預(yù)見式變電站內(nèi)部電弧故障分析

預(yù)見式變電站內(nèi)部電弧故障分析

預(yù)制電源的運(yùn)行安全體現(xiàn)在兩個(gè)方面。其中之一是避免誤差，即防止人、貨物從外部進(jìn)入，這可以通過內(nèi)部鎖閉器和預(yù)制裝置本身的通風(fēng)裝置來實(shí)現(xiàn)。另一項(xiàng)重要的是內(nèi)部圓弧故障的有效保護(hù)。雖然預(yù)裝式變電站中的內(nèi)部電弧故障很少發(fā)生,但一旦發(fā)生,危害極大,因而必須采取有效措施,提高預(yù)裝變的可靠性,確保人員安全。筆者對(duì)預(yù)裝式變電站中的內(nèi)部電弧故障進(jìn)行了描述,提出了幾種措施,以降低內(nèi)部電弧故障引起的壓力。2內(nèi)部電弧故障試驗(yàn)預(yù)裝式變電站一般包括中壓室、變壓器室和低壓室,它們相互隔離。圖1為一種預(yù)裝式變電站結(jié)構(gòu)示意圖。變壓器室?guī)в型L(fēng)裝置,但必須能防止蚊蟲進(jìn)入。中壓室裝有體積較小的SF6氣體絕緣或空氣絕緣中壓開關(guān)柜(或環(huán)網(wǎng)柜)。由于大部分箱變離終端用戶很近,所以中壓開關(guān)柜的額定電流較小(≤630A),一般采用負(fù)荷開關(guān)柜,用限流高壓熔斷器保護(hù)變壓器。按照IEC61330和GB/T17467標(biāo)準(zhǔn),對(duì)裝有SF6開關(guān)柜(帶限流高壓熔斷器)的預(yù)裝式變電站,一般要做兩個(gè)內(nèi)部電弧試驗(yàn)(內(nèi)部電弧故障試驗(yàn)為協(xié)商試驗(yàn)項(xiàng)目;用限流熔斷器保護(hù)的那部分回路,不需要進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)):(1)在SF6氣室內(nèi)引燃三相電弧,模擬負(fù)荷開關(guān)受到過應(yīng)力或絕緣故障,試驗(yàn)電流值可以等于或小于額定短時(shí)耐受電流,對(duì)裝有壓力釋放裝置的開關(guān)柜,電弧持續(xù)時(shí)間通常為0.1s;(2)在電纜室引燃兩相電弧,模擬電纜頭絕緣失效,假設(shè)這一故障是單相接地故障損壞相鄰的電纜頭而造成的。當(dāng)中壓開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部電弧故障后,電弧立即在小室內(nèi)產(chǎn)生高壓,并產(chǎn)生灼熱氣體,同時(shí)電弧的高溫將使銅排、觸頭材料、絕緣材料等熔化、蒸發(fā)。當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí),壓力釋放裝置打開,灼熱氣體和一部分熔化、蒸發(fā)的材料一起噴出,小室內(nèi)壓力下降。這種灼熱的混合物會(huì)導(dǎo)致人員和設(shè)備的燒傷。因此,將灼熱的電弧氣體引至無危險(xiǎn)的空間或使用降壓、冷卻的裝置是非常必要的,這樣才能確保環(huán)境的安全?？諝饨^緣小室中的壓力,其上升速率和峰值均大于SF6氣體小室。這是因?yàn)樾∈覂?nèi)壓力上升取決于內(nèi)部電弧故障所產(chǎn)生的能量,而電弧能量取決于故障電弧形成的電弧電壓。電弧電壓則由電弧根部的材料蒸發(fā)量(如蒸發(fā)的絕緣材料可使電弧電壓增加)和故障期間的電弧長(zhǎng)度所決定的。在SF6氣室內(nèi)隔離距離很短,從而電弧長(zhǎng)度很短。在壓力釋放裝置打開后,空氣絕緣小室中的壓力下降速度也快于SF6氣體小室。