電弧光的危害與成因有哪些？我們?cè)撊绾晤A(yù)防？

安科瑞劉鴻鵬

摘要  

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜度的提高，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)方式難以滿(mǎn)足快速故障檢測(cè)和定位的要求?；」獗Ｗo(hù)裝置（如ARB5系列）通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)弧光信號(hào)和電流變化，為配電系統(tǒng)提供了可靠的故障保護(hù)方案。本文介紹了ARB5弧光保護(hù)裝置的主要功能、技術(shù)特點(diǎn)和典型應(yīng)用場(chǎng)景，探討了其在現(xiàn)代配電系統(tǒng)中提高安全性和可靠性的作用。

1. 引言  

電弧故障是中低壓配電系統(tǒng)中常見(jiàn)且危害嚴(yán)重的故障類(lèi)型，易引發(fā)設(shè)備損壞和火災(zāi)事故。傳統(tǒng)的保護(hù)方式由于響應(yīng)速度較慢、定位能力不足，難以及時(shí)防止弧光故障的擴(kuò)展?；」獗Ｗo(hù)裝置通過(guò)檢測(cè)電弧光信號(hào)并結(jié)合電流信息，可以快速識(shí)別故障，及時(shí)切斷故障點(diǎn)，提高系統(tǒng)安全性。

2.弧光產(chǎn)生的原因

電弧光的產(chǎn)生原因主要與電氣系統(tǒng)中電壓升高、絕緣損壞、導(dǎo)電路徑異常等因素有關(guān)，具體包括以下幾類(lèi)：

2.1絕緣失效  

老化：設(shè)備的絕緣材料在使用后可能出現(xiàn)老化、裂紋或性能下降，導(dǎo)致電弧產(chǎn)生。  

環(huán)境影響：潮濕、高溫或污染環(huán)境可能降低絕緣性能，增加局部放電的風(fēng)險(xiǎn)，從而引發(fā)電弧。  

2.2短路故障 

導(dǎo)線(xiàn)接觸：相線(xiàn)之間或相線(xiàn)與地線(xiàn)意外接觸可能形成短路，電流瞬間增大，導(dǎo)致電弧產(chǎn)生。 

設(shè)備損壞：斷路器、母線(xiàn)、開(kāi)關(guān)等設(shè)備內(nèi)部短路也可能形成電弧。  

2.3過(guò)電壓現(xiàn)象 

雷擊過(guò)電壓：雷電感應(yīng)可能導(dǎo)致電壓瞬間升高，超過(guò)絕緣耐受能力，引發(fā)電弧。  

操作過(guò)電壓：電力系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)操作或負(fù)荷突變可能引起暫態(tài)過(guò)電壓，導(dǎo)致弧光放電。

2.4接觸不良

松動(dòng)的接頭：導(dǎo)線(xiàn)或接頭未連接牢固可能導(dǎo)致電流不穩(wěn)定，產(chǎn)生局部過(guò)熱并引發(fā)電弧。  

腐蝕或氧化：導(dǎo)電部件表面的腐蝕或氧化層增加了接觸電阻，易產(chǎn)生高溫和電弧。

2.5過(guò)載運(yùn)行

電氣設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間超額定負(fù)載運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體過(guò)熱，絕緣材料劣化，最終引發(fā)電弧。

2.6開(kāi)關(guān)設(shè)備操作  

在斷路器或開(kāi)關(guān)操作過(guò)程中，接觸點(diǎn)分離時(shí)電流可能產(chǎn)生電弧，尤其是在高壓設(shè)備中。  

2.7電力設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷或安裝不當(dāng)  

設(shè)備間距不足、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，可能增加局部電場(chǎng)強(qiáng)度，導(dǎo)致電弧放電。  

