如何预防故障电弧的产生

除在定期维护中对绝缘表面加以清理和在巡视中仔细关注导电部位和一次触头的发热之外，特别针对故障电弧发生的原因，还应采取以下的两大类防范措施，即预防性措施和主动保护措施。

1.预防性措施

预防性措施主要包括以下几点：

（1）通过改进设计或选择高强度金属材料，不使之变形，提高机械联锁的可靠性；在电气联锁中，特别注意选择优质位置开关，避免因弹性元件寿命短、产生永久变形造成触点接触不良无法实现应有的控制功能。

（2）加强防潮措施，最好安装带有自投和监控、报警功能控制器的加热器，在出现凝露及高湿度天气时应开启大功率加热器，可有效地预防绝缘事故。

（3）绝缘子、隔板、支架等绝缘部件的爬电比率（爬距）必须符合DL/T 593—2006《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》的规定，导体之间、导体对地的空气净距必须符合DL/T 404—2007《3.6～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》的规定；对运行于月平均相对湿度超过90%或污秽特别严重的化工区等场所的中压开关柜，适当增加爬电比率是十分必要和有效的措施。同时，绝缘材料的阻燃等级最好选择V-0级。

（4）在例行维护中，特别要检查五防联锁机件和强闭锁装置的动作是否可靠，因为完善的五防联锁功能和采用强闭锁装置是有效防止故障电弧事故非常重要的一项措施。

（5）定期将断路器退出运行，然后施加工频耐压进行试验，可有效检查真空灭弧室是否有漏气隐患，避免运行中的燃弧爆炸事故；同样方法用于检查真空接触器和真空负荷开关的灭弧室。

（6）除低压室外的三个功能隔室均应设置可靠的压力释放装置，近年来我国电力部门已强调中压开关柜具备释压防爆功能的必要性。国外一些著名的公司自20世纪80年代末即开始进行多项计算研究和试验分析工作，取得很多成熟的经验，借鉴这些技术先进型开关柜的设计方法和运行经验，对改善国产开关柜的相关特性有很大帮助。

（7）加强管理和人员培训，严格遵守运行和检修操作的规章制度。

2.主动保护措施

所谓主动保护措施是指利用伴随故障电弧刚一出现瞬时的短路电流、弧光、压力冲击波或高温作为信号源，快速触发一套高灵敏控制装置，在电弧刚出现的早期，尽快触发上一级进线开关立即跳闸，缩短燃弧时间限制它积聚更大的热量，从而减小其破坏力。这样，设备损坏程度可大为降低，最大限度地减小经济损失而且缩短了修复时间。

研究这类保护措施的技术关键在于：①传感器应具有非常高的灵敏度，与之配合的电子设备必须能迅速进行数据处理、准确判断出故障电弧的前兆并在极短时间内发出触发断路器跳闸动作的指令；②快速开关不能采用常规的机械或电磁操动机构，它必须在接受触发指令后极迅速地动作，因而现行的一些装置大都采用爆破气动操纵的快速开关或离子束直接引燃使导体迅速对地导通；③要求整套装置从探测到燃弧开始的微弱信号到快速开关动作的全过程时间必须在几毫秒内完成，否则如时间延缓，稍长的迟疑不但达不到限制燃弧的破坏效果，还会烧毁故障所在隔室的传感器。

迄今为止，国外已有多家公司设计制造多种这类装置，综其原理，按触发源来分基本有弧光型和压力型两大类，同时，都将电流信号作为一个重要的参考量。以下简述国外近期几种比较成熟和有一定实用价值的装置。(www.xing528.com)

（1）Siemens公司的8AX10型压力开关系统。装置有三个开口的收集器，末端分别置于断路器室、母线室和电缆室中。采集的压力波由软管进入系统被高灵敏压力开关接收，它的启动压强最小值为2.0～2.5hPa（对应产生这一压强的电弧电流约为4kA）。高灵敏压力传感器在收集到2.0～2.5hPa压强信号后的几毫秒内，立即发信触发上一级断路器迅速跳闸，在不大于8ms内切除短路故障，制止了电弧继续燃烧从而减轻了电弧的破坏。