前者約為0.3s,后者約0.6s。這是因?yàn)樾∈液椭車h(huán)境間的壓力差越大,聲速就越高,圖2比較了空氣絕緣小室和SF6氣室中內(nèi)部電弧故障發(fā)生的過程。3降低預(yù)壓站壓力的措施3.1壓力載荷預(yù)裝變殼體所受到的壓力應(yīng)力與中壓開關(guān)柜密切相關(guān)。與空氣絕緣開關(guān)柜相比,裝有SF6絕緣開關(guān)柜的預(yù)裝式變電站殼體因內(nèi)部電弧故障而受到的壓力應(yīng)力較低,其主要原因是發(fā)生內(nèi)部故障時(shí),SF6絕緣開關(guān)柜產(chǎn)生的壓力峰值低于空氣絕緣開關(guān)柜。3.1.1內(nèi)部電弧故障的消除方法SF6開關(guān)柜有很多優(yōu)勢(shì),由于全密封全絕緣,所以不受凝露、嚴(yán)重污穢、惡劣的氣候條件等影響。和正常的空氣絕緣開關(guān)柜相比,它體積小(可節(jié)省約50%的空間),發(fā)生內(nèi)部電弧故障的可能性大大降低。盡管內(nèi)部電弧故障很少發(fā)生,但不能完全避免,因?yàn)殚_關(guān)裝置會(huì)逐漸老化,也會(huì)受到過應(yīng)力。SF6負(fù)荷開關(guān)柜一般采取下列措施來限制內(nèi)部電弧故障的沖擊:(1)SF6氣室為加強(qiáng)型鋼制容器,帶有壓力釋放裝置(防爆片),當(dāng)壓力達(dá)到約2～3bar(表壓)時(shí),防爆片裂開,將灼熱氣流引至下面或后面。防爆片一般為圓形,因?yàn)槔碚撋?圓形出口給出最佳的壓力釋放面積。但釋放口的大小和強(qiáng)度必須適當(dāng),以保證在發(fā)生內(nèi)部電弧故障時(shí)氣室不會(huì)爆炸,而且要限制灼熱氣體的噴出。有的SF6負(fù)荷開關(guān)柜還通過安裝限弧裝置更有效地抑制內(nèi)部電弧故障的發(fā)生,其原理是:在氣室壁上裝有壓力傳感器,一旦發(fā)生電弧故障而引起壓力上升,傳感器便發(fā)出信號(hào),快速接地開關(guān)在幾ms內(nèi)動(dòng)作而熄弧,從而抑制內(nèi)部電弧的產(chǎn)生,柜體保持關(guān)閉,無灼熱氣體排出。(2)耐壓力和耐電弧的電纜室。通常SF6開關(guān)柜通過全固態(tài)絕緣的電纜頭與電網(wǎng)系統(tǒng)連接,相間距離也很小,因而在發(fā)生內(nèi)部電弧故障時(shí),電纜頭處的電弧長(zhǎng)度也很短。采用加強(qiáng)型鋼板護(hù)蓋,在金屬板的內(nèi)層再覆一層耐電弧的絕緣板。3.1.2故障排除和預(yù)防與SF6開關(guān)柜相比,空氣絕緣開關(guān)柜體積大,易受環(huán)境影響。因此在設(shè)計(jì)和選擇此類開關(guān)柜時(shí)采取下列措施,可降低發(fā)生內(nèi)部電弧故障的可能性:(1)盡可能將導(dǎo)體全部絕緣或覆蓋,特別是母線系統(tǒng)和負(fù)荷開關(guān)小室,常常由于污染而引起故障;(2)仔細(xì)選擇絕緣材料,以保證其適合開關(guān)裝置安裝場(chǎng)合的環(huán)境,以防止由于結(jié)露和污染所引起的絕緣老化而產(chǎn)生故障;(3)確保所有主回路和接地回路組件的質(zhì)量,使開關(guān)設(shè)備發(fā)生災(zāi)難性故障的危險(xiǎn)性減至最小;(4)加強(qiáng)外殼設(shè)計(jì)以保證足以承受壓力上升;(5)釋放裝置應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度,動(dòng)作可靠,不會(huì)受到意外損壞或變形;(6)為了防止在故障期間機(jī)殼被燒穿,有必要時(shí)采用雙倍厚度的材料;(7)所有帶電部件的隔室采用高度完整的密封,以避免在故障期間灼熱氣體的擴(kuò)散;(8)固定門、電壓互感器、負(fù)荷開關(guān)等可移動(dòng)的部件,以保證在故障期間不發(fā)生移動(dòng)。