低壓配電系統故障中的電弧防護研究

新疆廣播電視臺 趙 晨

在配電系統中電弧有著較高的能量，一些低電流斷層電弧可引起嚴重的電氣事故，可見在低壓配電系統中對電弧故障進行防護是非常重要的。

1 電弧形成的原理

電弧是一種游離氣體在兩電極之間產生持久而強烈的放電現象，由于溫度和導電率都較高，會延長斷開電路的時間，對觸頭還會產生一定破壞。用開關電器把電流斷開，當電流不小于80～100mA、當電壓不低于10～20V時電器的觸頭間就會產生電弧，其形成原理如下。

當電場強度超過3×106V/m時，由于開關觸頭間距離較小，陰極表面的電子能在電場強度作用下被拉進接觸空間形成自由電子，完成強電場發射；當電子的移動速度和動能足夠大時，陽極表面發出的觸點之間的自由電子和原始電子會一起向陽極做加速運動，在不斷與中性質點相撞的同時會從質子當中出現電子被撞擊形成正離子和新的自由電子的碰撞；觸頭間此時會具有很大的電導，介質在拉伸應力時破裂以產生電弧，弧隙間的能量形成熱電場發射，進而出現熱游離現象；隨著觸頭分開的時間和距離不斷增加，電場強度也在逐漸減小，電弧的燃燒依靠著熱游離繼續維持，這時電場中的間隙容易被電子擊穿，從而形成新的電弧。

2 低壓配電系統中的故障電弧

2.1 故障電弧的種類

故障電弧一般在兩種情況下會發生，一種是由于兩個電極距離過近，導電體與接地部位易發生碰撞、或導體的絕緣部分由尖銳的金屬本體劃破而形成電弧，另一種是電弧在絕緣體部分的導體表面產生，絕緣體持續受熱或間歇性產生電火花，使得絕緣體表面炭化而形成電弧通道。低壓電源和配電線路主要有兩種電弧故障：串聯和線對線。其中串聯故障一般是因在一束導體中有一根在導體接頭處沒有插緊或發生了斷裂，由于電弧故障產生的電流很可能低于線路額定電流，通常使用過流保護斷路器難以檢測到該故障；而線對線故障往往是因一束導體中有兩根導體絕緣表損傷碰撞而導致短路現象，其電弧電流受電路阻抗的影響[1]。

2.2 故障電弧的產生原因

造成故障電弧產生的原因有很多，首先有可能是絕緣故障導致的，開關柜中絕緣材料沒有足夠的爬距，沒有辦法持續、穩定地滿足絕緣要求，在一些潮濕、臟污地環境發生絕緣故障進而出現故障電??；還有可能是低壓配電系統本身的原因，如系統容量和接地方式的改變、自控及保護裝置配置不合理、系統諧振過電壓和電纜應用損耗等產生的故障；故障電弧也可能是由于載流回路不良引起的，如緊固螺栓松動、觸頭接觸不良、接頭截面不夠導致電流傳輸時過熱起火，進而引起相間、相對地擊穿等；還有一部分原因在于人為的操作失誤，如工作人員忘記對相關區域進行驗電和接地等。

2.3 電弧故障的防護標準

對于電弧故障的防護一般分為人身防護、設備電弧故障防護及設備功能防護三種，每種防護都有其相應的標準。首先人身防護是最為基礎和重要的，這方面的防護主要是保護人員免受故障電弧的高壓、高溫氣體可能造成的傷害，對于開關設備的防護不是十分嚴格，將實驗條件設為ICW=65kA、Ui=440V、Tp=100ms，將門、蓋板固定好，檢查好危險零部件看是否會脫落、指示器是否會點燃、電弧燃燒或其他效應是否對設備的外殼表面造成孔洞、外殼的等點位連接是否仍然有效等，要確保電弧效應限制在開關柜的范圍內且不會發生擴散。

設備電弧故障防護的標準是在做好人身防護的前提下，將故障限制在電弧發生范圍或開關柜內部，允許內部裝置元器件損壞，防護試驗參數設置中電流和電壓與人身防護參數相同，而Tp 改為300ms；最后一級的設備功能防護是電弧故障防護的最高級別，試驗參數設置為ICW=50kA、Ui=725V、Tp=300ms，不僅要滿足人身安全防護的要求，還要保證開關設備內部無損壞和無需替換零部件等，在排除故障后設備可很快進入到運行狀態[2]。