設(shè)備安裝過(guò)程中的誤接線(xiàn)或固定不牢固也會(huì)成為電弧的誘因。

2.8環(huán)境條件惡劣

濕度過(guò)高：潮濕環(huán)境容易形成導(dǎo)電路徑，引發(fā)電弧。  

污染：工業(yè)環(huán)境中的粉塵、鹽霧或酸性氣體會(huì)加速絕緣表面污穢，導(dǎo)致閃絡(luò)現(xiàn)象。  

2.9人為誤操作  

維護(hù)不當(dāng)：帶電設(shè)備的誤操作或維護(hù)工具接觸帶電部件可能直接引發(fā)電弧。  

錯(cuò)誤接地：錯(cuò)誤或不規(guī)范的接地操作可能導(dǎo)致電弧故障。   

電弧光的產(chǎn)生原因主要涉及絕緣問(wèn)題、短路故障、環(huán)境條件以及人為因素等。為了有效減少電弧的發(fā)生，需通過(guò)規(guī)范設(shè)備設(shè)計(jì)、加強(qiáng)維護(hù)管理以及安裝弧光保護(hù)裝置（如ARB5弧光保護(hù)系統(tǒng)）來(lái)防控風(fēng)險(xiǎn)。

3.電弧光的危害

電弧光的危害主要包括以下幾個(gè)方面：

3.1高溫?fù)p害 

極高溫度：電弧光產(chǎn)生的溫度可高達(dá)20,000℃，足以熔化金屬和絕緣材料，導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞甚至報(bào)廢。  

火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)：高溫可能引燃周?chē)慕^緣材料、電纜或其他可燃物，從而引發(fā)火災(zāi)事故。  

3.2沖擊波危害 

高壓氣浪：電弧釋放的高能量會(huì)迅速膨脹空氣，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，可能導(dǎo)致設(shè)備機(jī)械部件變形或破裂。  

人員傷害：沖擊波可能對(duì)周?chē)藛T造成物理沖擊，導(dǎo)致骨折或內(nèi)臟損傷。

3.3強(qiáng)光輻射危害  

熱輻射：電弧光輻射的熱量能灼傷皮膚，并對(duì)附近材料產(chǎn)生熱破壞。  

紫外線(xiàn)與紅外線(xiàn)傷害：強(qiáng)烈的紫外線(xiàn)輻射可導(dǎo)致皮膚灼傷，紅外線(xiàn)會(huì)引起皮膚和眼睛的熱損傷。  

3.4電磁輻射危害 

電弧光會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射，對(duì)周?chē)舾性O(shè)備（如通信設(shè)備和控制系統(tǒng)）造成干擾，甚至引發(fā)誤操作或故障。

3.5聲波沖擊

高分貝噪聲：電弧放電伴隨強(qiáng)烈的噪聲，可能達(dá)到140分貝以上，暴露可能對(duì)聽(tīng)力造成不可逆的損傷。

3.6電力系統(tǒng)故障擴(kuò)展

連鎖反應(yīng)：電弧故障可能導(dǎo)致系統(tǒng)短路，觸發(fā)大范圍停電，甚至引發(fā)區(qū)域性電網(wǎng)崩潰。  

設(shè)備損壞：電弧可能擴(kuò)展至其他設(shè)備，如斷路器、母線(xiàn)和變壓器，導(dǎo)致二次故障和經(jīng)濟(jì)損失。

3.7人員生命安全威脅  

燒傷與爆炸傷害：直接暴露于電弧下的人員可能遭受?chē)?yán)重?zé)齻虮_擊。  

視力損傷：裸眼接觸電弧光會(huì)導(dǎo)致光化學(xué)性眼灼傷，嚴(yán)重者可能失明。  

電弧光的危害涉及高溫、強(qiáng)光、沖擊波、有毒物質(zhì)等多方面，不僅對(duì)設(shè)備有破壞性，對(duì)人員也存在致命風(fēng)險(xiǎn)。因此，及時(shí)有效的電弧保護(hù)技術(shù)（如ARB5弧光保護(hù)裝置）對(duì)于電力系統(tǒng)安全至關(guān)重要。

