電弧光保護系統(tǒng)及應用分析

高衛(wèi)東

(山西省送變電工程公司,山西太原 030012)

0 引言

隨著我國電力系統(tǒng)的發(fā)展,6～35 kV開關柜的應用數(shù)量越來越多,由開關柜弧光短路故障引發(fā)低壓母線故障日益增多,弧光短路嚴重燒毀開關設備的事故時有發(fā)生,主變壓器由于遭受外部短路電流沖擊損壞的事故也逐年增加,這些事故若處理不當甚至會擴大發(fā)展為輸電網(wǎng)事故,造成重大經(jīng)濟損失。

開關柜IEC298標準規(guī)定內(nèi)部燃弧耐受時間是100 ms,即開關柜可承受的電弧燃燒時間為100 ms。發(fā)生弧光故障,在斷路器動作跳閘切斷故障前,短路電弧一直在燃燒,電弧燃燒的持續(xù)時間為保護動作時間加斷路器跳閘時間之和。從開關柜方面考慮,要求保護動作時間應小于100 ms切除故障,以防止弧光短路故障進一步發(fā)展擴大造成更大的損害。對于變壓器規(guī)定110 kV及以上電壓等級的變壓器熱穩(wěn)定允許時間為2.0 s,動穩(wěn)定時間為0.25 s[1]。實際由于靈敏度等原因,變電站低壓側出口短路依靠主變壓器后備過流保護切除故障的動作時間往往在2 s以上,離0.25 s的變壓器動穩(wěn)定時間相差甚遠,由此造成主變壓器的損壞,同時危及母線、開關等設備。

因此,為保證主變壓器及母線、開關等設備的安全運行,有必要在變電站低壓開關柜裝設快速、可靠的保護裝置。

1 電弧光產(chǎn)生的原因及特點

當兩電極間電壓升高時,在電極最近處空氣中的正負離子被電場加速,在移動的過程中與其他空氣分子碰撞產(chǎn)生新的離子,這種離子大量增加的現(xiàn)象稱為 “電離”。空氣被電離的同時,溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧,這種放電稱為電弧光放電。電弧光放電一般不需要很高的電壓,屬于低電壓大電流放電。它產(chǎn)生的條件是小間隙和大電流,如果增加間隙或減小電流,電弧將會消失。產(chǎn)品因絕緣損壞、元件老化、過電壓、污染、腐蝕、柜體結構不合理、維護不到位、人為失誤等因素均可導致故障電弧光的產(chǎn)生。故障電弧發(fā)展迅速、破壞力大、極易傳播,電弧中心溫度超過10 000℃,弧光的光強度可超過正常的照明光強2 000倍。當發(fā)生電弧光短路故障時有兩個顯著特征:電流增大,光強增大。

2 電弧光保護介紹

電弧光保護是根據(jù)35 kV及以下開關柜故障時的特征而開發(fā)的保護裝置,它采用檢測弧光和過流雙判據(jù)原理,具有原理簡單、動作可靠迅速、對變電站一次設備無特殊要求、適應各種運行方式、且在各種運行方式下保護不需要切換等優(yōu)點,是變電站低壓開關柜很好的保護配置。

本文主要以Rizner-EagleEye光電式電弧光保護系統(tǒng)為例來介紹,該電弧光保護系統(tǒng)使用光纖檢測電弧光信號,配合過流判據(jù),其快速繼電器 (采用可控硅開關)出口時間小于1 ms,而常規(guī)繼電器出口時間小于8 ms,如果加上斷路器35～60 ms的跳閘時間,即能夠有效保護主變壓器及母線、開關等設備。

