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(guān)柜。由于這種開關(guān)柜特別是手車式開關(guān)柜的尺寸都較小，絕緣裕度不大，加上絕緣污穢、開關(guān)柜結(jié)露，斷路器推進(jìn)推出造成絕緣損壞，產(chǎn)品缺陷以及小動(dòng)物和鳥類進(jìn)入開關(guān)柜等，電弧短路引起開關(guān)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(jì)資料表明，每年每1000臺(tái)開關(guān)柜就有7臺(tái)開關(guān)柜遭到損壞，達(dá)0.7%。在農(nóng)村配電網(wǎng)中，這個(gè)故障率更高，達(dá)12%。我國成套開關(guān)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(yùn)的兩個(gè)110kV市區(qū)變電所，都相繼發(fā)生開關(guān)柜所謂“火燒連營”燒毀整段開關(guān)柜的事故。
    我國設(shè)備制造部門面對(duì)上述慘痛事故教訓(xùn)，一直在改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，提高開關(guān)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(hù)方式，避免或減少電弧短路造成開關(guān)柜的損壞。在這一方面，前蘇聯(lián)遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在我們的前頭。早在70年代末，他們就開始研制成套開關(guān)柜的電弧短路保護(hù)裝置。到90年代初期，這方面的技術(shù)已趨成熟。70年代末和80年代末，國家有關(guān)指令性文件或規(guī)程都規(guī)定成套開關(guān)柜要裝設(shè)電弧短路保護(hù)。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(tái)開關(guān)柜，已有85%裝設(shè)了這種保護(hù)。為了了解前蘇聯(lián)電弧短路保護(hù)裝置的研制動(dòng)向，本文簡要介紹各種保護(hù)裝置的動(dòng)作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，供有關(guān)人員參考。
2、成套開關(guān)柜電弧短路的特點(diǎn)
    除了出線電纜頭故障外，對(duì)于成套開關(guān)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(duì)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(guān)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(guān)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(fù)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(duì)于裝有少油斷路器的成套開關(guān)柜，在電弧短路時(shí)，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(jié)果，還會(huì)引起開關(guān)柜爆炸事故。
    根據(jù)國外實(shí)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(shí)間為0.5~0.6s。從兩相短路過渡到三相短路的時(shí)間和兩相電弧短路的電流大小以及開關(guān)柜構(gòu)造（尺寸）有關(guān)。當(dāng)短路電流2～10kA時(shí)，時(shí)間約0.10～0.02s。為了降低電弧短路時(shí)開關(guān)柜損壞的程度，應(yīng)盡量縮短電弧短路保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間。
    成套開關(guān)柜中的電弧另一個(gè)特點(diǎn)是移動(dòng)速度非�？�，能從短路點(diǎn)沿母線背離電源側(cè)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(jié)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(guān)柜內(nèi)這個(gè)小室竄到另一個(gè)小室；還可以通過沒有隔離的母線小室竄到旁邊的開關(guān)柜，從而產(chǎn)生所謂“火燒連營”，燒毀整段開關(guān)柜。
    電弧短路除了產(chǎn)生前面的電磁效應(yīng)外，還產(chǎn)生光和熱的效應(yīng)，國外就是利用電弧這些效應(yīng)，研制出各種各樣的電弧短路保護(hù)裝置。
3、各種電弧短路保護(hù)裝置的動(dòng)作原理
3.1利用電弧產(chǎn)生的熱量動(dòng)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(hù)裝置動(dòng)作。
    a．閥式電弧保護(hù)繼電器