2.4 低壓故障電弧的檢測方法

要想在低壓配電系統中做好電弧故障的防護措施，首先要進行電弧檢測，判斷是否存在故障電弧及故障電弧的大致出現位置。目前電弧的檢測方法大致分為建立模型、測量參數以及根據波形變化來檢測電弧等。

首先是通過建立電弧數學模型來檢測電弧，利用低能量直流電弧設計安全電路的數學模型，通過設計研究建立靜態、動態伏安法特性模型與線性電流阻尼模型，但目前該種檢測方法因條件限制尚停留在仿真階段，進展緩慢；還可以根據參數的變化來判斷電弧故障，電弧的產生會伴隨著輻射、溫度和聲、光等物理參數的變化，當配電柜中產生電弧時會使這些物理現象更加明顯，出現噪聲、強光和高溫、高壓等狀況，可以較為容易的判斷電弧是否出現故障；最后就是根據電壓、電流波形的變化進行電弧故障的檢測，由于這種方法具有檢測范圍廣和較容易實現等優點，是目前應用最為廣泛的檢測方法。

3 低壓配電系統故障中的電弧防護措施

3.1 基本防護措施

低壓配電系統中的故障電弧基本防護措施分為積極措施和消極措施兩種。首先是積極措施，這種防護辦法主要是防抑制電弧的產生，從根源上降低故障發生的概率。從結構方面來考慮，工作人員可將帶電件進行全部絕緣或部分絕緣，在結構設計中防止弧根的形成，還可以通過設立隔板和隔離壁、選用耐弧絕緣材料、保持充足的導體間距和爬電距離等方式進行結構上的積極防護；在元件的選擇上要盡量使用能量損耗較小的電氣設備，并采取過電壓的方式進行防護；還要在工作過程中做好科學的運行管理，要對設備進行定期維護，對接觸和連接部位做好檢查，還要注意按時清洗和檢驗絕緣件，防止誤操作情況，盡量減少設備故障的可能性。

另一方面，負面措施主要是為了限制電弧的負面影響，主要分為空間限制和電弧能量限制兩種，通過選用耐壓和耐熱的材料或加強設備這兩方面的設計、用短路裝置故障電弧保護電弧壽命限制電流限制器限制電弧能量等等，借助這種手段降低電氣失火的可能性，減少故障電弧帶來的危害[3]。

3.2 金屬管布線預控方法

低壓配電系統相關人員可利用施工過程控制電弧故障，有效控制可控范圍內的電弧故障，從而避免配電線路故障電弧及周邊設備可燃材料造成的損壞。在低壓配電系統中，當有常規的保護裝置時可以采用金屬管布線方式，保證其與保護接地導體進行有效連接，從而形成剩余電流、短路電流等有利保護條件能夠實現良好的電源保護。

金屬管機械強度較高，有較好的阻燃性和導電、導熱性，受外界因素影響較小，降低了絕緣受損的可能性，還能對導線起到一定的散熱作用，能夠阻止過電壓對絕緣的破壞，具有較高的安全性。當金屬管內的導線出現電弧故障時，燃燒現象也會被嚴格限制在金屬管內部。當出現金屬性短路的時候可以采用熔斷器或斷路器進行保護，當金屬管壁與帶電導體接觸形成接地故障時，剩余電流裝置也可以實現斷電保護，從而有效預控在系統中出現的電弧故障。

3.3 “Arcon”故障電弧防護裝置

該故障防護裝置由傳感設備、滅弧裝置和計值單元組成，它可以限制誤差光弧對弧根位置的負面影響。當出現故障光弧時，傳感器首先檢測發射的電弧電流和光源，并在主控制器內進行計值，再由主控制將電弧刪除命令傳輸到電弧刪除裝置，最終形成與故障部位平行的三相金屬彎曲接頭。該三項短路被斷路器開斷，母線的電壓下降之后就會導致電弧燃燒所需的電壓下降，讓電弧在點燃后2ms之內就會熄滅，減少了電弧故障的破壞。

