1 开关柜内电弧故障的产生原因及危害
1.1 引起开关柜内电弧故障的主要原因有
（1）开关柜使用的导体性能不良。
（2）元件损坏，开关柜内部元件因未得到良好的维修和保养而损坏。
（3）绝缘材料损坏, 主要有绝缘材料缺陷，投运年限长久的开关柜因绝缘件老化，最终造成绝缘损坏导致故障。绝缘材料不满足绝缘要求，绝缘爬距不足，在空气潮湿、多灰尘污染环境使用等，导致绝缘故障。
（4）人或者动物误入，如小动物进入开关柜内部接触到带电体导致故障或人员的不合理操作破坏绝缘要求。
（5）工器具被遗忘或误放在开关柜内，导致故障。
（6）操作过程的失误，如未按正确程序停电、验电、接地操作，走错间隔等。
（7）单相接地、谐振、雷电等造成的系统过电压。
（8）电网结构的改变，如系统容量的增加，用户增多等。[1]
1.2 6-35kV开关柜电弧故障的危害
开关柜内电弧故障的主要危害是会造成开关柜及邻近电气设备的损坏和对现场工作人员造成伤害。
（1）中压开关柜电弧故障对设备的危害：当中压开关柜发生电弧故障时,电弧瞬时功率最大可达40MW，电弧内部温度可达10,000-20,000 ºC，电弧甚至可以通过绝缘物体传播，不仅能引起绝缘物质燃烧，而且还可能导致导电体及周围金属熔化飞溅，继而引发火灾。在高能量电弧及故障电流长时间的作用下，开关柜自身会损毁，也会使变压器受到冲击甚至损坏，如果故障未得到及时切除，而发展为中压母线故障，其危害将可能导致相邻的多组开关柜同时烧毁。巨大的母线短路冲击电流将使主变压器损坏，甚至造成部分电力系统崩溃，使重要设备用户停电。
（2）中压开关柜电弧短路故障对人的危害：当开关柜发生内部电弧故障时，电弧爆炸散发出大量的热辐射和飞溅的熔化金属，造成人员烧伤；弧光的光强约9000LUX，远大于人眼感受到的最大光强（约300LUX），很容易使人的眼睛刺伤，暂时性失明；电弧爆炸产生的巨大声响，也会对人的听觉造成伤害，严重的可能引起休克；电弧火灾产生臭氧、氮氧化物等有毒气体会可能伤害呼吸系统，引起窒息。[2]
2 电弧故障的特性及切除时间要求
表1 根据国内外试验研究，燃弧时间与造成开关柜损坏程度关系如下[3]：
图1 开关柜短路电流产生的电弧能量与时间关系
综上所述，为保护开关柜，减小设备损坏，保护动作切除故障时间应小于85ms。
3 中压开关柜弧光测量、保护装置种类分析
通常情况下气体呈绝缘状态，电弧产生时，周围空气介质被电离，产生耀眼的弧光。电弧的实质是气体等离子体燃烧过程，电弧放电过程中伴随巨大的光学辐射。从光谱分析可知，铜质母线电弧辐射含有大量的紫外线成分，与此同时气体等离子体燃烧过程中会产生大量的热量，导致开关柜内气体急剧膨胀并冲击开关柜壳体。根据电弧点燃时表现出来的特点，通常采用测量铜质母线气化电弧辐射含有大量的紫外线成分和气体燃烧膨胀过程中产生压力冲击来判断开关柜是否产生弧光。
3.1 基于紫外光光纤电弧光传感器测量装置
铜质母线电弧其波长大部分在280~400nm范围，将弧光的紫外光特征谱作为弧光传感信号可以最大限度地排除可见光干扰，从而快速准确地发现电极电弧和检测电弧的放电强度[4]。由于紫外光测量装置灵敏性好，市场上大部分基于紫外线测量的弧光保护装置动作时间小于2.5ms，部分保护装置的动作时间小于1.5ms，把电弧弧光对设备的损害降到了最低。电弧故障发生以后，损坏较小，开关柜经内部清洁，简单维修，检验合格后可以再次投人运行。
3.2 压力式电弧光测量和保护装置
ITH-SYSTEM压力释放型微动开关的动作时间取决于开关柜内燃弧故障时气体受热膨胀产生的压力。根据厦门ABB公司（厂家）所测得的实验数据显示，福清核电5、6号机组6.6kV中压配电柜在25kA电流的燃弧故障下测得的ITH-SYSTEM压力释放型微动开关动作时间均小于10ms。理论上而言，由于福清核电5、6号机组6.6kV中压配电柜下游所带负荷更大，下游短路产生的短路电流更大，开关柜内燃弧故障下产生的气体膨胀速度更快，气体膨胀压力更大、微动开关动作时间也更短。