    閥式保護(hù)繼電器或稱壓力傳感器。利用電弧產(chǎn)生充足氣體壓力動(dòng)作，是前蘇聯(lián)一直研制和使用的電弧保護(hù)裝置。如圖1所示，它主要由框架1和葉片2組成。相當(dāng)于門框和門扇，可以雙方向轉(zhuǎn)動(dòng)。它利用兩個(gè)耳柄3固定在開關(guān)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(yīng)予先開孔）。發(fā)生電弧短路時(shí)，在高壓氣流沖擊下，葉片2打開（轉(zhuǎn)動(dòng)），并動(dòng)作于終端開關(guān)，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(dòng)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(diǎn)是簡單，動(dòng)作快（與短路電流大小有關(guān)，約小于0.1。）；動(dòng)作后有記憶作用，可用俗眼，看出它是否動(dòng)作；由于有最低的電流動(dòng)作門檻，只能用在電弧短路電流超過3kA的開關(guān)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(hào)動(dòng)作。由于這種電阻信號(hào)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(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體開關(guān)，圖2表示出這種半導(dǎo)體開關(guān)的出口繼電器的接點(diǎn)Kl。發(fā)生電弧短路時(shí)，在氣體壓力作用下，半導(dǎo)體開關(guān)動(dòng)作，Kl接點(diǎn)閉合，接通中間繼電器KL線圈，KL接點(diǎn)閉合動(dòng)作于跳閘。保護(hù)動(dòng)作時(shí)間取決于中間繼電器KL的動(dòng)作時(shí)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(hù)裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是由于靠氣體壓力動(dòng)作，抗干擾能力強(qiáng)，選擇性好，動(dòng)作迅速。缺點(diǎn)是接線較復(fù)雜。
    Kl-金屬絲電弧繼電器；
    KA-過電流繼電器；
    K'r-時(shí)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(dòng)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(dòng)，此時(shí)可沿母線裝設(shè)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(yàn)決定），并在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)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(duì)短路電流電弧進(jìn)行接收（吸收）。例如Kl點(diǎn)短路時(shí)，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(guān)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(hù)裝置動(dòng)作迅速，實(shí)際上沒有最低的電流動(dòng)作門檻。但不能區(qū)別短路發(fā)生的地方。它也是目前應(yīng)用較多的電弧短路保護(hù)裝置。特別是用于成套開關(guān)柜連通的母線段保護(hù)。
    b．單相電流電弧保護(hù)
    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(gòu)成不完全母線差動(dòng)保護(hù)方式，實(shí)現(xiàn)電弧電流保護(hù)（或叫單相電流電弧保護(hù)），如圖4所示。當(dāng)Kl、K2點(diǎn)短路時(shí)，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(shí)間繼電器組合成)動(dòng)作，將無選擇性瞬時(shí)（不大于O.ls）斷開進(jìn)線斷路器Q。。當(dāng)配電裝置范圍外(例如線路K81)發(fā)生故障時(shí)，電流電弧保護(hù)利用KA1的接點(diǎn)（斷開比接點(diǎn)KAB閉合早）退出工作，此時(shí)故障由線路保護(hù)選擇性斷開斷路器Q．。當(dāng)線路1電纜頭(K3點(diǎn))發(fā)生短路時(shí)將遵守類似的準(zhǔn)則。
    這種保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)起來也不復(fù)雜。動(dòng)作時(shí)間也短(約O.ls)。但當(dāng)電纜頭（K3點(diǎn)）短路時(shí)，由于斷路器逸出油氣與電弧接觸，可能造成開關(guān)柜爆炸，需加電弧接收電極、閉鎖本身斷路器Q．動(dòng)作，使進(jìn)線斷路器Q。無選擇性動(dòng)作。
    c．電弧接地保護(hù)
