变造成冲击而使其绝缘损坏、寿命缩短，甚至被烧毁。此外，它还可能波及站用直流系统发展成系统性故障，造成巨大的经济损失。3.2.2造成火烧连营”事故中压开关柜发生内部电弧故障，由于电弧能量释放巨大的能量造成的各种电弧效应，除了造成起弧开关柜本
12、身严重损坏外，往往还波及到邻近的开关设备，甚至造成多组开关柜同时烧毁的火烧连营”事故。发生这种事故后抢修恢复困难，无论直接损失还是间接损失都很大，造成极其深远的影响。典型事故3:1998年4月，内蒙古某变电站10KVI段某开关柜内部突然闪络，引起母线故障，并造成火烧连营”事故，致使相邻五个间隔设备烧损。事故使该变电站10KV四段母线对外全部停电，10KVI段母线对外停电7天才恢复送电。事故直接损失达30多万元。典型事故4:1999年10月，广西某变电站10KV开关柜的真空断路器在投切电容器中发生爆炸而引起火烧连营”的事故，烧毁开关柜4台。经济损失达30万元。中压开关柜故障引发的母线故
13、障被发展扩大的最根本的原因，就是因为没有专门的快速母线保护，使母线故障由延时较长的变压器后备过流保护来切除；在故障持续过程中，产生的电弧引发其它部位的故障。电弧的燃烧效应还会点燃开关柜的器件引起火灾，大面积烧毁配电设备，同时变压器受到短路电流的冲击而可能损坏。如果配置有专用快速母线保护，在故障发生后立即动作，在电弧刚燃起时就快速切除故障，则开关设备可避免被烧毁、变压器受到的冲击也大大降低，同时可快速恢复供电，使损失减到最小。3.2.3造成主变压器/厂用变损坏的事故自上世纪90年代以来，我国110KV及以上的变压器因外部短路引起损坏的事故逐年增加，19901991年所占的比例还在10%以
14、下，19921995年平均以每年10%左右的速度增长，到1996年已达到50%。根据19952000年的统计数据，110KV及以上变压器全国共有316台损坏，其中因短路损坏的变压器达136台，占全部事故的44%。而实际数字还要高，因为上述数字还没有包括因误操作、绕组变形累积引起的绝缘事故。因外部短路引起故障的变压器大多损坏严重，特别是变压器低压岀口短路形成的故障一般需要更换绕组，严重时可能要更换全部绕组，从而造成十分严重的后果和损失。有的因变压器的损坏还扩大成为系统事故，造成巨大的经济损失和社会影响。造成变压器损坏有多种原因，比如变压器本身的动热稳定性能差、系统的扩大后引致的短路
19、路电流而被烧毁；另一方面只能靠越级由远方跳闸切除当地故障而使事故进一步扩大为系统事故，从而造成巨大的经济损失。典型事故7:1999年11月，江西某220KV变电站的一个10KV开关柜的电缆头发生三相短路，开关在分闸过程中由于遮断容量不足发生爆炸，造成火伤连营”事故，烧毁10KV开关柜8台。开关柜爆炸起火后引起柜内直流信号电缆短路，造成高压室直流系统控制保险熔断，全站信号电源消失。1号主变保护失去直流工作电源不能启动而不能跳开三侧开关，引起事故扩大，导致5个110KV变电站失压，地调小水电、小火电与系统解列。典型事故8:2000年6月，湖北某电厂由于B磨开关中B相真空灭弧室破裂对合闸线