新疆广播电视台 赵 晨
在配电系统中电弧有着较高的能量，一些低电流断层电弧可引起严重的电气事故，可见在低压配电系统中对电弧故障进行防护是非常重要的。
电弧是一种游离气体在两电极之间产生持久而强烈的放电现象，由于温度和导电率都较高，会延长断开电路的时间，对触头还会产生一定破坏。用开关电器把电流断开，当电流不小于80～100mA、当电压不低于10～20V时电器的触头间就会产生电弧，其形成原理如下。
当电场强度超过3×106V/m时，由于开关触头间距离较小，阴极表面的电子能在电场强度作用下被拉进接触空间形成自由电子，完成强电场发射；
当电子的移动速度和动能足够大时，阳极表面发出的触点之间的自由电子和原始电子会一起向阳极做加速运动，在不断与中性质点相撞的同时会从质子当中出现电子被撞击形成正离子和新的自由电子的碰撞；
触头间此时会具有很大的电导，介质在拉伸应力时破裂以产生电弧，弧隙间的能量形成热电场发射，进而出现热游离现象；
随着触头分开的时间和距离不断增加，电场强度也在逐渐减小，电弧的燃烧依靠着热游离继续维持，这时电场中的间隙容易被电子击穿，从而形成新的电弧。
2.1 故障电弧的种类
故障电弧一般在两种情况下会发生，一种是由于两个电极距离过近，导电体与接地部位易发生碰撞、或导体的绝缘部分由尖锐的金属本体划破而形成电弧，另一种是电弧在绝缘体部分的导体表面产生，绝缘体持续受热或间歇性产生电火花，使得绝缘体表面炭化而形成电弧通道。低压电源和配电线路主要有两种电弧故障：串联和线对线。其中串联故障一般是因在一束导体中有一根在导体接头处没有插紧或发生了断裂，由于电弧故障产生的电流很可能低于线路额定电流，通常使用过流保护断路器难以检测到该故障；
而线对线故障往往是因一束导体中有两根导体绝缘表损伤碰撞而导致短路现象，其电弧电流受电路阻抗的影响[1]。
2.2 故障电弧的产生原因
造成故障电弧产生的原因有很多，首先有可能是绝缘故障导致的，开关柜中绝缘材料没有足够的爬距，没有办法持续、稳定地满足绝缘要求，在一些潮湿、脏污地环境发生绝缘故障进而出现故障电弧；
还有可能是低压配电系统本身的原因，如系统容量和接地方式的改变、自控及保护装置配置不合理、系统谐振过电压和电缆应用损耗等产生的故障；
故障电弧也可能是由于载流回路不良引起的，如紧固螺栓松动、触头接触不良、接头截面不够导致电流传输时过热起火，进而引起相间、相对地击穿等；
还有一部分原因在于人为的操作失误，如工作人员忘记对相关区域进行验电和接地等。
2.3 电弧故障的防护标准
对于电弧故障的防护一般分为人身防护、设备电弧故障防护及设备功能防护三种，每种防护都有其相应的标准。首先人身防护是最为基础和重要的，这方面的防护主要是保护人员免受故障电弧的高压、高温气体可能造成的伤害，对于开关设备的防护不是十分严格，将实验条件设为ICW=65kA、Ui=440V、Tp=100ms，将门、盖板固定好，检查好危险零部件看是否会脱落、指示器是否会点燃、电弧燃烧或其他效应是否对设备的外壳表面造成孔洞、外壳的等点位连接是否仍然有效等，要确保电弧效应限制在开关柜的范围内且不会发生扩散。
设备电弧故障防护的标准是在做好人身防护的前提下，将故障限制在电弧发生范围或开关柜内部，允许内部装置元器件损坏，防护试验参数设置中电流和电压与人身防护参数相同，而Tp 改为300ms；
最后一级的设备功能防护是电弧故障防护的最高级别，试验参数设置为ICW=50kA、Ui=725V、Tp=300ms，不仅要满足人身安全防护的要求，还要保证开关设备内部无损坏和无需替换零部件等，在排除故障后设备可很快进入到运行状态[2]。
