應用于110kV變電站的電弧光保護系統

吳海莉，胡發明

(舟山電力局修試工區，浙江 舟山 316000)

目前，110 kV變電站三圈變保護主要包括:差動/速斷保護、復壓方向過流保護、零序方向過流保護、間隙零序保護、零序過壓保護等，而中、低壓母線一般不配置專用的母線保護(如35 kV母線發生故障時一般由主變的復壓過流后備保護動作來切除故障，整定時間通常約為2 s).隨著經濟社會的發展和居民用電水平的提高，配電網容量逐漸增大，中低壓母線故障對電力系統安全運行的影響越來越嚴重.從電力系統的運行實況來看，因開關柜故障而引發火災的事故并不少見，不僅使中壓開關設備嚴重損毀，而且可能損壞昂貴的變壓器，造成重大的經濟損失［1］.此外，這些事故如果處理不當還會導致輸電網故障［2］，危害整個電力系統的安全運行.因此，為了快速切除開關柜故障，防止事故發生，有必要引入適應其故障模式的中低壓母線保護系統［3］，以保證輸配電網的安全運行.

母線是電力傳輸的重要組成部分，母線保護的安全可靠直接關系到電力系統的安全與穩定［4］.由于母線發生故障時常會伴隨產生電弧光，若不能及時排除母線故障，將給電力系統帶來嚴重危害.光電式電弧光保護系統在同時檢測到弧光和電流增量時會發出跳閘指令信號，跳開故障母線的電源回路以切除故障.該方法縮短了切除故障的時間，符合快速切除開關柜故障保護裝置的要求.因此，舟山電力局在110 kV南沙變電站35 kV開關柜中安裝了一套RIZNER-EagleEye電弧光保護系統，以實現快速切除開關柜故障.

1 電弧光保護的工作原理

電弧光保護系統采用弧光檢測和過電流檢測雙判據原理，當同時檢測到弧光和電流增量時發出跳閘指令信號，當只檢測到弧光或電流增量時發出報警信號，并不會發出跳閘指令，從而大大減少了由于保護設備的誤差而引起的誤動作.變電站電弧光保護原理如圖1所示.

圖1 變電站電弧光保護原理

電弧光保護系統跳閘回路中采用了快速繼電器Triac技術，以確保保護系統在1 ms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100 ms以內，而且在外觀上無明顯損壞.電弧光保護與一般過流保護的時間對照見表1.

表1 電弧光保護與一般過電流保護的時間對照 ms

由表1可以看出，通過檢測弧光信號和過電流信號閉鎖的雙判據原理，實現了保護裝置的快速、可靠動作.而且與一般保護相比，電弧光保護可以根據弧光傳感器的實際安裝位置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(一般安裝在母線室內，以檢測母線故障)，并在主控單元上顯示故障發生的位置，縮短了故障處理時間，實現了快速恢復供電.

2 電弧光保護系統的組成

RIZNER-EagleEye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，以及連接各部件之間的光纖和數據線組成，其結構如圖2所示.

該系統的工作過程如下:首先利用電源模塊對主控單元、電流單元、弧光傳感器、弧光輔助單元進行供電;然后利用主控單元測量電流單元、弧光傳感器和弧光輔助單元的數據，當發現電流過大，同時出現弧光現象時，開關動作切斷母線，以實現對母線的保護.在其他情況下，認為系統正常，則開關不動作.

圖2 電弧光保護系統的結構

2.1 主控單元

主控單元(EagleEye-MU)是電弧光保護系統的核心部件，用于管理、控制整套系統，以及檢測故障電流和弧光信號，并對收到的兩種信號進行判斷和處理.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進線柜旁邊開關柜的二次控制室門板上.主控單元有4個數據輸入接口，可接24個弧光單元或電流單元;輸出接口包括4路快速輸出和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個時，可采用弧光單元.此外，主控單元根據弧光單元或者弧光傳感器輸送的信號，能夠準確地判斷故障點的位置.

