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1、引言
    在電力系統(tǒng)、工業(yè)企業(yè)等變電所的6～10kV配電裝置中廣泛采用成套開關柜。由于這種開關柜特別是手車式開關柜的尺寸都較小，絕緣裕度不大，加上絕緣污穢、開關柜結露，斷路器推進推出造成絕緣損壞，產(chǎn)品缺陷以及小動物和鳥類進入開關柜等，電弧短路引起開關柜的故障率很高，一般造成整段配電裝置完全損壞和用戶長期停電。據(jù)國外（前蘇聯(lián)）的統(tǒng)計資料表明，每年每1000臺開關柜就有7臺開關柜遭到損壞，達0.7%。在農(nóng)村配電網(wǎng)中，這個故障率更高，達12%。我國成套開關柜的故障率可能更高。新疆烏魯木齊地區(qū)最近兩年新投運的兩個110kV市區(qū)變電所，都相繼發(fā)生開關柜所謂“火燒連營”燒毀整段開關柜的事故。
    我國設備制造部門面對上述慘痛事故教訓，一直在改進產(chǎn)品質(zhì)量，提高開關柜絕緣水平（如采用新材料）方面下功夫。但這只能減少事故、不能杜絕事故。殊不知可以通過繼電保護方式，避免或減少電弧短路造成開關柜的損壞。在這一方面，前蘇聯(lián)遠遠走在我們的前頭。早在70年代末，他們就開始研制成套開關柜的電弧短路保護裝置。到90年代初期，這方面的技術已趨成熟。70年代末和80年代末，國家有關指令性文件或規(guī)程都規(guī)定成套開關柜要裝設電弧短路保護。據(jù)最近資料表明，截止1993年底，莫斯科電力系統(tǒng)的110~ 220/6～10kV變電所中的12000臺開關柜，已有85%裝設了這種保護。為了了解前蘇聯(lián)電弧短路保護裝置的研制動向，本文簡要介紹各種保護裝置的動作原理和優(yōu)缺點，供有關人員參考。
2、成套開關柜電弧短路的特點
    除了出線電纜頭故障外，對于成套開關柜、電弧短路的主要原因是由于絕緣水平不夠造成的。由于偶然原因絕緣水平降低，開始對地產(chǎn)生泄漏電流，逐漸形成電流電弧。電弧連續(xù)燃燒，使開關柜內(nèi)產(chǎn)生大量高溫金屬氣體，發(fā)展成為兩相短路，并最終過渡到三相短路，即所謂絕緣事故引起電弧短路。手車式開關柜的電弧短路由于上述原因外，還可能由于隔離插頭電接觸不良，長期載流過熱，插頭燒熔并脫落、產(chǎn)生負荷電流電弧，電弧連續(xù)燃燒，產(chǎn)生大量高溫金屬氣體，最后也能發(fā)展成為兩相、三相短路，即所謂載流事故引起弧光短路。
    對于裝有少油斷路器的成套開關柜，在電弧短路時，由于電流大量熱量可以使斷路器噴出（逸出）油氣，和電弧接觸結果，還會引起開關柜爆炸事故。
    根據(jù)國外實測資料，在6~ lOkV成套配電裝置中，單相電弧接地過渡到兩相短路的時間為0.5~0.6s。從兩相短路過渡到三相短路的時間和兩相電弧短路的電流大小以及開關柜構造（尺寸）有關。當短路電流2～10kA時，時間約0.10～0.02s。為了降低電弧短路時開關柜損壞的程度，應盡量縮短電弧短路保護裝置的動作時間。
    成套開關柜中的電弧另一個特點是移動速度非常快，能從短路點沿母線背離電源側方向“跑出”，這是由于母線短路電流產(chǎn)生的電磁場和電弧的電磁場相互作用的結果。短路電流愈大，“跑出”的速度愈快。由于向外“跑出”，可以從開關柜內(nèi)這個小室竄到另一個小室；還可以通過沒有隔離的母線小室竄到旁邊的開關柜，從而產(chǎn)生所謂“火燒連營”，燒毀整段開關柜。
    電弧短路除了產(chǎn)生前面的電磁效應外，還產(chǎn)生光和熱的效應，國外就是利用電弧這些效應，研制出各種各樣的電弧短路保護裝置。
3、各種電弧短路保護裝置的動作原理
3.1利用電弧產(chǎn)生的熱量動作
    前面指出，電弧連續(xù)燃燒，產(chǎn)生大量高溫氣體，形成壓力很高的沖擊氣流，使保護裝置動作。