此外,在設(shè)計(jì)空氣絕緣開關(guān)柜時(shí),應(yīng)使壓力釋放通道的開口向下或使用擋板,將灼熱氣體引至下方。3.2變壓器室低壓室為了確保預(yù)裝式變電站不受內(nèi)部電弧故障損壞,設(shè)計(jì)壓力釋放裝置以及放置在不同隔室之間的降壓和冷卻裝置是非常有用的,從而可逐步降低壓力。最大的實(shí)際壓力可能是:SF6氣室4bar;電纜室0.4bar;變壓器室0.04bar。中壓室體積比變壓器室小的多,因此必須將灼熱氣體引至變壓器室。在中壓室和變壓器室之間裝設(shè)降壓和冷卻裝置。當(dāng)發(fā)生內(nèi)部電弧故障后,灼熱氣體經(jīng)引導(dǎo)通過這一裝置,進(jìn)入變壓器室,和冷空氣混合、通過箱變的墻壁進(jìn)一步冷卻,壓力將進(jìn)一步降低,被冷卻的電弧氣體通過通風(fēng)裝置逸出。對(duì)于走廊式箱變,可在中壓室和電纜槽(體積不小于3m3)之間裝設(shè)降壓裝置。3.3彈簧螺栓安裝變頂板為了進(jìn)一步降低內(nèi)部電弧故障對(duì)預(yù)裝變殼體產(chǎn)生的壓力,可用彈簧螺栓固定預(yù)裝變的頂板,見圖3。當(dāng)預(yù)裝變內(nèi)的壓力達(dá)到一定值時(shí),頂板向上抬起,然后在其自重和彈簧的彈力作用下恢復(fù)正常。4壓力釋放口的選擇越來越多的箱變中開關(guān)柜己到壽命末期,必須更換。這時(shí)所需解決的問題是:舊箱變殼體的壓力耐受能力往往有限,因而必須使其受到的壓力應(yīng)力盡可能小。因此有必要對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),通過灼熱氣體引導(dǎo)通道使箱變殼體受到的壓力降低到允許的范圍內(nèi)。使用特殊設(shè)計(jì)的降壓和冷卻裝置可使殼體壁所受的壓力應(yīng)力顯著降低。用此方法和新型開關(guān)柜來更新舊箱變,其安全性能可達(dá)到現(xiàn)代預(yù)裝式變電站的水平。新型SF6絕緣開關(guān)柜具有使灼熱氣體經(jīng)過降壓、冷卻后再將其吹出的優(yōu)點(diǎn),方法是在中壓室內(nèi)使用增強(qiáng)型降壓冷卻裝置,并在SF6絕緣開關(guān)柜后面附加一個(gè)吹氣槽,見圖4。設(shè)計(jì)吸收器時(shí)應(yīng)保證SF6氣室和電纜室的壓力不高于開關(guān)柜蓋板的承受壓力。吸收器也是由不同的金屬網(wǎng)板組成。網(wǎng)孔的形狀、數(shù)量和截面可從內(nèi)部電弧試驗(yàn)得出。吸收器的空氣動(dòng)力阻力使壓力降低。灼熱氣流通過網(wǎng)孔沿金屬板流出而得以冷卻,這使裝有SF6絕緣開關(guān)柜的中壓室的壓力進(jìn)一步降低。此外,中壓室具有一個(gè)合適的壓力釋放口也是非常重要的。如果電弧氣體被引至變壓器室,用于變壓器冷卻的通風(fēng)板則可起到壓力釋放的作用。如果開關(guān)柜裝在獨(dú)立的室內(nèi),必須考慮壓力釋放。5裝配式變電站殼體壓力應(yīng)力分析內(nèi)部電弧故障雖然很少發(fā)生,但危害極大。因此必須采取有效措施,確保人員和環(huán)境的安全。和空氣絕緣開關(guān)柜相