中低压开关柜电弧计算及实际应用

北京市自来水集团石景山区自来水有限公司 马明智

北京某水厂供配电系统装机容量11515kW，运行容量8300kW，计算负荷7142kW，负荷等级一级，最高电压等级10kV，拥有配水泵房、提升泵房、炭砂滤池及膜车间四座配电室（各含10kV 主配、10kV 变频器室、10/0.4kV变压器室、0.4kV 配电室、控制室）。水厂配电系统上级电源取自国网各变电站，以配水泵房配电室为总配，给其它3座配电室提供10kV 电源，组成全厂供电网络。上述4座配电室共有UG550/10kV 开关柜46面，MNS3.0/0.4kV 开关柜58面，均为水厂检修班组自行运维。

本文即结合某水厂供配电系统实际情况，对10kV 及0.4kV 开关柜电弧故障进行分析计算，研究实际工作中可能出现的短路电流、电弧故障电流、入射能量、保护边界等问题，经ETAP 仿真建模，详细计算关键数据，并根据计算结果讨论不同情况下应采取的防护措施。

1 电弧故障的分析方法

1.1 电弧故障的分析方向

中低压开关柜内部故障电弧对供配电系统安全运行及一线操作人员的人身伤害问题得到了越来越多相关从业人员的关注和重视。但目前对于中低压开关设备电弧故障的研究主要集中在电弧产生的原因、电弧的特性、检测与识别方法和弧光保护装置等方面，其计算目标往往只重视电弧能量，而未体现开断时间对电弧故障保护的具体分析，对实际工作中电弧故障的计算案例和精确计算也少有文献。带着这些问题，本文将结合某水厂实际工作对电弧故障计算进行研究。

1.2 电弧的计算分析

电弧计算是结合三相金属性短路电流、母线距离和工作距离参数来确定高低压开关柜内的电弧入射能量、危害等级并确定电弧的保护边界。

1.2.1 分析计算方法和目标

计算方法和公式主要来自两个工业标准：①NFPA 70E-2018，②IEEE 1584-2018。其中①的计算方法使用NFPA 方程，电弧电流的范围是16-50kA。②的计算方法使用规范内的方程，在0.208-15kV 电压范围内使用经验模型，15kV 以上使用理论模型Ralph Lee's 方程，电弧电流的范围是0.7-106kA。

计算分析中主要的分析参数有：

导体/母线的间隙：指三相母线的间距。IEEE 1584-2018表中规定了此参数的推荐数值。在计算中根据实际的设备厂家数据选取。

距离因数X：根据不同的设备类型、电压等级和间隙选取，边界限制值：由NFPA 70E-2018进行定义的，带电部分受到冲击危害的接近限制值。

电弧电流：通过短路计算确定的电弧短路电流，其数值与三相短路电流并不相同。

继电保护和保护设备清除故障时间：按继电保护定值的设定值，综保反应时间和断路器开断时间之和考虑。

计算分析中主要的分析目标结果有：电弧故障入射能量；电弧故障保护边界；明确电弧故障危害等级并选取防护设备等级（PPE）。

1.2.2 电弧故障分析计算

1.2.2.1 电弧故障电流计算

对于1kV 以下系统：

对于1kV 及以上系统：

1.2.2.2 工作距离内的入射能量计算

工作距离内的入射能量公式为:

计算入射能量E，用等式为：

当系统电压超过15kV 或者当导体间距超过153mm 时，计算公式：

1.2.2.3 电弧保护边界计算

距离计算公式如下：

则距离计算公式如下：

1.2.2.4 PPE 危害/防护等级

PPE 在NFPA 70E-2018表130.7(C)中定义为个人防护装备，根据计算得出电弧入射能量值，从而选取适合的PPE 对工作人员进行防护。

2 水厂中低压开关柜电弧故障分析计算

2.1 电弧故障计算

某水厂供配电系统上级两路电源分别来自刘娘府变电站和金顶街变电站，在计算中电网提供的短路电流暂按20kA 选取。各电力设备和电缆按实际值选取。母线的间隙、距离因数按实际开关柜的参数选取。系统接地方式按实际情况考虑。10kV故障切断时间按70ms 考虑（综保20ms+断路器50ms），0.4kV 故障切断时间按250ms 考虑。短路电流考虑电机反馈。