2.4 低压故障电弧的检测方法
要想在低压配电系统中做好电弧故障的防护措施，首先要进行电弧检测，判断是否存在故障电弧及故障电弧的大致出现位置。目前电弧的检测方法大致分为建立模型、测量参数以及根据波形变化来检测电弧等。
首先是通过建立电弧数学模型来检测电弧，利用低能量直流电弧设计安全电路的数学模型，通过设计研究建立静态、动态伏安法特性模型与线性电流阻尼模型，但目前该种检测方法因条件限制尚停留在仿真阶段，进展缓慢；
还可以根据参数的变化来判断电弧故障，电弧的产生会伴随着辐射、温度和声、光等物理参数的变化，当配电柜中产生电弧时会使这些物理现象更加明显，出现噪声、强光和高温、高压等状况，可以较为容易的判断电弧是否出现故障；
最后就是根据电压、电流波形的变化进行电弧故障的检测，由于这种方法具有检测范围广和较容易实现等优点，是目前应用最为广泛的检测方法。
3.1 基本防护措施
低压配电系统中的故障电弧基本防护措施分为积极措施和消极措施两种。首先是积极措施，这种防护办法主要是防抑制电弧的产生，从根源上降低故障发生的概率。从结构方面来考虑，工作人员可将带电件进行全部绝缘或部分绝缘，在结构设计中防止弧根的形成，还可以通过设立隔板和隔离壁、选用耐弧绝缘材料、保持充足的导体间距和爬电距离等方式进行结构上的积极防护；
在元件的选择上要尽量使用能量损耗较小的电气设备，并采取过电压的方式进行防护；
还要在工作过程中做好科学的运行管理，要对设备进行定期维护，对接触和连接部位做好检查，还要注意按时清洗和检验绝缘件，防止误操作情况，尽量减少设备故障的可能性。
另一方面，负面措施主要是为了限制电弧的负面影响，主要分为空间限制和电弧能量限制两种，通过选用耐压和耐热的材料或加强设备这两方面的设计、用短路装置故障电弧保护电弧寿命限制电流限制器限制电弧能量等等，借助这种手段降低电气失火的可能性，减少故障电弧带来的危害[3]。
3.2 金属管布线预控方法
低压配电系统相关人员可利用施工过程控制电弧故障，有效控制可控范围内的电弧故障，从而避免配电线路故障电弧及周边设备可燃材料造成的损坏。在低压配电系统中，当有常规的保护装置时可以采用金属管布线方式，保证其与保护接地导体进行有效连接，从而形成剩余电流、短路电流等有利保护条件能够实现良好的电源保护。
金属管机械强度较高，有较好的阻燃性和导电、导热性，受外界因素影响较小，降低了绝缘受损的可能性，还能对导线起到一定的散热作用，能够阻止过电压对绝缘的破坏，具有较高的安全性。当金属管内的导线出现电弧故障时，燃烧现象也会被严格限制在金属管内部。当出现金属性短路的时候可以采用熔断器或断路器进行保护，当金属管壁与带电导体接触形成接地故障时，剩余电流装置也可以实现断电保护，从而有效预控在系统中出现的电弧故障。
3.3 “Arcon”故障电弧防护装置
该故障防护装置由传感设备、灭弧装置和计值单元组成，它可以限制误差光弧对弧根位置的负面影响。当出现故障光弧时，传感器首先检测发射的电弧电流和光源，并在主控制器内进行计值，再由主控制将电弧删除命令传输到电弧删除装置，最终形成与故障部位平行的三相金属弯曲接头。该三项短路被断路器开断，母线的电压下降之后就会导致电弧燃烧所需的电压下降，让电弧在点燃后2ms之内就会熄灭，减少了电弧故障的破坏。
Arcon故障电弧防护装置中还有电弧检测功能，基于光纤的光传感器可以有效的监控主站、支母线以及各母线连接的系统，测量变换器在传感器断路器前检测电弧电流，并在产生误差层弧时处理其发出的光和电弧电流，断路器开断电弧，而整个装置的总开端时间取决于断路器的动作时间，一般在30～70ms之间。采用Arcon故障电弧防护装置可以让电弧在产生的初始阶段就被熄灭，尽可能快地减少了故障损失，保护了工作人员的人身安全，维持设备稳定运行。
