电弧短路的故障分析计算及对策

第一章 绪论

短路故障有金属性短路和电弧短路。由于电弧具有电阻的特性，因此电弧短路电流比金属性短路电流小。在低压系统中，电弧电压占电源电压的百分值较大，电弧短路电流可能比金属性短路电流小很多。因此按金属性短路电流整定的继电保护装置在发生电弧短路时可能不动作，而无法切除电弧短路故障。电弧电压的大小与很多因素有关。要确保继电保护装置在电弧短路时可靠动作，需要计算最大电弧电压时的最小短路电流，并按这个短路电流整定继电保护。

引起电弧短路的原因有很多，例如绝缘损坏或老化、污染及空气潮湿引起的空气击穿、小动物引起的电弧短路和误操作等。

德国科学家调查了二百多起发电厂和变电所短路故障，发现有57%的故障由开关柜内设备引起，另外20%发生在母线上，10% 发生在导体接头处。根据大量调查，85%以上的短路故障是电弧短路。

电弧短路危害大。如果在开关柜中发生电弧短路，由于电弧能量大，温度高，可能引起开关柜燃烧和爆炸。十几年前南京某大型企业由于某6kV 开关室短路故障烧毁了多台开关柜，引起全厂停电十几天，造成重大经济损失。

如果在电动机中发生电弧短路将烧毁电动机。电弧短路还可能引起电气火灾.北京市1999年发生的电气火灾为1350余起.电气火灾不仅会引起重大财产损失，也可能引起人身伤亡。短路电弧可能烧伤工作人员。

在低压系统中有单相、两相和三相电弧短路。相电弧短路通常是由单相或两相电弧短路发展而来。而在出现三相电弧短路后，如果三相电弧短路转变为两相电弧短路，则电弧将自行熄灭，而不会再发展成三相电弧短路。在电弧短路计算中，最重要的是电弧电压。知道了电弧电压的大小，就可算出电弧短路电流。电弧电压出现在母线之间。电弧电压瞬时值是随机变化的。这是因为影响电弧的一些因素是随机变化的。因此不能用经典数学精确地描述电弧电压的变化。电弧出现在母线之间。在短路点只有2条相间电弧同时存在，而不是3条。所以这种三相电弧短路是不对称性短路。每条电弧存在的时间大约为1/3周波。由于电弧电压瞬时值比较接近其1/3周波平均值，因此用这个平均值近似模拟电弧电压。试验结果表明，此平均值也是随机变化的。平均值的概率密度接近正态分布。设电弧电压1/3周波平均值大于80arc U 的概率为0.8，因为电弧电压的1/3周波平均值大于80arc U 时，电弧将熄灭，所以用80arc U 作为计算最小电弧短路电流用的电弧电压。

80arc U 主要由系统额定电压和短路处相间距离d 决定。

第二章电弧的特性

第2.1节电弧的产生

电力系统及供配电系统中的短路故障可分为金属性短路和电弧短路。金属性短路是指在短路点相与相或相与地之间的直接短接，短路点没有过渡电阻。而电弧短路是指在短路点会出现电弧。短路电流在短路点通过电弧构成回路。电弧具有电阻特性。

电弧短路的类型有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路。

电弧主要发生在：（1）开关电器开、合瞬间；（2）开关电器以及导线的接点接触不良时；（3）两不同相带电导体或相线对地之间的距离太近时；（4）人体或导体与高压带电体之间达到放电的距离时。

引起电弧短路的原因有很多，例如绝缘损坏或老化、污染及空气潮湿引起的空气击穿、小动物引起的电弧短路和误操作等。

电弧产生的具体原因如下：

1、当开关电器断开又电流的线路和设备，或接通又负荷的线路而电压电流大于一定数值时，开关电器的触头间就会产生温度很高的电弧，拉闸时，开关电器的触头虽已分开，但由于触头间存在着电弧，电路仍处于通路状态，等到触头分开足够长的距离时，电弧才熄灭。

2、开关电器制造不良，安装不善或维修不及时。开关设备相线间或相线对外壳间距离不合要求，施工时不按规定安装而造成电弧事故。开关电器、导线的接头由于接触不良逐步加重，造成开关损坏或线路断路，影响正常工作。低压开关电器的灭弧罩损坏或丢失，没有及时更换补给，更容易产生电弧短路事故。

3、变压器、油断路器等电气设备因长期运行，绝缘油炭化，未能及时更换造成电弧事故。

4、配电器具的接线端子选用不当或长期运行后已松动未能拧紧，造成局部过热发展成电弧事故。

5、电气设备的绝缘部分污损，未能及时补救或清除，也容易产生电弧事故。

6、违章操作。如带负荷拉刀闸，低压带电操作引发电弧短路事故。

7、人体、导体距高压带电体的距离太近将引发电击事故（电弧事故的一种）

8、线路敷设不善。在穿管线路敷设过程中，使线、缆绝缘损坏，造成线间或对保护钢管间的电弧放电，使绝缘日趋损坏，最后形成电弧事故。电缆在敷设过程中，施工碰伤绝缘或弯曲半径过小而损伤绝缘，长期运行后都会由微小电弧逐步发展成为电弧事故。