Arcon故障電弧防護裝置中還有電弧檢測功能，基于光纖的光傳感器可以有效的監控主站、支母線以及各母線連接的系統，測量變換器在傳感器斷路器前檢測電弧電流，并在產生誤差層弧時處理其發出的光和電弧電流，斷路器開斷電弧，而整個裝置的總開端時間取決于斷路器的動作時間，一般在30～70ms之間。采用Arcon故障電弧防護裝置可以讓電弧在產生的初始階段就被熄滅，盡可能快地減少了故障損失，保護了工作人員的人身安全，維持設備穩定運行。

3.4 電弧故障斷路器AFCI

傳統的斷路器只能防止電流和短路現象，而AFCI電弧故障斷路器是一種新型的電路保護裝置，基于傳統斷路器的額外抗干擾性，具有能夠檢測和識別設備啟動、停止或切換時產生的電弧是普通電弧還是故障電弧，并能在故障電弧發生時及時切斷電源，能夠有效地防止故障電弧引起的火災。根據UL1699標準，交流電源和di/dt的大小由電流互感器采集，隨后進行處理，然后輸入到模擬數字轉換處理的單片機中。單片機對采樣值進行了分析，在交流電路上當AFCI在0.5秒內察覺到8個半周的故障電弧，斷路器就會立刻執行脫口，切斷交流線路。

而作為一個全功能的智能斷路器，AFCI具備準確的電弧檢測、快速分析電弧特性和負載電弧特征曲線儲備豐富等便捷功能，通過增加一個電流互感器，傳統的短路、過流和漏電保護在AFCI電弧故障斷路器中也可以很方便的被集成，進一步加強了對電路的保護作用[4]。

3.5 故障電弧保護系統

目前較為成熟的故障電弧保護系統有ABB故障電弧保護系統和ARCON故障電弧保護系統兩種。其中ABB電弧保護系統由電流檢測單元、執行器、電流互感器電弧監控器和斷路器組成，工作人員可以利用低壓配電裝置中的探測器捕獲電弧故障產生的電弧光譜，并將其特定頻譜傳輸到電弧監控器，對短路電流信號和電弧故障信號進行快速評估和處理，以便向斷路器發送觸發信號，使上游斷路器脫離故障層弧，從而在低壓配電系統中起到一定的保護作用。

ARCON故障電弧保護系統是由光傳感器、控制單元、電弧抑制裝置和閾值控制器形成了一種特殊的斷層弧譜，徑向穿透光纖導體的表面，將光信號傳輸到控制單元，再由控制單元進行數據分析和處理，不僅能夠實現故障電弧的檢測工作，還能精準判斷電弧故障的具體位置。當發生電弧故障時，ARCON故障電弧保護系統首先將電網與故障電弧隔離，然后使用電弧裝置快速關閉故障電弧電壓，比傳統系統的短路電流分斷時間要快上7～10倍，能夠很好地滿足低壓設備的功能保護要求。

3.6 注重整體規劃，加強人員管理

除了利用專業設備和相關保護系統對低壓配電系統進行電弧故障的防護之外，還可以通過注重低壓配電系統的整體規劃和加強人員管理來進行有效防護。在進行系統的全面規劃時，基站供電單元應充分考慮到各種影響線路的因素的可能性，結合區域內電網負荷的實際增長，對整個配電系統的結構進行適當調整和優化。

為了避免出現斷電情況，工作人員在布置電網線路時要注意從點云中心向四周進行輻射，從而有效減少操作中斷，相關人員還可以在每條分支配電線路上配置電容器以提高性能，在一定程度上降低了電能損耗，從而減少輸電線過程中出現的電弧故障，低壓配電線路的工作人員應加強線路的運行和負荷情況的定期檢查，對于存在的絕緣老化及其他問題情況要進行及時更換處理和維修，為了提高管理效果，要對管理人員的巡檢行為進行嚴格規范，讓他們形成嚴謹細致的工作態度并強化自身的專業技能，盡量避免違規操作或操作不當的情況，充分減少相間短路現象，降低人為因素造成電弧故障的可能性。

綜上，本文根據故障電弧在低壓配電系統中的產生原因和現象，從基本防護、金屬管布線預控、電弧故障斷路器AFCI、電磁特性的電弧檢測裝置、故障電弧保護系統幾個方面具體闡述了電弧防護的措施，望對安全配電工作有一定幫助。