3.4 电弧故障断路器AFCI
传统的断路器只能防止电流和短路现象，而AFCI电弧故障断路器是一种新型的电路保护装置，基于传统断路器的额外抗干扰性，具有能够检测和识别设备启动、停止或切换时产生的电弧是普通电弧还是故障电弧，并能在故障电弧发生时及时切断电源，能够有效地防止故障电弧引起的火灾。根据UL1699标准，交流电源和di/dt的大小由电流互感器采集，随后进行处理，然后输入到模拟数字转换处理的单片机中。单片机对采样值进行了分析，在交流电路上当AFCI在0.5秒内察觉到8个半周的故障电弧，断路器就会立刻执行脱口，切断交流线路。
而作为一个全功能的智能断路器，AFCI具备准确的电弧检测、快速分析电弧特性和负载电弧特征曲线储备丰富等便捷功能，通过增加一个电流互感器，传统的短路、过流和漏电保护在AFCI电弧故障断路器中也可以很方便的被集成，进一步加强了对电路的保护作用[4]。
3.5 故障电弧保护系统
目前较为成熟的故障电弧保护系统有ABB故障电弧保护系统和ARCON故障电弧保护系统两种。其中ABB电弧保护系统由电流检测单元、执行器、电流互感器电弧监控器和断路器组成，工作人员可以利用低压配电装置中的探测器捕获电弧故障产生的电弧光谱，并将其特定频谱传输到电弧监控器，对短路电流信号和电弧故障信号进行快速评估和处理，以便向断路器发送触发信号，使上游断路器脱离故障层弧，从而在低压配电系统中起到一定的保护作用。
ARCON故障电弧保护系统是由光传感器、控制单元、电弧抑制装置和阈值控制器形成了一种特殊的断层弧谱，径向穿透光纤导体的表面，将光信号传输到控制单元，再由控制单元进行数据分析和处理，不仅能够实现故障电弧的检测工作，还能精准判断电弧故障的具体位置。当发生电弧故障时，ARCON故障电弧保护系统首先将电网与故障电弧隔离，然后使用电弧装置快速关闭故障电弧电压，比传统系统的短路电流分断时间要快上7～10倍，能够很好地满足低压设备的功能保护要求。
3.6 注重整体规划，加强人员管理
除了利用专业设备和相关保护系统对低压配电系统进行电弧故障的防护之外，还可以通过注重低压配电系统的整体规划和加强人员管理来进行有效防护。在进行系统的全面规划时，基站供电单元应充分考虑到各种影响线路的因素的可能性，结合区域内电网负荷的实际增长，对整个配电系统的结构进行适当调整和优化。
为了避免出现断电情况，工作人员在布置电网线路时要注意从点云中心向四周进行辐射，从而有效减少操作中断，相关人员还可以在每条分支配电线路上配置电容器以提高性能，在一定程度上降低了电能损耗，从而减少输电线过程中出现的电弧故障，低压配电线路的工作人员应加强线路的运行和负荷情况的定期检查，对于存在的绝缘老化及其他问题情况要进行及时更换处理和维修，为了提高管理效果，要对管理人员的巡检行为进行严格规范，让他们形成严谨细致的工作态度并强化自身的专业技能，尽量避免违规操作或操作不当的情况，充分减少相间短路现象，降低人为因素造成电弧故障的可能性。
综上，本文根据故障电弧在低压配电系统中的产生原因和现象，从基本防护、金属管布线预控、电弧故障断路器AFCI、电磁特性的电弧检测装置、故障电弧保护系统几个方面具体阐述了电弧防护的措施，望对安全配电工作有一定帮助。
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