4. ARB5弧光保護(hù)裝置 

4.1型號(hào)說(shuō)明

ARB5系列弧光保護(hù)解決方案，其主要器件有ARB5-M主控單元、ARB5-E擴(kuò)展單元、ARB5-S弧光探頭、塑料光纖和尾纖。

4.2裝置組成  

ARB5弧光保護(hù)系統(tǒng)由以下組件構(gòu)成：  

ARB5-M主控單元：負(fù)責(zé)弧光信號(hào)的處理與動(dòng)作控制。  

ARB5-E擴(kuò)展單元：可擴(kuò)展弧光信號(hào)采集通道數(shù)量。  

ARB5-S弧光探頭：用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)弧光信號(hào)。  

連接光纖：用于主控單元、擴(kuò)展單元及探頭間的信號(hào)傳輸。  

4.3主要功能  

弧光保護(hù)：快速檢測(cè)弧光故障，支持多達(dá)8組弧光保護(hù)單元。  

失靈保護(hù)：當(dāng)保護(hù)裝置未能成功切除故障時(shí)，啟用后備保護(hù)。  

斷鏈監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)控弧光探頭與采集裝置間的連接狀況，避免誤報(bào)。  

故障錄波：采用COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)格式保存故障前后的電氣參數(shù)，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)支持。  

數(shù)字化變電站接口：符合IEC61850通信規(guī)范（標(biāo)配），支持SV輸出（選配）、GOOSE輸入輸出（選配），支持傳統(tǒng)互感器、模擬量小信號(hào)或電子式互感器接入。

通訊功能：采用ARM9獨(dú)立微處理器進(jìn)行通訊管理，可提供2路RS485（標(biāo)配1路）、2路以太網(wǎng)通訊接口、1路打印接口和1路IRIG-B碼對(duì)時(shí)接口；通訊協(xié)議支持IEC61850、Modbus RTU、Modbus TCP、IEC103。各功能單元與主控計(jì)算機(jī)（或通信管理機(jī)）進(jìn)行通訊，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、保護(hù)定值設(shè)定及查詢(xún)、裝置工作狀態(tài)、SOE事件記錄、錄波數(shù)據(jù)等傳輸功能。

4.4技術(shù)特點(diǎn)  

高響應(yīng)速度：弧光單判據(jù)響應(yīng)時(shí)間小于7ms，弧光電流雙判據(jù)響應(yīng)時(shí)間小于20ms。  

靈活配置：支持多種保護(hù)判據(jù)（僅弧光、弧光與電流結(jié)合）。  

多通道支持：每個(gè)主控單元最多支持120個(gè)弧光探頭，適應(yīng)復(fù)雜配電環(huán)境。  

通信能力強(qiáng)：支持IEC61850、Modbus和DL/T 103等多種通信協(xié)議。  

擴(kuò)展功能：：同一插槽位置可配置不同功能板件，很方便實(shí)現(xiàn)開(kāi)入、開(kāi)出等通道的擴(kuò)展。

自檢功能：具備軟、硬件實(shí)時(shí)自檢、硬件配置自動(dòng)識(shí)別與報(bào)警功能。

可編程邏輯功能：各保護(hù)功能、繼電器、開(kāi)入量具有邏輯組態(tài)功能，用戶(hù)可以現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)需要來(lái)進(jìn)行設(shè)定：保護(hù)動(dòng)作出口和信號(hào)輸出可自由整定、開(kāi)入量可通過(guò)設(shè)定實(shí)現(xiàn)非電量保護(hù)功能和閉鎖保護(hù)功能。

友好人機(jī)界面：大屏幕圖形液晶顯示，動(dòng)態(tài)顯示實(shí)時(shí)波形圖、故障錄波圖、各種電氣參數(shù)及保護(hù)信息。中文菜單提示，操作快捷方便。