（2）ABB Calor Emag公司推出的小体积UFES型超快速短路开关单相极柱的结构与一种电子脱扣器如图6-2所示。它由一小型真空灭弧室和气缸、活塞以及气体发生器组成，各部件封装在环氧绝缘体内，正常运行时两个触头处于隔离位置。

快速短路开关的工作原理是利用弧光做启动信号，隔室内传感器将探测到的弧光信号传输到电子脱扣装置，同时输入的还有来自电流互感器的电流信号作为辅助判断参考量。出现故障电弧时，电子脱扣装置立即启动在快速短路开关底部的气体发生器，发生器内微量火药被激发后产生高压气体推动气缸的活塞快速撞击动触头使之与静触头闭合，于是将电源接地短路。50kA短路试验的数据为：从探测到弧光信号到短路开关闭合历时约4ms，可将故障隔室内的气压限制在0.5bar以下，因此燃弧部位仅有轻微损伤。模块化的UFES型超快速短路开关的体积小，可方便地安装在柜顶，还尤其适合设备改造，图6-2（c）所示为这套装置安装在柜顶的实况。

图6-2　ABB Calor-Emag公司的UFES型超快速短路开关

（a）开关内部构造（单相极柱）；（b）5EA系列电子脱扣器；（c）超快速短路开关安装在一台被改造的开关柜顶部
1—环氧树脂绝缘；2—真空灭弧室；3—静触头；4—陶瓷外壳；5—动触头；6—活塞；7—气缸；8—气体发生装置；9—信号接收端

（3）Schneider公司的装置称为电弧终止器。它的一套电子控制器连接着位于变电站中各柜每个隔室中的传感器。一旦某处出现故障电弧，传感器探测到的弧光经光纤传导到电子控制器，当它同时也接收到由电流互感器取出的信号并判断电流有突变的趋势时，电子线路立即将信号放大，加强了脱扣机构的触发能量，使开关快速闭合，造成进线断路器因短路而跳闸。据介绍约在不超过1/4周波的时间内故障电弧即在其始发点被熄灭，这时设备仅有轻微的烧痕而未遭受严重破坏。“快速开关”的外形如图6-3所示，其体积大小与一般的断路器手车相当，安装在一台专用柜内与开关站的其他柜拼接。柜上设有指示器，在熄灭故障电弧后还可提示发生故障的开关柜编号以及故障所在隔室，给巡查和检修提供了极大便利。

图6-3　Schneider公司的电弧终止器

（4）GE公司研制的电弧吸收器如图6-4所示，这套装置的技术源于低压开关柜。其主要部件包括光纤传感器、电子控制系统、高频高压脉冲发生器和大功率等离子发生器。电弧吸收器的工作原理为：光敏元件接收的弧光信号经光纤输入到一套电子控制系统后，控制系统将之与同时由互感器传来的电流、电压信号一起进行逻辑运算，分析是否电流有骤然突变的趋势，当确定为故障电弧的前兆后，即刻发出指令触发高频高压脉冲发生器放电，快速引发电流源供给串激离子枪产生高压等离子电弧，将与开关柜三相母排连接的隔离间隙击穿，因此三相电源通过等离子电弧而短路，在离子枪上方的电弧被限制在密封壳体内而不会外逸。供给离子枪的能量来源于一大容量电容器（电流源），因而电弧的离子密度很大、电阻小，它远小于故障点刚开始燃弧瞬间的弧柱电阻，致使电源电流选择这一“短路捷径”，从而使故障点的电弧停止继续发展，在其产生巨大的破坏力之前切断进线断路器。由此，这一装置形象地命名为“电弧吸收器”，测量证实电弧被“吸收”经历的时间约为5ms。

图6-4　GE公司电弧吸收器的结构示意图

顺便指出，在国外这类主动保护措施也仅是一种辅助手段，实际应用不多。制造业仍以严格的质量控制、设计可靠的压力释放装置做为有效防止开关柜内部电弧故障的主要措施。