    a．閥式電弧保護繼電器
    閥式保護繼電器或稱壓力傳感器。利用電弧產(chǎn)生充足氣體壓力動作，是前蘇聯(lián)一直研制和使用的電弧保護裝置。如圖1所示，它主要由框架1和葉片2組成。相當于門框和門扇，可以雙方向轉(zhuǎn)動。它利用兩個耳柄3固定在開關柜分隔的小室（如母線小室、斷路器小室、電纜頭小室等）的柜壁上（柜壁應予先開孔）。發(fā)生電弧短路時，在高壓氣流沖擊下，葉片2打開（轉(zhuǎn)動），并動作于終端開關，發(fā)出斷路器跳閘脈沖。
    這種小尺寸繼電器（約1.5kg重）名叫“克拉伯”（是俄文“短路“‘動作”兩字頭的縮寫）。早已批量生產(chǎn)，最廣泛用在電力系統(tǒng)中。
    這種繼電器的主要優(yōu)點是簡單，動作快（與短路電流大小有關，約小于0.1。）；動作后有記憶作用，可用俗眼，看出它是否動作；由于有最低的電流動作門檻，只能用在電弧短路電流超過3kA的開關柜中。
    b．金屬絲電弧繼電器
    金屬絲電弧繼電器或叫張力傳感器，它是在電弧氣體壓力作用下伸長金屬絲，根據(jù)電阻變大的信號動作。由于這種電阻信號變化不大，需要采用橋式接線，直流放大器等。因此這種繼電器實質(zhì)上是一種半導體開關，圖2表示出這種半導體開關的出口繼電器的接點Kl。發(fā)生電弧短路時，在氣體壓力作用下，半導體開關動作，Kl接點閉合，接通中間繼電器KL線圈，KL接點閉合動作于跳閘。保護動作時間取決于中間繼電器KL的動作時間，約0.Is。由于這種繼電器的體積小，可以裝在電磁式電流繼電器KA的殼體中。
    這種保護裝置的主要優(yōu)點是由于靠氣體壓力動作，抗干擾能力強，選擇性好，動作迅速。缺點是接線較復雜。
    Kl-金屬絲電弧繼電器；
    KA-過電流繼電器；
    K'r-時間繼電器：
    KL-中間繼電器：
    UD--極管
3.2利用電弧產(chǎn)生的電磁能量動作
    a．電弧接收天線
    前面已經(jīng)指出，母線短路電流產(chǎn)生的電磁場和電弧的電磁場相互作用使電弧迅速移動，此時可沿母線裝設一根天線3（所謂第四根母線），見圖3。這根天線和母線2絕緣（間隙6由試驗決定），并在適當?shù)攸c設置一只電流互感器9（一次線圈一端接天線，另一端接母線）對短路電流電弧進行接收（吸收）。例如Kl點短路時，B、C間的電弧壓降產(chǎn)生電流互感器一次電流和二次脈沖跳閘電流，使電源斷路器跳閘。
    1-開關柜間隔；  2-鋁母線（主母線）
    3-電弧接收天線；  4-固定支架；
    5-絕緣套管；  6-分支線；
    7-引下線；  8-固定支架；
    9-電流互感器；  10-分支線；
    11-鋁母線
    這種保護裝置動作迅速，實際上沒有最低的電流動作門檻。但不能區(qū)別短路發(fā)生的地方。它也是目前應用較多的電弧短路保護裝置。特別是用于成套開關柜連通的母線段保護。
    b．單相電流電弧保護
    在相間短路電弧電流較小的情況下，可以采用由一只同名相（例如C相）的電流互感器構成不完全母線差動保護方式，實現(xiàn)電弧電流保護（或叫單相電流電弧保護），如圖4所示。當Kl、K2點短路時，電流繼電器組KAB( KAB繼電器可由電流繼電器和中間繼電器或時間繼電器組合成)動作，將無選擇性瞬時（不大于O.ls）斷開進線斷路器Q。。當配電裝置范圍外(例如線路K81)發(fā)生故障時，電流電弧保護利用KA1的接點（斷開比接點KAB閉合早）退出工作，此時故障由線路保護選擇性斷開斷路器Q．。當線路1電纜頭(K3點)發(fā)生短路時將遵守類似的準則。
    這種保護裝置實現(xiàn)起來也不復雜。動作時間也短(約O.ls)。但當電纜頭（K3點）短路時，由于斷路器逸出油氣與電弧接觸，可能造成開關柜爆炸，需加電弧接收電極、閉鎖本身斷路器Q．動作，使進線斷路器Q。無選擇性動作。
