光電式電弧光保護系統的應用

劉 立 彭 靜 譚劍中 應 征 羅 杰 陳 雄

湖南省電力公司株洲電業局

光電式電弧光保護系統的應用

劉 立 彭 靜 譚劍中 應 征 羅 杰 陳 雄

湖南省電力公司株洲電業局

分析現有的中低壓母線保護方案及存在的不足，介紹了電弧光保護系統采用弧光檢測和過電流檢測雙判據原理以及其保護動作快、可靠性高等特點。該裝置的應用，填補了電網中低壓母線沒有快速保護的空白，提高了系統安全運行水平。

中低壓母線保護；電弧光保護；快速；可靠

引言

中、低壓母線在發生短路故障時產生的電弧光對設備及人員造成極大的危害。但是目前國內中、低壓母線系統中一般不配置專用的快速母線保護，而是依賴上一級變壓器的后備過流保護來切除母線短路故障，這樣導致了故障切除時間的延長，加大了設備的損傷程度，該問題已經引起了業內專業人士的高度重視。本母線電弧光保護系統采用弧光檢測和過電流檢測雙判據原理，使保護動作快、可靠性高，填補了中、低壓專用快速母線保護的空白。

母線電弧光保護系統滿足中國電力行業標準DL/T404-1997（IEC298-1990）的附錄A，按戶內交流高壓開關柜內部故障減災措施的要求，在跳閘回路里采用了快速繼電器Triac技術，確保系統出口跳閘動作時間小于1ms，遠遠快于傳統的母線保護，對開關柜的內部弧光故障總切除時間可以控制在100ms以內。本保護系統可以確保操作人員安全，將故障損失降到最低，為快速處理故障、恢復供電創造條件。

1.裝設電弧光保護的必要性

1.1 電弧光產生的原因

a.誤入帶電間隔

b.隔離開關誤操作

c.帶接地線合閘

d.忘記測量工作區內的電壓

e.設備故障和帶電設備的誤操作

f.設備正常檢修后，遺漏工具在開關設備內

g.錯誤的開關柜內外接線

h.錯誤的母線連接

i.絕緣老化和機械磨損、過電壓

j.小動物（尤其是老鼠）、灰塵、濕度、溫度、腐蝕等環境因素

1.2 電弧光的危害

a.電弧光中心溫度相當于太陽表面溫度的2倍，約為20000攝氏度，由于過熱將導致銅排、鋁排燒毀氣化

b.電纜燒毀，電纜護套著火

c.過熱導致壓力上升，使開關設備爆炸

d.開關設備強烈振動，使固定元件松脫

e.高溫燒灼皮膚，強光刺傷眼鏡

f.產生大量的有害氣體，傷害呼吸系統

g.爆破音震損耳膜、肺臟

h.碎片飛射，造成人員傷害，甚至死亡

電弧光故障的危害程度取決于電弧電流大小及切除時間長短，電弧光產生的能量I2t與電弧故障切除時間t成指數規律快速上升。只有總切除時間小于100ms，才能使設備不遭受結構性損害。

圖1 電弧光的危害示意圖

1.3 目前用于中、低壓母線的保護方式及其局限性

目前用于中、低壓母線系統中常用的保護方式有以下三種：

1）變壓器后備過流保護（典型的動作時間為1.2s～2.0s）。

2）采用饋線速斷保護閉鎖的變壓器后備過流保護（典型的保護動作時間為300ms～500ms）。

3高阻抗母線差動保護（典型的保護動作時間為30ms～55ms）

由圖1可知：1和2兩種保護對總切除時間小于100ms的要求來講，時間太長；而3保護范圍受CT安裝位置的限制，接線復雜，CT要求高，且價格昂貴。

2．工作原理及其優點

2.1 原理介紹

電弧光保護動作判據為故障時產生的兩個條件：弧光和過電流。當同時檢測到弧光和電流增量時發出跳閘指令信號；當只檢測到弧光或者電流增量時發出報警信號，并不會發出跳閘指令，如圖2所示。