    利用單相電弧接地電流動(dòng)作的保護(hù)裝置見圖5。它由電源電纜進(jìn)線和電纜出線的零序電流互感器及接入其二次側(cè)的保護(hù)單相接地的電流繼電器1(2)KAl~1(2)KA4構(gòu)成。當(dāng)成套開關(guān)柜中出現(xiàn)單相接地時(shí)（例如Kl點(diǎn)），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(diǎn)1KA1偶然閉合使保護(hù)動(dòng)作）的接點(diǎn)閉合后，繼電器1KL1，1KL3和時(shí)間繼電器1KT動(dòng)作。1KT動(dòng)作后其限時(shí)接點(diǎn)閉合使斷路器Q，和Q。跳閘。當(dāng)K2點(diǎn)發(fā)生單相接地時(shí)，繼電器1KA1、1KA2、1KV1動(dòng)作，以后繼電器1KL1、1KL2、1KL3相應(yīng)動(dòng)作。繼電器1KL2動(dòng)作后，它的接點(diǎn)斷開繼電器1KT回路，斷路器Q，不會(huì)跳閘。為了避免電纜出線單相接地時(shí)保護(hù)誤動(dòng)作，其保護(hù)帶0.1~0.2s延時(shí)。當(dāng)K3點(diǎn)發(fā)生單相接地和斷路器Q，接通時(shí)，繼電器2KA2動(dòng)作，它的接點(diǎn)閉合繼電器2KL2的回路，繼電器2KL2的接點(diǎn)斷開繼電器1KT回路，斷路器Q，不會(huì)跳閘。
    6～10kV成套開關(guān)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(hù)裝置的動(dòng)作電流按單相接地短路電流整定，動(dòng)作值小，靈敏度高。同時(shí)由于保護(hù)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(hù)一樣，保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)限毋須增加0.3～0.5s，以躲過斷路器合閘時(shí)變壓器空載的勵(lì)磁涌流和電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流。但為了避免電纜出線單相接地時(shí)保護(hù)誤動(dòng)作，保護(hù)有0.1~ 0.2s延時(shí)，比前面各種保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間略長些。這種保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)起來也很簡單。
3.3利用電弧產(chǎn)生的弧光動(dòng)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(dòng)作跳閘的出口繼電器。這種繼電器可稱為光敏電弧保護(hù)繼電器。在弧光照射光敏電阻R4時(shí)，流過繼電器Kl的電流增大，繼電器Kl動(dòng)作后，接點(diǎn)Kl接通出口繼電器K2。繼電器K2的接點(diǎn)K2、3閉合發(fā)出跳閘脈沖，斷開有關(guān)的斷路器。在光敏電阻R4回路中串上過電流保護(hù)的電流繼電器接點(diǎn)MT3，只有過電流保護(hù)MT3和光敏電阻都動(dòng)作時(shí)才斷開對(duì)應(yīng)的斷路器，以增加光敏電阻動(dòng)作的可靠性。
    這種繼電器的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作靈敏度高，動(dòng)作時(shí)間短，選擇性好。但接線復(fù)雜，抗干擾（光、溫度）能力較差（必須串上過電流保護(hù)繼電器的接點(diǎn)）。繼電器的固有動(dòng)作時(shí)間不超過0.04s。
4、各種電弧短路保護(hù)裝置的使用情況
    根據(jù)1994年初有關(guān)資料介紹，1990~1992年期間，在俄羅斯特維爾電力系統(tǒng)14個(gè)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(shè)220個(gè)“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(hù)6～10kV屋內(nèi)配電裝置。6個(gè)月內(nèi)發(fā)生了11次電弧短路（電流5.8~12kA），此時(shí)沒有觀察到電弧短路保護(hù)拒動(dòng)過。電弧短路由配電裝置段的進(jìn)線斷路器實(shí)際上瞬時(shí)斷開消除。所有開關(guān)柜和斷路器（這里閉鎖備用電源自動(dòng)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(guān)資料介紹，由同名相電流互感器構(gòu)成的電弧電流保護(hù)(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(guān)資料介紹，由零序電流互感器構(gòu)成的電弧接地保護(hù)（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(guān)資料報(bào)導(dǎo)，光敏電弧接地保護(hù)繼電器(圖6)曾在3個(gè)變電所中進(jìn)行人工短路試驗(yàn)，繼電器的固有動(dòng)作時(shí)間不超過0.04s。還記錄到一次開關(guān)柜中絕緣擊穿保護(hù)正確動(dòng)作的情況。此時(shí)，開關(guān)柜金屬部份的電弧痕跡不太明顯，證明這種保護(hù)動(dòng)作是很有效的。
    總結(jié)上述運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可以作出初步結(jié)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(guān)柜中。短路電流3kA以下可以采用單相電弧電流保護(hù)，電弧接地保護(hù)及光敏電弧接地保護(hù)繼電器。