SOE事件記錄：在線(xiàn)記錄事件量達(dá)1024條，先入先出（FIFO）動(dòng)態(tài)刷新，帶有時(shí)間標(biāo)記，掉電不丟失。

故障錄波功能：采用COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)錄波格式，可記錄20個(gè)錄波報(bào)告，可將故障前、故障中、故障后的電流、電壓、斷路器狀態(tài)和保護(hù)信息完整真實(shí)記錄下來(lái)，為用戶(hù)進(jìn)行故障分析提供依據(jù)。

故障自動(dòng)推畫(huà)面功能：當(dāng)保護(hù)動(dòng)作或者有告警信息時(shí)，裝置自動(dòng)彈出畫(huà)面，提示用戶(hù)動(dòng)作或者告警的保護(hù)。

調(diào)試接口：裝置具有專(zhuān)門(mén)的以太網(wǎng)調(diào)試接口，通過(guò)專(zhuān)用配置軟件，可以就地和遠(yuǎn)方實(shí)現(xiàn)程序升級(jí)、定值設(shè)定、故障分析，提高了用戶(hù)的使用和維護(hù)方便性，提高了工作效率。

電磁兼容：裝置強(qiáng)弱電嚴(yán)格分開(kāi)，采取硬件、軟件抗干擾措施，裝置的抗干擾能力大大提高，對(duì)外電磁輻射滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

全封閉機(jī)箱：采用全封閉半層4U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，機(jī)箱深度較小，既適合集中組屏安裝，也可開(kāi)關(guān)柜分散安裝；獨(dú)特機(jī)箱設(shè)計(jì)方便拼接。

4.5技術(shù)參數(shù)

4.6設(shè)備規(guī)格

5. 應(yīng)用場(chǎng)景  

5.1 中低壓母線(xiàn)保護(hù)  

ARB5弧光保護(hù)裝置可廣泛應(yīng)用于10kV及以下配電系統(tǒng)的母線(xiàn)保護(hù)。通過(guò)在母線(xiàn)室和斷路器室布置弧光探頭，可以實(shí)現(xiàn)的故障覆蓋，快速定位電弧源頭，減少設(shè)備損壞。

5.2 工業(yè)及商業(yè)配電系統(tǒng)  

在工業(yè)和商業(yè)場(chǎng)景中，配電系統(tǒng)復(fù)雜且用電設(shè)備多樣化，ARB5裝置的多通道監(jiān)測(cè)能力可滿(mǎn)足分布式保護(hù)需求，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

5.3 特殊環(huán)境應(yīng)用  

對(duì)于空間受限或環(huán)境苛刻的配電場(chǎng)景，ARB5裝置的小型化設(shè)計(jì)和高抗擾性能使其能夠穩(wěn)定運(yùn)行，并支持遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)試。

6. 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)  

6.1 快速故障響應(yīng)  

相比傳統(tǒng)保護(hù)裝置，ARB5的弧光保護(hù)功能響應(yīng)速度更快，可以在故障發(fā)生后20ms內(nèi)切除電弧，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

6.2 定位與多點(diǎn)監(jiān)控  

ARB5支持120路弧光探頭接入，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，快速確定故障位置，為運(yùn)維提供便利。

6.3 綜合保護(hù)功能  

集成弧光保護(hù)、失靈保護(hù)、非電量保護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)了故障防護(hù)，減少單點(diǎn)保護(hù)的局限性。

6.4 數(shù)據(jù)記錄  

SOE事件記錄功能可記錄多達(dá)1024條故障信息，結(jié)合故障錄波功能為事故分析和決策優(yōu)化提供支持。

展望與結(jié)論  

ARB5弧光保護(hù)裝置通過(guò)弧光檢測(cè)與快速響應(yīng)，為現(xiàn)代配電系統(tǒng)提供了可靠的安全保障。未來(lái)，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，弧光保護(hù)裝置將進(jìn)一步集成AI分析功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜故障的預(yù)測(cè)和主動(dòng)防御，為配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供更有力的支持