    c．電弧接地保護
    利用單相電弧接地電流動作的保護裝置見圖5。它由電源電纜進線和電纜出線的零序電流互感器及接入其二次側的保護單相接地的電流繼電器1(2)KAl~1(2)KA4構成。當成套開關柜中出現(xiàn)單相接地時（例如Kl點），繼電器1KA1和1KV1（接到母線電壓互感器1TV1的開口三角形繞組上，用來消除接點1KA1偶然閉合使保護動作）的接點閉合后，繼電器1KL1，1KL3和時間繼電器1KT動作。1KT動作后其限時接點閉合使斷路器Q，和Q。跳閘。當K2點發(fā)生單相接地時，繼電器1KA1、1KA2、1KV1動作，以后繼電器1KL1、1KL2、1KL3相應動作。繼電器1KL2動作后，它的接點斷開繼電器1KT回路，斷路器Q，不會跳閘。為了避免電纜出線單相接地時保護誤動作，其保護帶0.1~0.2s延時。當K3點發(fā)生單相接地和斷路器Q，接通時，繼電器2KA2動作，它的接點閉合繼電器2KL2的回路，繼電器2KL2的接點斷開繼電器1KT回路，斷路器Q，不會跳閘。
    6～10kV成套開關柜電弧短路絕大多數(shù)先由單相電弧接地電流發(fā)展起來的，從單相接地短路發(fā)展成為兩相、三相短路。由于電弧接地保護裝置的動作電流按單相接地短路電流整定，動作值小，靈敏度高。同時由于保護裝置利用零序電流互感器產(chǎn)生的零序電流，不像普通接在相電流的過電流保護一樣，保護裝置的動作時限毋須增加0.3～0.5s，以躲過斷路器合閘時變壓器空載的勵磁涌流和電動機的起動電流。但為了避免電纜出線單相接地時保護誤動作，保護有0.1~ 0.2s延時，比前面各種保護的動作時間略長些。這種保護裝置實現(xiàn)起來也很簡單。
3.3利用電弧產(chǎn)生的弧光動作
所謂“電弧”就要產(chǎn)生弧光，因此可以利用光敏電阻R4(見圖6)的電阻變化（減少）產(chǎn)生的電流動作跳閘的出口繼電器。這種繼電器可稱為光敏電弧保護繼電器。在弧光照射光敏電阻R4時，流過繼電器Kl的電流增大，繼電器Kl動作后，接點Kl接通出口繼電器K2。繼電器K2的接點K2、3閉合發(fā)出跳閘脈沖，斷開有關的斷路器。在光敏電阻R4回路中串上過電流保護的電流繼電器接點MT3，只有過電流保護MT3和光敏電阻都動作時才斷開對應的斷路器，以增加光敏電阻動作的可靠性。
    這種繼電器的優(yōu)點是動作靈敏度高，動作時間短，選擇性好。但接線復雜，抗干擾（光、溫度）能力較差（必須串上過電流保護繼電器的接點）。繼電器的固有動作時間不超過0.04s。
4、各種電弧短路保護裝置的使用情況
    根據(jù)1994年初有關資料介紹，1990~1992年期間，在俄羅斯特維爾電力系統(tǒng)14個供電部門的變電所中，組合安裝了“克拉伯”繼電器（圖1）和電弧接收天線裝置（圖3）。共裝設220個“克拉伯”繼電器和29套電弧接收天線。其中6套電弧接收天線用來保護6～10kV屋內(nèi)配電裝置。6個月內(nèi)發(fā)生了11次電弧短路（電流5.8~12kA），此時沒有觀察到電弧短路保護拒動過。電弧短路由配電裝置段的進線斷路器實際上瞬時斷開消除。所有開關柜和斷路器（這里閉鎖備用電源自動投入裝置）沒有電弧故障，檢查后立即投入工作。
    據(jù)1992年底有關資料介紹，由同名相電流互感器構成的電弧電流保護(圖4)也已經(jīng)成功用在莫斯科電力系統(tǒng)許多變電所中。
    據(jù)1992年中有關資料介紹，由零序電流互感器構成的電弧接地保護（圖5）也成功用在利西昌斯克石油化工廠的6kV配電裝置中。
    據(jù)1990年中有關資料報導，光敏電弧接地保護繼電器(圖6)曾在3個變電所中進行人工短路試驗，繼電器的固有動作時間不超過0.04s。還記錄到一次開關柜中絕緣擊穿保護正確動作的情況。此時，開關柜金屬部份的電弧痕跡不太明顯，證明這種保護動作是很有效的。