4 福清核电华龙一号机组6kV开关柜弧光保护系统分析
4.1 中压开关柜一次回路分析
（1）母线单路进线方式
图2 母线单路进线方案
如图2所示，01线路为进线柜，A为进线柜的母线室，B为进线柜的断路器室，C为进线柜的电缆室。若在A、B处发生短路触发弧光保护系统，则跳开5ESE001JA，若在C处触发故障触发弧光保护，跳开上一级的开关。
02线路为馈线柜，B1为馈线柜的断路器室，C1为电缆室，当B1、C1发生故障触发弧光保护系统，跳开断路器5ESE102JA，保护02馈线柜，而母线正常对其他负荷供电。
（2）母线双路进线方式
图3 母线双路进线方案
如图3所示，02、03线路为母线进线柜，A为进线开关柜母线室，B、B1为断路器室 当A、B、B1处发生故障触发弧光保护系统，跳开5ESF001JA和对侧开关7ESH701JA；若C、C1发生故障，跳开上一级开关。
4.2 中压开关柜弧光保护系统分析
考虑到单一信号误报警对配电系统的影响，可能导致核电厂重要设备误跳闸，对核电机组安全运行产生影响，福清核电5、6号机组6kV开关柜弧光保护系统中单一过流故障报警信号产生时开关柜不跳闸，只有在过流信号和弧光保护报警信号同时触发后才动作跳闸。
福清核电5、6号机组6kV开关柜弧光和过流组合保护原理图如下：
图4 弧光和过流组合保护原理图
同时，鉴于馈线开关柜下部的电缆连接头等部位是绝缘的薄弱环节，此处若发生单相对地击穿，短路电流太小，一般不易触发过流保护；而单相对地击穿很容易发展为两相或三相对地短路，即便此时过流保护动作，设备也已遭到了比较严重的损坏，故福清核电5、6号机组6kV开关柜电缆室微动开关只设置弧光保护不设置过流保护（图5描述中S363为电缆室微动开关）。
弧光保护系统二次回路原理图如下：
图5 弧光保护系统二次回路原理图
如图2所示，S363为电缆室微动开关、S364为母线室微动开关、S365为断路器室微动开关。S363、S364、S365为常闭状态，001XI为本侧或通过母联断路器连接的对侧过流继电器串联控制触点，为常开触点。当微动开关压力检测器检测到开关柜内气体压力超过动作限值时，微动开关断开；050XR线圈失电，050XR触点闭合。
5 结束语
弧光保护作为中低压母线重要的快速保护系统，因此越来越受重视。要求弧光保护系统功能完善、设计可靠、动作时间短。本文以福清核电华龙一号机组6.6kV开关柜为例，阐述了一次线路发生故障的控制策略和ITH弧光保护系统的原理，弧光保护系统是保障电力系统可靠性的重要装置，福清核电华龙一号机组采用微动开关和过流判据同时满足时才触发线路保护动作，减少了误触发弧光保护动作的风险。
参考文献：
[1] 许震，丁鑫.电弧光保护及其在6 kV厂用电系统的应用[J]，电力安全技术，2016.18（3）:63-64.
[2] 马步青. 6—35kV中压开关柜电弧故障与弧光保护应用探讨[J]，探索与观察:63-64.
[3] 姜洪松.弧光保护在中低压开关柜中的应用[J].电工技术，2017，2（A）:48-50.
[4] 张喜玲,杨彗霞,蒋冠前.弧光保护关键技术研究[J].电力系统保护与控制,2013,41(14):130-135.
[5] 王新恒. 中低压系统母线装设弧光保护的必要性分析[J]. 企业技术开发,2018,37(6):63-65
[6] 徐明，罗建.10 kV 开关柜中弧光保护的调试和试验[J].重庆电力高等专科学校学报, 2015, 20(2): 33-37.