2.2 電流單元

電流單元(EagleEye-CR)用于檢測A，B，C 3相的過電流信號，同時可匹配5 A，2 A，1 A的電流互感器，并可以通過面板上的電位計進行電流的整定，整定范圍為50% ～500%.電流單元檢測到的信號通過光纖和數據線傳輸至主控單元，主控單元依據已設定的邏輯來判斷是否發出跳閘指令.電流單元通常安裝在電源進線柜內，每個電源進線都應裝設一個電流單元.

2.3 弧光傳感器

專用于母線保護的無源弧光傳感器(EagleEye-FLS)通常安裝在開關柜的母線室內，是探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，弧光傳感器可以直接將光信號傳送給主控單元或者弧光單元.

3 110kV南沙變電站弧光保護實施方案

110 kV南沙變電站35 kV開關柜為單母分段接線，共有10面開關柜，配置一個主控單元，安裝在1#主變壓器進線開關柜的面板上;2個電流單元，分別安裝在1#主變壓器的和2#主變壓器的進線開關柜內;為了與第1段母線區分和減少光纖的敷設，在第2段母線上裝設了1個弧光輔助單元和1個弧光傳感器一面柜，弧光輔助單元安裝在35 kV母分開關柜內，弧光傳感器一面柜安裝在母線室內，其電流單元電流整定值為額定電流的2.5倍.35 kV開關柜的第1段和第2段母線弧光保護配置如圖3所示.

該弧光保護裝置的動作原理如下:當第1段母線發生故障，弧光保護裝置檢測到弧光信號，且電流單元檢測到的主變電流大于整定電流時，保護裝置發出跳閘指令，跳開1#主變壓器35 kV開關和母分開關，將故障隔離.第2段母線的動作原理也是如此.35 kV開關柜內第1段和第2段母線主控單元邏輯示意如圖4所示.

圖3 35 kV兩段母線弧光保護配置

圖4 35 kV兩段母線主控單元邏輯示意

4 電弧光保護系統應用中存在的問題與建議

電弧光保護系統是一種新型的保護系統，除了跳閘回路和信號回路采用電纜連接外，其主控單元、電流單元、弧光單元、弧光傳感器之間均采用光纖和數據線連接，因此其可靠性較高.但在實際應用中，也存在以下問題.

(1)弧光傳感器的校驗問題 按規定，當開關柜發生故障拉弧時，其照度約為100 klx，因此在電弧光保護系統投入運行前，應將弧光單元面板上的照度調整為30 klx.但在現場，通常是用手電筒照射來進行照度校驗，手電筒的照度、照射距離，以及開關柜的光線對照度測量的影響等都沒有測試標準，不便于現場進行標準化校驗工作，也不利于維護人員做出精確判斷.

(2)電弧光保護系統歸口管理問題 電弧光保護系統應屬于傳統的繼電保護裝置還是開關柜的本體保護設備，仍需進一步明確.

為此，筆者提出如下建議:一是希望相關保護的測試儀廠家能盡快研制出適用于電弧光保護的校驗裝置，用于對弧光傳感器的校驗，以便于維護人員判斷保護的正確性;二是建議相關部門參照主變壓器非電量保護的管理模式，對電弧光保護系統的歸口問題進行劃分.

5 結語

隨著現代微機和光電子技術的發展，各種新型母線保護原理和裝置不斷出現，為實現中低壓專用母線保護提供了各種解決方案.電弧光保護作為一種針對中壓開關柜故障特性開發的中低壓母線保護系統，具有原理簡單、動作可靠迅速，以及對變電站一次設備無特殊要求、適用于各種運行方式且在各種運行方式下保護裝置不需要切換等優點，為用戶提供了一個理想的解決方案.

［1］金文龍，陳建華，李光范，等.全國110 kV及以上等級電力變壓器短路損壞事故統計分析［J］.電網技術，1999，23(6):72-73.

［2］梁秀紅，劉延慧.預防主變壓器因外部短路引起損壞事故的對策［J］.科技信息，2007(32):293-299.

［3］潘貞存，王葵，杜世雙，等.中低壓母線加裝專用繼電保護的必要性和幾種方案的探討［J］.電網技術，2002，26(9):76-77.

［4］劉蓉輝，熊虎崗.微機母線保護比較及相關問題的對策［J］.華北電力，2009(10):19-21.