    總結上述運行經(jīng)驗，可以作出初步結論：“克拉伯”小形繼電器和電弧接收天線裝置有效用在短路
電流超過3kA的6~lOkV成套配電裝置開關柜中。短路電流3kA以下可以采用單相電弧電流保護，電弧接地保護及光敏電弧接地保護繼電器。
5、各種電弧短路保護裝置的費用及經(jīng)濟分析
  按照1991年價格，每臺“克拉伯”傳感器的造價為120~150盧布。在每臺成套開關柜中（任何系列）的安裝費為0.9~ 1.0干盧布。成套配電裝置安裝電弧接收母線（加電流互感器），每段（和長度有關）由15~18臺開關柜組成的一段母線長度為6~7干盧布。由2~3人組成的安裝小隊安裝這種保護需5~ 7h。
    單相電流電弧保護裝置的制造，安裝和調(diào)試平均每臺開關柜為3~ 3.5干盧布（1992年價）。
    一段母線開關柜中裝設“克拉伯”傳感器的投資和安裝費用不超過一臺裝少油斷路器的開關柜的費用。按電力系統(tǒng)6~ lOkV成套配電裝置中每年電弧短路平均使5%~6%開關柜故障（農(nóng)村中達12%）計算，因此裝設“克拉伯”傳感器的費用可在1~2年內(nèi)回收。在一段內(nèi)開關柜數(shù)量增加時，回收年限更可縮短。
6、結束語
    根據(jù)國外的運行經(jīng)驗，雖然根據(jù)短路時產(chǎn)生電弧的特點，研制出各種各樣的電弧短路保護繼電器，但它們都應盡量滿足以下5點基本要求，這和一般繼電器的基本要求一樣：
    a．速動性。這一點是最主要的，以便減輕電弧對開關柜的損壞程度。因此電弧短路保護的動作時間愈短愈好。最好不超過0.1s。
    b．靈敏性。即電流動作門檻愈低愈好。
    c．可靠性。即在其他無關的因素影響下不要誤動作。
    d．選擇性。即下級保護動作時上級保護不應動作。
    e．簡單性。構造簡單，容易制造，容易安裝維護，因而造價也低。
上述要求常常互相矛盾，例如靈敏度高，可靠性就可能降低；為了速動性可能犧牲選擇性（例如出線故障跳進線斷路器）。
    根據(jù)前面對電弧短路保護的要求，我們對國外已有的各種繼電保護裝置簡單歸納如下：
    閥式保護裝置動作可靠迅速，但有最低的電流動作門檻( 3kA)。動作時間雖短（可達O.ls以內(nèi)），但必須出現(xiàn)兩相短路后才能動作。動作時間和短路電流有關，電流愈大，動作時間愈短。電流雖大，但動作時間很短，短路時不會損壞開關柜，可以繼續(xù)使用。
    電弧接收天線裝置，靠母線段出現(xiàn)兩相短路電流動作。沒有電流動作門檻。動作時間和短路電流大小無關。動作最迅速（瞬時）。造價低，但只能作為成套配電裝置母線段的保護，也不能判別故障點。
    單相電流電弧保護利用兩相短路電流動作，可靠性高。動作時間短，可達0.1s。電流動作門檻低(1~ 3kA)，但不能太低，否則動作時間要增長0.5s，
以躲過變壓器勵磁電流或電動機起動電流。
    電弧接地保護在發(fā)生單相接地時就動作。利用單相接地電流動作，起動電流值低，靈敏度高。但為了避免出線單相接地時動作，動作時間要增長，約0.2s。但由于在小接地電流時就動作（單相，接地過渡到兩相短路約0.5s），雖然時間長些，對開關不致造成損壞。
    上述保護對出線外部短路時均有選擇性。但為了避免開關柜在油氣和電弧作用下爆炸，以及縮短保護動作時間，出線開關柜內(nèi)電弧短路時均動作變壓器進線斷路器跳閘，選擇性都差。如果采用真空斷路器，為了縮短母線短路時動作時間，也可能要這樣做。
    從上可見閥式保護動作電流大( 3kA)以上，因此短路電流小于3kA時應用其他保護。
    最簡單的是電弧接收天線，次之是閥式保護，最復雜是金屬絲電弧繼電器，光敏電弧保護繼電器。
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