9、鼠啮、虫咬造成绝缘损坏，逐步形成电弧事故。

第2.2节故障电弧的物理现象

2.2.1 故障电弧的定义：

故障电弧是一种可以用数学统计法描述的随机物理现象,这种现象也可称之为气体电离。这种气体电离首先是空气电离,并通过不同电位、电极间(相与相,相与地之间) 的高温导电等离子气体保持着。如果将故障电弧看作是电网网络中一种元件的话,则它是一种随时间变化的非线性欧姆组件。

2.2.2故障电弧效应：

低压柜发生电弧故障时,首先看到强烈的弧光,伴随这种现象,低压柜冒出浓浓的黑烟和强烈的爆炸声。故障电弧短路结果会产生压力效应、辐射效应和弧根效应[2 ] ,如图1 所示。

图1 故障电弧效应

电弧刚点燃时,周围空气就立刻电离,气体压力迅速上升;在电弧点燃5～15 ms ,压力上升至0. 2～0. 3 MPa。故障电弧40 %的能量产生了压力效应,使柜体内的零部件受到损害。空气电离后,气温升至4000～10000 K。这些热量通过辐射形式使可燃性材料(操作人员的服装) 着火、非可燃性材料热分解,短路容量为100 MVA。发生电弧故障时,柜体内压力、温度随时间变化曲线如图2 所示。

故障电弧总是在母线上最高的场强位置形成弧根。所以在柜体某一位置发生电弧故障时,电弧沿着母线边缘迁移,迁移速度为140 m/ s。

电弧可能会滞留在母线的角上,稳定燃烧,导致金属材料的溶化和汽化。1 kA 故障电弧电流每秒可燃化5～10 g 导体材料,导体材料汽化进一步导致空气电离。故障电弧10 %能量消耗在弧根效应中。

由于发生故障电弧时的压力、辐射、弧根效应造成设备严重损害,同时高温、高压气体伴随电弧效应产生炽热的金属和非金属材料颗粒由柜体逸出,造成人身伤害,甚至引起火灾。因此,对电弧故障防护研究,就是人们当前迫切需要解决的问题。

第2.3节低压系统中电弧短路的危害

低压开关设备中，故障电弧会在10ms内将温度升高到13000K，同时在约15ms

内将压力上升到约2×5

10Pa~3×5

10Pa。设备内的零部件如门在这样的高压力作用下会脱离它们的固定机构并被掀开。高温还在设备内产生熔化和蒸发过程。结果产生毒气，毒气又在压力作用下向外排出。这样对附近的工作人员就有生命的危险。工作人员吸入毒气造成死亡的例子不少。更多的情况是烧伤皮肤和使人目眩。

除了人身伤害外，还有设备的损坏，如建筑内的开关设备和二次部分部分或全部地被破坏。即使破坏过程结束了，用户还要承受长时停产及高昂的事故费用。

根据德国精密机械和电工技术职业协会（BGFE）的事故统计，故障电弧事故约占总电流事故的25%。

如果将电流事故与运行中常规事故的人均费用作一比较，则2000年的电流事故为29654欧元，正常运行事故仅为4484欧元。

2000年电流死伤事故的34%发生在开关设备中。这就是说，电气专业人员是最危险的人群。根据BGFE的统计，电气专业人员在电流事故中占60%以上。其中一个原因是忽视了5项安全规程。

正因为故障电弧涉及到人身和设备安全，引起了国际社会和各国的高度重视。在低压技术中，有关低压开关设备内部故障电弧的国际试验标准为IEC/TR3 61641: 1996-01。在德国乃至欧洲的试验标准为DIN EN0660-1附录部分2。这些标准包括了“故障电弧条件下的人身防护”和“故障电弧条件下的设备防护”等名词术语。故障电弧条件下的人身防护，是指开关组合电器在故障电弧的机械和热力作用下限制威胁人身安全的能力。故障电弧下的设备防护是指开关组合电器在故障电弧条件下限制影响设备功能的能力。人身防护和设备防护试验，包容不了所有的危害效应，诸如有毒气体、光辐射、热气流、声压和高压力。这些威胁到人身安全，如在门打开的情况下，于电弧产生时在带电设备中作业的工作人员。

低压开关设备的故障电弧防护分“结构上的故障电弧防护”和“故障电弧防护装置”。结构上的故障电弧防护是通过开关组合电器的结构来实现的，以防止故障电弧的产生。结构上的故障电弧防护只能在设备封闭情况下限制故障电弧的效应，但如果设备已被打开，那就不起作用，这就需要附加防护装置。

第2.4节高压系统中电弧短路的危害