圖3 變電站弧光保護原理接線圖

2.2 弧光保護優點

動作迅速可靠：跳閘回路里采用了快速繼電器Triac技術，確保保護系統在1ms內發出跳閘信號，使開關柜內部電弧光故障總切除時間控制在100ms以內，而且在外觀上無明顯損壞。

故障點定位功能：根據弧光傳感器的實際安裝位置可以實現分區保護的功能，弧光傳感器可以安裝在開關設備的任何位置（一般裝在母線室內，以檢測母線故障），并在主控單元上顯示故障發生的位置，此功能可以減少故障處理時間，快速恢復供電。

抗干擾能力強：電弧光保護系統采用無源弧光傳感器探測弧光，系統主控單元、弧光單元、電流單元及弧光傳感器采用了光纖星形及傳輸技術，且裝置完全滿足電磁兼容EMC的標準，確保了整個弧光保護系統的可靠性及高強的抗干擾能力。

配置靈活、適應性強：系統使用先進的處理器技術，通過對弧光和過電流動作信號的靈活編程，可對各段母線提供選擇性保護，適用于不同類型的接線和運行方式。

3.楊家嶺變電站的應用

變電站母線電弧光保護系統主要由主控單元、電源模塊、電流單元、弧光單元、弧光傳感器及連接各部件之間的光纖和數據線組成，如圖3所示。

主控單元：主控單元用于管理、控制整套電弧光保護系統。它檢測故障電流和弧光信號，并對收到的兩種信號進行處理、判斷，在滿足跳閘條件時，發出跳閘指令以切除故障。主控單元通常安裝在母線系統電源進線柜或電源進線柜旁邊開關柜的二次控制門板上。主控單元有4個數據輸入接口，共可接24個弧光單元或電流單元；輸出接口包括4路快速跳閘輸出和6路常規繼電器跳閘輸出；共有4+16個弧光檢測接口。當弧光信號輸入超過16個小時，推薦采用弧光單元。此外，主控單元根據弧光單元或者弧光傳感器輸送的信號，能準確地判斷故障點位置。主控單元的邏輯編程操作方便，可根據用戶不同接線和運行方式選擇跳閘邏輯。

電流單元：電流單元用于檢測過電流信號，A、B、C三相電流均可檢測。同時可匹配5A、2A和1A的電流互感器，其中電流的整定可以通過面板上的電位計來調節，整定范圍從50%至500%。電流單元檢測到的信號通過光纖和數據線傳輸到主控單元，主控單元依據已設定的邏輯判斷是否發出跳閘指令。

弧光單元：主控單元自帶的弧光檢測接口（由弧光傳感器輸入）有16個，若母線系統要求的檢測點超過此數值，推薦采用弧光單元，其地址可以通過撥碼開關來設定。每個弧光單元包含10個弧光檢測接口，這些接口均為光纖接口，用于連接弧光傳感器。弧光傳感器的感光強度則可以通過弧光單元面板上的電位計來調節設定，可以從10Klux調節至50Klux。弧光單元檢測到的信號通過光纖和數據線傳輸到主控單元，主控單元依據設定的邏輯，判斷是否發出跳閘指令。弧光單元通過安裝在選定的某個開關柜中，選擇的原則是保證該單元相關光纖使用量較少。

弧光傳感器：專用于母線保護的無源弧光傳感器安裝在開關柜的母線室內，是檢測弧光的光感應元件。當發生電弧光故障時，光強度大幅度增加，弧光傳感器直接將光信號傳送給主控單元或者弧光單元。

光纖三工器：電弧光保護系統光纖三工器可以在標準數量的保護通道不足的情況下，非常方便地擴展保護點，并且節省相應費用。在不影響電弧光保護系統功能的情況下，滿足了用戶擴展保護點的要求，給用戶帶來了極大方便。

4.結語

電弧光保護能快速切除中低壓母線故障，保證輸配電網的安全運行。目前，株洲電業局楊家嶺變電站10 kV母線已安裝了RIZNER-EagleEye光電式電弧光保護，運行效果良好，并可作為參考，廣泛地應用在其他中低壓母線上,發揮其應有的作用。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.013