5、各種電弧短路保護(hù)裝置的費(fèi)用及經(jīng)濟(jì)分析
  按照1991年價(jià)格，每臺(tái)“克拉伯”傳感器的造價(jià)為120~150盧布。在每臺(tái)成套開關(guān)柜中（任何系列）的安裝費(fèi)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(guān)）由15~18臺(tái)開關(guān)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(duì)安裝這種保護(hù)需5~ 7h。
    單相電流電弧保護(hù)裝置的制造，安裝和調(diào)試平均每臺(tái)開關(guān)柜為3~ 3.5干盧布（1992年價(jià)）。
    一段母線開關(guān)柜中裝設(shè)“克拉伯”傳感器的投資和安裝費(fèi)用不超過一臺(tái)裝少油斷路器的開關(guān)柜的費(fèi)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(guān)柜故障（農(nóng)村中達(dá)12%）計(jì)算，因此裝設(shè)“克拉伯”傳感器的費(fèi)用可在1~2年內(nèi)回收。在一段內(nèi)開關(guān)柜數(shù)量增加時(shí)，回收年限更可縮短。
6、結(jié)束語
    根據(jù)國外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，雖然根據(jù)短路時(shí)產(chǎn)生電弧的特點(diǎn)，研制出各種各樣的電弧短路保護(hù)繼電器，但它們都應(yīng)盡量滿足以下5點(diǎn)基本要求，這和一般繼電器的基本要求一樣：
    a．速動(dòng)性。這一點(diǎn)是最主要的，以便減輕電弧對(duì)開關(guān)柜的損壞程度。因此電弧短路保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間愈短愈好。最好不超過0.1s。
    b．靈敏性。即電流動(dòng)作門檻愈低愈好。
    c．可靠性。即在其他無關(guān)的因素影響下不要誤動(dòng)作。
    d．選擇性。即下級(jí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)上級(jí)保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。
    e．簡單性。構(gòu)造簡單，容易制造，容易安裝維護(hù)，因而造價(jià)也低。
上述要求常�；ハ嗝�盾，例如靈敏度高，可靠性就可能降低；為了速動(dòng)性可能犧牲選擇性（例如出線故障跳進(jìn)線斷路器）。
    根據(jù)前面對(duì)電弧短路保護(hù)的要求，我們對(duì)國外已有的各種繼電保護(hù)裝置簡單歸納如下：
    閥式保護(hù)裝置動(dòng)作可靠迅速，但有最低的電流動(dòng)作門檻( 3kA)。動(dòng)作時(shí)間雖短（可達(dá)O.ls以內(nèi)），但必須出現(xiàn)兩相短路后才能動(dòng)作。動(dòng)作時(shí)間和短路電流有關(guān)，電流愈大，動(dòng)作時(shí)間愈短。電流雖大，但動(dòng)作時(shí)間很短，短路時(shí)不會(huì)損壞開關(guān)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(dòng)作。沒有電流動(dòng)作門檻。動(dòng)作時(shí)間和短路電流大小無關(guān)。動(dòng)作最迅速（瞬時(shí)）。造價(jià)低，但只能作為成套配電裝置母線段的保護(hù)，也不能判別故障點(diǎn)。
    單相電流電弧保護(hù)利用兩相短路電流動(dòng)作，可靠性高。動(dòng)作時(shí)間短，可達(dá)0.1s。電流動(dòng)作門檻低(1~ 3kA)，但不能太低，否則動(dòng)作時(shí)間要增長0.5s，
以躲過變壓器勵(lì)磁電流或電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流。
    電弧接地保護(hù)在發(fā)生單相接地時(shí)就動(dòng)作。利用單相接地電流動(dòng)作，起動(dòng)電流值低，靈敏度高。但為了避免出線單相接地時(shí)動(dòng)作，動(dòng)作時(shí)間要增長，約0.2s。但由于在小接地電流時(shí)就動(dòng)作（單相，接地過渡到兩相短路約0.5s），雖然時(shí)間長些，對(duì)開關(guān)不致造成損壞。
    上述保護(hù)對(duì)出線外部短路時(shí)均有選擇性。但為了避免開關(guān)柜在油氣和電弧作用下爆炸，以及縮短保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，出線開關(guān)柜內(nèi)電弧短路時(shí)均動(dòng)作變壓器進(jìn)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(shí)動(dòng)作時(shí)間，也可能要這樣做。
    從上可見閥式保護(hù)動(dòng)作電流大( 3kA)以上，因此短路電流小于3kA時(shí)應(yīng)用其他保護(hù)。
    最簡單的是電弧接收天線，次之是閥式保護(hù)，最復(fù)雜是金屬絲電弧繼電器，光敏電弧保護(hù)繼電器。
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