由于10kV 系统和0.4kV 系统都是单母线分段的接线方式，计算中仅需要考虑I 段的电弧故障，II段的计算结果与I 段相同，按照上文阐述的计算方法和供配电系统的主接线、设备参数进行ETAP 建模后，短路计算结果见计算结果如下，为了分析研究电网短路电流对计算结果的影响，在下面的计算中选取了系统短路电流的不同的数值并进行了计算（低压仅考虑配水泵房变配电室），结果见表1。

表1

为了分析研究故障清除时间对计算结果的影响，在系统短路电流为20kA 的前提条件下，在下面的计算中选取了故障清除时间的不同的数值并进行了计算，结果见表2。

表2

2.2 电弧故障计算结果分析

对以上的电弧故障计算结果进行分析可以得出以下的结论：

在水厂实际的供电条件下，10kV 开关柜遭受的电弧故障危害较小，0.4kV 开关柜遭受的电弧故障危害较大，运维人员在操作时应根据本文计算结果穿戴相应的防护服装和用具。

对应低配系统来说，变压器容量越大，电弧入射能量越高，电弧边界更远，危害等级和需要的护具级别越高。

电网提供的短路电流对10kV 系统影响比较大，电弧电流和入射能量随其数值线性增长；对低配系统的影响比较小，几乎无明显变化，故对低配系统，变压器容量是影响电弧电流的关键因素。

故障切除时间的缩短对降低电弧电流和入射能量的水平有明显作用，所以在水厂技改工作中可以考虑选用中低压母线弧光保护继电保护装置和进线快速切断开关的方案来降低母线电弧故障风险。

3 中低压开关柜内部电弧故障的防护措施

据本文实际计算结果，在中低压开关柜内部电弧故障的防护工作中，防护措施主要有以下几方面。

3.1 购置可靠的IAC 级设备

目前国家对中压开关设备的制造标准GB3906进行了修订，该标准着重考虑使用者的人身安全，增加了“内部电弧级开关设备和控制设备（IAC）”的概念。IAC 级设备定义是：“经试验验证能满足在内部电弧情况下保护人员规定要求的金属封闭开关设备和控制设备”。只有通过内部燃弧型式试验的设备才能称为IAC 级设备。水厂在技改工作中可以参考电弧入射能量和电弧故障危险等级决定是否部分换装可靠的IAC 级设备。

3.2 装设成熟的弧光保护装置

目前供配电系统中，10kV 和0.4kV 电压等级的母线，一般均未装设专门的母线综自保护装置。常用的设计方案使用后备保护来切除母线上的故障，缺点是时限较长（0.6-2.5s）。根据参考文献[1]中的阐述，电弧故障发生后100ms 内若不能切除故障，故障将迅速发展放大，造成“火烧联营”，同时从故障点扩大至相邻系统。可能造成全厂停电，人员受伤等巨大经济损失和安全事故。因此对水厂内重要供配电设备和计算能量值很高的母线可以考虑配置成熟的母线弧光保护装置，其动作时间在几毫秒，比普通综保装置快很多。

3.3 装设必要的测温装置

由于设备局部发热导致的电弧故障占总电弧故障的99%。开关柜中断路器与母线连接的触头、母线搭接的接头、电缆头与母线连接的接头等部位会因制造、运输、安装不良及老化引起接触电阻过大而发热，继而发展为内部电弧故障[2]。故可以考虑通过技改工作在开关柜适当的部位装设必要的测温装置，实现对测点的温度实时监测，便可将故障隐患消灭在萌芽状态。

3.4 个人防护装备(PPE)的穿戴

断电作业是保证工作安全的最佳方式，但有时带电工作又不可避免，例如故障排查、测试电压、诊断和红外线测温时，这些情况下，运维人员需要穿戴适当的个人防护装备（PPE），才能有效地防止触电和电弧事故对人身的伤害[3]。

本文给出中低压开关柜内部电弧故障的计算方法，并结合某水厂实际情况对电弧故障的故障电流、入射能量和保护边界等给出了计算、结果和分析。计算过程考虑了10kV 系统容量、系统接地方式、变压器参数、开关柜参数、电动机参数和模型、负荷、故障切除时间等所有影响因素，精确计算了本厂各母线段的短路电流、电弧故障电流、入射能量、保护边界、危害水平和PPE 级别，同时给出了应对中低压开关柜内部电弧故障建议。