淺談電弧光母線保護(hù)系統(tǒng)在中壓開關(guān)柜的應(yīng)用

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：結(jié)合工程實(shí)際介紹了電弧光的定義及危害、電弧光保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成及控制原理。

關(guān)鍵詞：電弧光；危害；保護(hù)；控制；原理

      電弧光現(xiàn)象是兩相之間或相地之問(wèn)因電離加劇引起空氣導(dǎo)電的現(xiàn)象。弧光放電的條件是小間隙和大電流。

      弧光點(diǎn)溫度發(fā)生電弧白光時(shí)，是太陽(yáng)表面溫度的2倍；弧光的照度達(dá)8000～9000lx，而人眼能承受光強(qiáng)為300lx以下；弧光爆破壓達(dá)120kPa，而人體能承受的壓力為7．5kPa；弧光燃燒帶來(lái)強(qiáng)烈的聲響和震動(dòng)，也超過(guò)人體能承受的。電弧光引起的事故對(duì)人員和設(shè)備都會(huì)造成很大的危害。

      電氣短路引起電弧燃燒在配電系統(tǒng)開關(guān)柜中一旦發(fā)生，就會(huì)引起諸如爆炸、燃燒等較大的設(shè)備材料損毀，危害電力系統(tǒng)運(yùn)行的和穩(wěn)定，還會(huì)對(duì)人員造成很大危害。

1．1電力工業(yè)發(fā)展的需要

        一方面，隨著國(guó)家電力工業(yè)的快速發(fā)展，中低壓開關(guān)柜的應(yīng)用數(shù)量越來(lái)越多，由于開關(guān)柜弧光短路故障引發(fā)的中低壓母線故障時(shí)有發(fā)生，并且也發(fā)生過(guò)主變壓器由于遭受外部短路電流沖擊損壞的事故，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重；另一方面，用戶對(duì)供電的可靠性要求也越來(lái)越高；因此，在中低壓開關(guān)柜裝設(shè)專用快速母線保護(hù)——電弧光保護(hù)是有必的。

1．2開關(guān)柜內(nèi)部燃弧耐受時(shí)間的需求

       當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)部弧光短路故障時(shí)，IEC298標(biāo)準(zhǔn)附錄中規(guī)定的內(nèi)部燃弧時(shí)間是100ms，也就是說(shuō)開關(guān)柜可以承受的電弧燃燒時(shí)問(wèn)，即保護(hù)動(dòng)作和斷路器切除故障的時(shí)間之和應(yīng)小于100inS，此時(shí)才能達(dá)到保護(hù)開關(guān)柜的目的。目前市場(chǎng)上銷售的開關(guān)柜基本上是按照1EC298標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的，即開關(guān)柜可以承受的電弧燃燒時(shí)間為100ms。表1為國(guó)外對(duì)各種燃弧持續(xù)時(shí)間下設(shè)備損害程度的試驗(yàn)結(jié)果。

表1不同燃弧持續(xù)時(shí)間下對(duì)設(shè)備造成的損壞

 

1．3變壓器動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間及中低壓母線保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的要求

       國(guó)標(biāo)規(guī)定的110kV及以電壓等級(jí)的變壓器的熱穩(wěn)定允許叫‘問(wèn)為2S，動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間為0．25S。但實(shí)際上，在低壓側(cè)出口短路故障時(shí)，過(guò)流后備保護(hù)切除動(dòng)作時(shí)間往往在2S以上，距變壓器的動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間要求0．25S相差甚遠(yuǎn)，這也是造成變壓器損壞的重要原因。

1．4現(xiàn)有的中低壓母線保護(hù)方式及存在的問(wèn)題

1．4．1變壓器后備過(guò)流保護(hù)

       這是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用*廣泛的中低壓母線保護(hù)方式。由于考慮到與饋線和母線分段開關(guān)的配合，保護(hù)跳閘時(shí)間一般摯定為1．0～1．4S，有的甚至更長(zhǎng)，達(dá)2．0S以上。這一動(dòng)作時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足快速切除中低壓母線故障的要求。

1．4．2饋線過(guò)流閉鎖變壓器過(guò)流保護(hù)

        近年來(lái)采用饋線過(guò)流閉鎖變壓器過(guò)流保護(hù)的應(yīng)用較為廣泛，與變壓器后備過(guò)流保護(hù)方式相比，其動(dòng)作速度有了一定的提高，典型動(dòng)作時(shí)間為300～400InS。但仍難以在100ms以內(nèi)切除故障。

1．4．3采用環(huán)流原理的高阻抗母線保護(hù)

        這種保護(hù)方式典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為35～60IllS?？紤]到斷路器的分閘時(shí)間，這一動(dòng)作速度對(duì)要求100ins以內(nèi)切除故障來(lái)說(shuō)，常常也不能滿足要求。并且這種保護(hù)方式的接線復(fù)雜，對(duì)TA的質(zhì)量要求高，安裝在有很多出線的6～35kV母線上非常困難，也不經(jīng)濟(jì)。此外，由于其保護(hù)范圍受到TA安裝位置的限制，不能保護(hù)到發(fā)生故障兒率較高的電纜室電纜接頭處的故障，因此，并不適合應(yīng)用于中低』上母線保護(hù)。

從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，現(xiàn)有的保護(hù)方式顯然不能滿足快速切除母線故障或保護(hù)覆蓋范圍的要求，因此，在中低壓母線和開關(guān)柜裝設(shè)一種快速的母線保護(hù)是必要的，也足迫切的。

