弧光保護(hù)電弧光的發(fā)生及危害

電弧是放電過(guò)程中發(fā)生的一種現(xiàn)象，當(dāng)兩點(diǎn)之間的電壓超過(guò)其工頻絕緣強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)發(fā)生。當(dāng)適當(dāng)?shù)臈l件出現(xiàn)時(shí)，一個(gè)攜帶著電流的等離子產(chǎn)生，直到電源側(cè)的保護(hù)設(shè)備斷開(kāi)才會(huì)消失?？諝庠谕ǔl件是很好的絕緣體，但由于溫度的升高或者其他外部因素的作用，其化學(xué)和物理特性發(fā)生改變時(shí)，它可能變成通電的導(dǎo)體。

只要兩端的電壓提供的能量足以補(bǔ)償熱損耗并維持適當(dāng)?shù)臏囟葪l件，電弧將會(huì)持續(xù)發(fā)生。如果電弧被拉長(zhǎng)和冷卻，維持它的必要條件缺失進(jìn)而熄滅。類似地，如果電路兩相發(fā)生短路也可以產(chǎn)生電弧。短路是兩個(gè)不同電壓的導(dǎo)體發(fā)生低阻抗的連接，形成低阻抗的導(dǎo)電體，(例如:金屬工具遺忘在柜子的母排上、錯(cuò)誤的連接或動(dòng)物闖入柜子內(nèi)，這些都是各種潛在的可能)一旦形成短路，會(huì)引起很大的短路電流值，其大小取決于電路的特性。

主配電柜或大型的電氣設(shè)備(如變壓器或發(fā)電機(jī))附近短路能量高而且有故障產(chǎn)生時(shí)的電壓也很高。

在柜體內(nèi)形成電弧的過(guò)程可分為四個(gè)階段:

l 壓縮階段:電弧占據(jù)了整個(gè)空氣空間，由于持續(xù)的釋放能量產(chǎn)生過(guò)熱，導(dǎo)致對(duì)流和輻射，保留在柜內(nèi)的空氣被加熱，在整個(gè)初級(jí)階段不同區(qū)域的溫度和壓力值不一樣。

l 擴(kuò)展階段:從這一瞬間開(kāi)始，內(nèi)部壓力增加，由于過(guò)熱的空氣開(kāi)始流動(dòng)而形成一個(gè)空洞。在這個(gè)階段其壓力達(dá)到最大值，并因?yàn)闊峥諝獾尼尫哦_(kāi)始減弱。

l 發(fā)射階段:由于電弧能量的持續(xù)釋放，幾乎所有的空氣均被一個(gè)緩和但恒定的壓力擠壓出去。

l 發(fā)熱階段:在驅(qū)逐出空氣后，柜內(nèi)的溫度幾乎達(dá)到電弧的溫度。最后階段就由此開(kāi)始，直至熄滅。此時(shí)，所有金屬和絕緣體在受到產(chǎn)生的氣體、煙霧和溶蝕物質(zhì)顆粒的侵蝕后，已融為一體了。

當(dāng)電弧出現(xiàn)在非常封閉的設(shè)備環(huán)境時(shí)，可能不會(huì)出現(xiàn)上述某些階段或者只有較少的影響;然而，在電弧的周圍，會(huì)形成壓力波、并導(dǎo)致溫度的上升。

以下數(shù)據(jù)表明了一個(gè)電弧所具有的危險(xiǎn)性:

l 壓力:已估測(cè)，在一個(gè)相距60cm的20kA故障電弧，一個(gè)人所抵受到的壓力為225kg;這種突如其來(lái)的壓力會(huì)對(duì)耳朵造成永久的傷害。

l 溫度:電弧的溫度可以達(dá)到約為7000-8000°C

l 聲音:電弧發(fā)出的聲音強(qiáng)度高達(dá)160db(槍聲發(fā)出的爆破聲僅為130db)。

開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部間隔發(fā)生故障而產(chǎn)生的電弧光會(huì)造成開(kāi)關(guān)設(shè)備中的壓力和溫度迅速增加，如不及時(shí)切除、將可能造成以下重大危害:

l 電弧光中心溫度(相當(dāng)于太陽(yáng)表面溫度的2~4倍，約為10000~20000°C)過(guò)高導(dǎo)致銅排、鋁排熔毀氣化;

l 電纜熔毀，電纜護(hù)套著火;

l 開(kāi)關(guān)設(shè)備劇烈振動(dòng)，使固定元件松脫;

l 使上一級(jí)變壓器承受近距離短路沖擊，故障電流產(chǎn)生的電動(dòng)力可能導(dǎo)致變壓器繞組變形引起匝間短路;

l 故障產(chǎn)生的弧光沖擊波以300m/s的速度爆發(fā)，可摧毀途中的任何物質(zhì)，若波及站內(nèi)直流系統(tǒng)導(dǎo)致全站直流失電，將造成無(wú)法彌補(bǔ)的重大損失;

l 燃燒產(chǎn)生的有毒氣體被人吸入會(huì)產(chǎn)生生命危險(xiǎn);

l 高溫灼傷皮膚，強(qiáng)光刺傷眼睛

l 爆破音振損傷耳膜，肺臟;

l 爆炸碎片飛射，造成人員傷亡。

當(dāng)?shù)蛪洪_(kāi)關(guān)柜發(fā)生電弧，可以通過(guò)三種不同的設(shè)計(jì)理念保護(hù)操作人員和設(shè)備的安全:

l 改善設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使之能夠承受電弧(被動(dòng)保護(hù))

l 設(shè)備安裝限制內(nèi)部電弧效應(yīng)的裝置(主動(dòng)保護(hù))

l 設(shè)備安裝限流斷路器

這三種方案(可聯(lián)合使用)已在工業(yè)領(lǐng)域得到快速的發(fā)展，并為一些主要的低壓開(kāi)關(guān)控制柜制造商廣泛使用。

其中限制內(nèi)部電弧效應(yīng)的裝置是一種主動(dòng)保護(hù)裝置，它含有機(jī)電/電子裝置，較被動(dòng)保護(hù)裝置更為復(fù)雜。

主動(dòng)保護(hù)即通過(guò)安裝限制電弧的裝置，以防止內(nèi)部出現(xiàn)故障電弧。

主動(dòng)保護(hù)有以下兩種常見(jiàn)的、可行的方法:

1) 通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)

2) 通過(guò)弧光傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)

第一種方法(采用壓力傳感器作為電弧光探測(cè)單元)

壓力波是裝置內(nèi)出現(xiàn)電弧事故的效應(yīng)之一，它將在電弧出現(xiàn)后的10-15毫秒后出現(xiàn)，可以安裝一些壓力傳感器用于探測(cè)壓力峰值。當(dāng)內(nèi)部的壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電弧監(jiān)測(cè)裝置發(fā)出動(dòng)作指令，控制開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作。但是要預(yù)先確定電弧在柜內(nèi)產(chǎn)生的過(guò)壓值并非易事。

第二種方法(采用光纖傳感器作為電弧光探測(cè)單元)

弧光監(jiān)測(cè)器的操作邏輯如下:電弧現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光輻射，因此柜體內(nèi)出現(xiàn)的弧光可以被弧光傳感器探測(cè)到。當(dāng)弧光監(jiān)控系統(tǒng)探測(cè)到故障，會(huì)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)給斷路器。這種方法的探測(cè)反應(yīng)時(shí)間僅為1毫秒。