2.1 電弧光保護系統(tǒng)主要特點

a)采用弧光檢測及過流檢測雙判據(jù)原理,動作可靠。

b)弧光檢測采用無源弧光探頭,光纖傳輸長達100 m,抗電磁干擾能力強。

c)采用光纖傳輸跳閘指令,可控硅開關出口,動作時間小于1 ms。

d)顯示故障位置,便于故障處理,極大提高恢復供電速度。

2.2 系統(tǒng)組成

主要由主控單元、弧光單元、電流單元組成,單元之間用光纜線和數(shù)據(jù)傳輸線連接。電弧光保護系統(tǒng)采用微處理器控制系統(tǒng)功能,通過編程可匹配不同的運行方式。

2.3 各單元功能

2.3.1 主控單元

管理控制整個系統(tǒng),主控單元通過檢測過電流和弧光動作信號,對收集的數(shù)據(jù)進行處理、判斷,發(fā)出跳閘信號以切除故障。系統(tǒng)只有同時檢測到弧光和過流時才發(fā)出跳閘命令。僅有弧光動作信號或者過電流信號,系統(tǒng)不會輸出跳閘命令,但是在主控單元上會顯示報警信號。

主控單元具備可編程邏輯功能,可直接操作4個斷路器。通過快速繼電器能夠同時操作更多的斷路器。主控單元有4個數(shù)據(jù)傳輸接口,每個接口可聯(lián)結6個弧光或電流單元,共可接24個弧光或電流單元。所有接口都能用不同的參數(shù)編程。通過主控單元中的顯示,可以準確判斷電弧光和過流的位置。

2.3.2 弧光單元

通過安裝在開關柜內(nèi)的弧光傳感器 (弧光探頭),把弧光信號轉換為電信號輸出至主控單元,作為保護動作的一個判據(jù)。

2.3.3 電流單元

通過對進線電流的檢測,把過電流信號輸出至主控單元,作為保護動作的一個判據(jù)。

3 實際應用分析

3.1 某變電站35 kV系統(tǒng)電弧光保護配置

如圖1所示。

35 kVⅠ段、Ⅱ段各配置一套電弧光保護裝置BH1和BH2,兩套保護之間采用光纖通訊聯(lián)系。

圖1 電弧光保護配置圖

兩套保護裝置BH1和BH2分別安裝于1號及2號主變35 kV開關柜內(nèi),BH1電流取自1號主變35 kV側電流互感器,BH2電流取自2號主變35 kV側電流互感器。

電弧光傳感器安裝在各開關柜母線室內(nèi),以確保母線室內(nèi)發(fā)生任何弧光故障時都能感受弧光,發(fā)出動作信號。

3.2 電弧光保護動作邏輯分析

圖2為一臺電弧光保護裝置邏輯圖,對側另一臺弧光保護裝置邏輯圖與此相同。

圖2 電弧光保護裝置邏輯圖

動作分析如下。

本側弧光信號動作,H1動作,同時本側過流起動,Y2動作,通過快速接點 (可控硅開關)跳進線開關。

對側弧光信號動作輸入本裝置,同時本側過流起動,Y1動作,通過快速接點 (可控硅開關)跳分段開關。

本側弧光信號動作、對側弧光信號動作、本側過流起動任一條件滿足,H2動作,裝置發(fā)弧光或過流報警信號。

本側弧光信號動作,H1動作,經(jīng)SC1把該信號通過光纖傳至對側弧光保護裝置,作為對側弧光保護動作的一個判據(jù)。

3.3 不同運行方式下保護動作分析

如圖3所示。

圖3 電弧光保護裝置動作示意圖

3.3.1 運行方式一

1DL、3DL合位,2DL分位,由1號變帶Ⅰ、Ⅱ段母線。

如故障發(fā)生在K2處,1號保護裝置BH1收到2號保護裝置BH2發(fā)來的Ⅱ段弧光動作信號,同時本側過流起動,保護跳3DL切除故障。BH2由于本側電流不起動,保護不動作。動作結果是切除Ⅱ段母線,Ⅰ段正常供電。

如故障發(fā)生在K1處,1號保護裝置BH1收到本側發(fā)的Ⅰ段弧光動作信號,同時本側過流起動,保護跳1DL切除故障。BH2由于本側電流不起動,保護不動作。動作結果是切除Ⅰ、Ⅱ段母線。