      剛果(金)也稱剛果民主共和國(guó)，地處非洲大陸中部，ZONGOⅡ水電站是剛果民主共和國(guó)的水電站，當(dāng)?shù)仉姀S技術(shù)人員運(yùn)行水平較低，因此ZONGOⅡ水電站廠用電10kV設(shè)計(jì)電弧光保護(hù)是非常有必要的。

2．1保護(hù)對(duì)象

      保護(hù)對(duì)象是該電站廠用電10kVI、Ⅱ、Ⅲ段母線。整套系統(tǒng)由主單元、輔助單元和弧光傳感器連接電纜組成。在每個(gè)開關(guān)柜母線室內(nèi)安裝1個(gè)弧光傳感器，在母聯(lián)斷路器和母聯(lián)隔離車安裝1個(gè)弧光傳感器，在母線橋加裝1個(gè)弧光傳感器，在TV柜內(nèi)安裝1個(gè)弧光傳感器，通過(guò)弧光傳感器把采到的弧光信號(hào)傳送給主單元。

2．2電弧光母線保護(hù)原理

       電弧光保護(hù)原理很簡(jiǎn)單，主要?jiǎng)幼饕罁?jù)為故障產(chǎn)生的2個(gè)不同因素：弧光及電流增量。當(dāng)同時(shí)檢測(cè)到弧光和電流增量時(shí)發(fā)出跳閘命令。也就是說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，弧光傳感器將弧光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳給主單元，主單元檢測(cè)電流信號(hào)，如果達(dá)到啟動(dòng)值即發(fā)出跳閘信號(hào)。主單元裝置動(dòng)作時(shí)間為5—7ms，斷路器動(dòng)作時(shí)間為35～60ms，可以在100ms以內(nèi)切除故障。

       當(dāng)弧光傳感器采集到弧光信號(hào)、主單元采集到進(jìn)線過(guò)流信號(hào)時(shí)，將啟動(dòng)跳閘繼電器跳開進(jìn)線斷路器，同時(shí)將動(dòng)作信號(hào)(硬接點(diǎn))傳遞給后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)擁有完善的自檢功能，能實(shí)時(shí)在線自檢，系統(tǒng)自檢告警信息可以在裝置上看到，也可通過(guò)主單元的告警繼電器送到后臺(tái)。當(dāng)任意一段母線出現(xiàn)故障時(shí)，都只會(huì)跳開該段母線的進(jìn)線斷路器，其他段母線仍會(huì)正常運(yùn)行。

       在母聯(lián)開關(guān)運(yùn)行時(shí)，跳開故障母線進(jìn)線斷路器和母聯(lián)斷路器。其中弧光判據(jù)的啟動(dòng)條件為：光強(qiáng)度超過(guò)80001x，電流超過(guò)負(fù)荷電流。

2．3電弧光母線保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

       電弧光保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示，由主單元、輔助單元、弧光傳感器和連接電纜構(gòu)成。

 

2．3．1主單元

        主單元通過(guò)檢測(cè)短路電流和來(lái)自弧光傳感器的動(dòng)作信息，并對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷，發(fā)出跳閘信號(hào)以切除故障。該系統(tǒng)在同時(shí)檢測(cè)到弧光和過(guò)流時(shí)發(fā)出跳閘指令。在進(jìn)線斷路器未能動(dòng)作切除故障時(shí)，它將啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)邏輯，發(fā)出跳閘指令給上級(jí)斷路器切除故障。此外，主單元根據(jù)弧光傳感器送來(lái)的動(dòng)作信息和溫度傳感器測(cè)量的溫度，提供弧光故障點(diǎn)的定位和溫度報(bào)警信息。

2．3．2弧光傳感器

         弧光傳感器安裝在開關(guān)柜各間隔室中，對(duì)各種接線的中壓開關(guān)柜提供有選擇性的保護(hù)。弧光傳感器作為光感應(yīng)元件，將檢測(cè)在發(fā)生弧光故障時(shí)突然增加的光強(qiáng)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)傳送給主單元，一般它作為弧光保護(hù)系統(tǒng)中的主要故障判據(jù)。

ARB5-弧光主控單元

 

（1）＊表示可選附件，需要另外增加費(fèi)用1500元。

（2）主控板和采集板數(shù)量之和不能大于4。

（3）弧光探頭到采集板的長(zhǎng)度不能超過(guò)20米。

（4）如有特殊要求，請(qǐng)?zhí)貏e注明。

 

 

 

 

      弧光保護(hù)主控單元、探頭安裝圖如下。

 

 

 

 

      電弧光保護(hù)是電氣保護(hù)一個(gè)新的分支，快速感光和過(guò)電流的邏輯配合使其*性表現(xiàn)更為突出。電弧光保護(hù)具有保護(hù)邏輯簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試方便靈活，是常規(guī)繼電保護(hù)的一個(gè)有效的補(bǔ)充。隨著電弧光保護(hù)在市場(chǎng)上日益廣泛使用，產(chǎn)品價(jià)格也逐漸走低，更多的領(lǐng)域已經(jīng)能享受到先進(jìn)技術(shù)帶來(lái)的好處。剛果(金)ZONGOⅡ，水電站廠用電1OkV開關(guān)柜內(nèi)采用電弧光保護(hù)設(shè)備，設(shè)備已經(jīng)安裝調(diào)試完畢，使用效果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡 楠，國(guó) 佳.剛果(金 )ZONGOⅡ電站中壓開關(guān)柜電弧光保護(hù)的應(yīng)用[M]

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5（版）.

 

作者簡(jiǎn)介：

       任運(yùn)業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司