浅谈弧光保护装置的监测及保护作用

电弧是放电过程中发生的一种现象，当两点之间的电压超过其工频绝缘强度极限时就会发生。当适当的条件出现时，一个携带着电流的等离子产生，直到电源保护设备断开才会消失。空气在通常条件是很好的绝缘体，但由于温度的升高或者其他外部因素的作用，其化学和物理特性发生改变时，它可能变成通电的导体。

只要两端的电压提供的能量足以补偿热损耗并维持适当的温度条件，电弧将会持续发生。如果电弧被拉长和冷却，维持它的必要条件缺失进而熄灭。类似地，如果电路两相发生短路也可以产生电弧。短路是两个不同电压的导体发生低阻抗的连接，形成低阻抗的导电体，（例如：金属工具遗忘在柜子的母排上、错误的连接或动物闯入柜子内，这些都是各种潜在的可能）一旦形成短路，会引起很大的短路电流值，其大小取决于电路的特性。

弧光保护是指电力系统由于各种的短路原因可引起弧光，弧光会以300m/s的速度爆发，摧毁途中的任何物质。只要系统中不断电，弧光就会一直存在。要想最大限度的减少弧光的危害，我们需要安全、迅速地切断电弧光，这样可以在发生弧光故障的时候，保护操作人员不受伤害，并且可以降低财产损失程度。

开关柜和控制柜内电弧的发生

主配电柜或大型的电气设备（如变压器或发电机）附近短路能量高而且有故障产生时的电压也很高。

在柜体内形成电弧的过程可分为四个阶段：

压缩阶段：电弧占据了整个空气空间，由于持续的释放能量产生过热，导致对流和辐射，保留在柜内的空气被加热，在整个初级阶段不同区域的温度和压力值不一样。

扩展阶段：从这一瞬间开始，内部压力增加，由于过热的空气开始流动而形成一个空洞。在这个阶段其压力达到最大值，并因为热空气的释放而开始减弱。

发射阶段：由于电弧能量的持续释放，几乎所有的空气均被一个缓和但恒定的压力挤压出去。

发热阶段：在驱逐出空气后，柜内的温度几乎达到电弧的温度。最后阶段就由此开始，直至熄灭。此时，所有金属和绝缘体在受到产生的气体、烟雾和溶蚀物质颗粒的侵蚀后，已融为一体了。

当电弧出现在非常封闭的设备环境时，可能不会出现上述某些阶段或者只有较少的影响;然而，在电弧的周围，会形成压力波、并导致温度的上升。

以下数据表明了一个电弧所具有的危险性：

压力：已估测，在一个相距60cm的20kA故障电弧，一个人所抵受到的压力为225kg;这种突如其来的压力会对耳朵造成永久的伤害。

温度：电弧的温度可以达到约为7000-8000°C

声音：电弧发出的声音强度高达160db（枪声发出的爆破声仅为130db）。

折叠电弧光的危害

开关设备内部间隔发生故障而产生的电弧光会造成开关设备中的压力和温度迅速增加，如不及时切除、将可能造成以下重大危害：

电弧光中心温度（相当于太阳表面温度的2~4倍，约为10000~20000°C）过高导致铜排、铝排熔毁气化;

电缆熔毁，电缆护套着火;

开关设备剧烈振动，使固定元件松脱;

使上一级变压器承受近距离短路冲击，故障电流产生的电动力可能导致变压器绕组变形引起匝间短路;

故障产生的弧光冲击波以300m/s的速度爆发，可摧毁途中的任何物质，若波及站内直流系统导致全站直流失电，将造成无法弥补的重大损失;

燃烧产生的有毒气体被人吸入会产生生命危险;

高温灼伤皮肤，强光刺伤眼睛

爆破音振损伤耳膜，肺脏;

爆炸碎片飞射，造成人员伤亡。

监测及防护

当低压开关柜发生电弧，可以通过三种不同的设计理念保护操作人员和设备的安全：

改善设备的机械结构，使之能够承受电弧（被动保护）

设备安装限制内部电弧效应的装置（主动保护）

设备安装限流断路器

这三种方案（可联合使用）已在工业领域得到快速的发展，并为一些主要的低压开关控制柜制造商广泛使用。

其中限制内部电弧效应的装置是一种主动保护装置，它含有机电/电子装置，较被动保护装置更为复杂。

主动保护即通过安装限制电弧的弧光保护装置，以防止内部出现故障电弧。

主动保护有以下两种常见的、可行的方法：

1） 通过压力传感器进行监测

2） 通过弧光传感器进行监测

第一种方法（采用压力传感器作为电弧光探测单元）

压力波是装置内出现电弧事故的效应之一，它将在电弧出现后的10-15毫秒后出现，可以安装一些压力传感器用于探测压力峰值。当内部的压力达到设定值时，电弧监测装置发出动作指令，控制开关器件动作。但是要预先确定电弧在柜内产生的过压值并非易事。

第二种方法（采用光纤传感器作为电弧光探测单元）

弧光监测器的操作逻辑如下：电弧现象会产生强烈的光辐射，因此柜体内出现的弧光可以被弧光传感器探测到。当弧光监控系统探测到故障，会发出动作信号给断路器。这种方法的探测反应时间仅为1毫秒。

审核编辑 黄昊宇