3.3.2 運行方式二

2DL、3DL合位,1DL分位,由2號變帶Ⅰ、Ⅱ段母線。

如果故障發(fā)生在K1處,2號保護裝置BH2收到1號保護裝置BH1發(fā)來的Ⅰ段弧光動作信號,同時本側過流起動,保護跳3DL切除故障。BH1由于本側電流不起動,保護不動作。動作結果是切除Ⅰ段母線,Ⅱ段正常供電。

如果故障發(fā)生在K2處,2號保護裝置BH2收到本側發(fā)的Ⅱ段弧光動作信號,同時本側過流起動,保護跳2DL切除故障。BH1由于本側電流不起動,保護不動作。動作結果是切除Ⅰ、Ⅱ段母線。

3.3.3 運行方式三

1DL、2DL、3DL合位,由1號、2號變同時帶Ⅰ、Ⅱ段母線。

如果故障發(fā)生在K1處,2號保護裝置BH2收到1號保護裝置BH1發(fā)來的Ⅰ段弧光動作信號,同時本側過流起動,保護動作跳3DL;1號保護裝置BH1收到本側發(fā)的Ⅰ段弧光動作信號,同時本側過流起動,保護動作跳1DL。動作結果是切除Ⅰ段母線,Ⅱ段正常供電。

如果故障發(fā)生在K2處,1號保護裝置BH1收到2號保護裝置BH2發(fā)來的Ⅱ段弧光動作信號,同時本側過流起動,保護動作跳3DL;2號保護裝置BH2收到本側發(fā)的Ⅱ段弧光動作信號,同時本側過流起動,保護動作跳2DL。動作結果是切除Ⅱ段母線,Ⅰ段正常供電。

可見,在各種運行方式下,電弧光保護裝置具有很好的選擇性,可以快速地切除故障點,同時保證正常母線供電。

4 電弧光保護的整定及應用注意事項

4.1 整定

本保護裝置有兩個定值,即過電流定值、光強度定值。

過電流定值通過裝置面板上的電位器整定,整定范圍是 (50%～500%)×In,In為電流互感器二次額定電流值,裝置的額定電流可以設置為5 A或1 A。低壓側母線發(fā)生故障時短路電流可達到幾千乃至上萬安培電流,出廠推薦定值為250%×In。

光強度定值通過裝置面板上的電位器整定,整定范圍是10～50 klux(lux勒克司,照度單位,為距離一個光強1 cd的光源,在1 m處接受的照明強度)。當開關柜發(fā)生弧光短路時,光強度可達到100 klux,出廠推薦定值為30 klux。當對保護裝置進行試驗時,可將定值調(diào)為10 klux,此時用強光手電筒近距離照射弧光傳感器探頭,可發(fā)出弧光動作信號,試驗完畢應將定值調(diào)回。

4.2 應用注意事項

光強度定值整定30 klux時,一般的環(huán)境光線甚至強光手電筒照射也難以啟動弧光傳感器,不必擔心弧光傳感器誤動作。

發(fā)生開關柜區(qū)外出口附近短路時,短路電流很大,有可能過流起動,但是沒有弧光動作信號,保護裝置只是發(fā)出過流起動信號而不跳閘出口,運行值班人員可以根據(jù)裝置面板上信號燈進行分析判斷。

5 結束語

隨著微機和光電技術的發(fā)展,各種新型原理的保護裝置不斷出現(xiàn),電弧光保護作為一種針對低壓開關柜故障特性開發(fā)的保護裝置,原理簡單,動作可靠迅速,適用于多種運行方式。因此,采用電弧光保護是35 kV及以下開關柜發(fā)生弧光短路時較為理想的一個保護方案。

[1] 劉萬順.電力系統(tǒng)故障分析 [M].北京:中國電力出版社,1998:20-60.