中低壓母線電弧光保護設(shè)計與應(yīng)用

牛洪海，嚴 偉，王 杰

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102)

目前我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的中壓系統(tǒng)，即35 kV及以下電壓等級，大多使用封閉式的中置柜以電纜引出，由于出線多，操作頻繁，運行電流大，故障過電壓高，設(shè)備安全距離與高壓設(shè)備相比有差距，制造質(zhì)量近年來有下降趨勢，短路事故幾率較高。柜內(nèi)母線故障的后果是其產(chǎn)生的氣體急劇膨脹造成開關(guān)柜爆炸，電弧高溫導(dǎo)致銅排、鋁排、電纜燒毀，開關(guān)設(shè)備強烈震動，導(dǎo)致固定件松動，高溫、強光、有害氣體、碎片飛濺、爆炸聲等會造成人員傷害。由于目前繼電保護規(guī)程中，中、低壓母線未要求配置專用母線保護，針對上述情況，傳統(tǒng)解決辦法[1]包括：（1）變壓器后備過流保護：考慮整定配合，保護整定時間一般為1.0 s以上，切除時間長，設(shè)備損傷程度大，甚至燒毀，影響生產(chǎn)運營；（2）采用饋線過流元件反向閉鎖進線的過流保護，保護整定時間為100 ms，但接線施工復(fù)雜，增加二次電纜投資；（3）母線電流差動保護，動作速度快，但由于總體投資大，且柜體安裝空間小，安裝困難；此外由于電流互感器（TA）易飽和，且裝置支路數(shù)量很難滿足間隔眾多的要求，使得母差保護應(yīng)用受限。

為了保證變壓器及母線開關(guān)設(shè)備的安全運行，根據(jù)繼電保護快速性的要求，迫切需要配置專用中低壓母線保護。電弧光保護系統(tǒng)可在中、低壓母線發(fā)生短路故障時快速切除故障，使設(shè)備免于遭受結(jié)構(gòu)性損傷。在開關(guān)柜內(nèi)加裝電弧光保護裝置，當(dāng)柜內(nèi)有微小弧光時，可迅速切斷所有運行開關(guān)，將故障限定在最小范圍內(nèi)，盡可能減小損失[2]。國外著名的開關(guān)柜生產(chǎn)廠家，如ABB等，其中低壓開關(guān)柜均有配套使用電弧光保護系統(tǒng)[3]。以南京南瑞繼保電氣有限公司的PCS-9656電弧光保護裝置為例，討論分析電弧光保護裝置的設(shè)計原理、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用。

1系統(tǒng)基本構(gòu)成

電弧光保護系統(tǒng)如圖1所示，包括弧光傳感器、傳輸光纖、電弧光保護裝置。

圖1系統(tǒng)組成

電弧光保護裝置可就地采集進線電流和弧光信號，也可以接收其他裝置或合并單元的電流信號以及其他弧光單元的弧光信號，并完成邏輯判斷、跳閘出口、事件記錄、人機交互等功能。

專用的弧光傳感器就地安裝在開關(guān)柜需要監(jiān)視的小室壁，將檢測到的模擬光信號傳輸給電弧光保護裝置，由電弧光保護裝置完成光電信號轉(zhuǎn)換。

2設(shè)計原理

2.1硬件設(shè)計

保護裝置的硬件平臺采用雙核處理器作為主處理器，其內(nèi)含微處理器（MPU）和數(shù)字信號處理器（DSP1），分別完成通信管理功能和保護功能，此外配置一塊光信號采集插件，由其上的DSP2完成光信號的光電轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。

裝置各板卡間通過高速內(nèi)部總線完成數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)插件的智能化配置。硬件整體架構(gòu)如圖2所示。

2.2軟件設(shè)計

MPU的運行基于實時內(nèi)核的Linux操作系統(tǒng)，運行 包 括 MASTER、SLAVE、LCD、IEC103、IEC61850、PRINT等應(yīng)用進程，負責(zé)裝置初始化管理、調(diào)試的主管理進程，以及由主管理進程協(xié)調(diào)調(diào)度的事件記錄進程、故障錄波進程、人機界面進程、通信進程、打印進程等。

圖2硬件整體架構(gòu)

DSP1負責(zé)保護運算、邏輯判斷功能，DSP2負責(zé)光信號采集、計算、傳輸。保護應(yīng)用程序使用元件思想進行模塊化設(shè)計，通過系統(tǒng)程序提供的變量 “注冊輸入”、“注冊輸出”、“注冊參數(shù)”等接口實現(xiàn)板內(nèi)、板間數(shù)據(jù)通信。DSP1系統(tǒng)程序通過芯片內(nèi)的共享靜態(tài)隨機存儲器（SRAM），實現(xiàn)與MPU之間的通信，完成信號注冊、輸入、輸出表處理。

裝置的通用模塊部分取自系統(tǒng)模塊庫，包括事件記錄模塊、打印模塊、人機界面管理模塊等。專用模塊包括弧光信號采集模塊、信號發(fā)送模塊、信號接收模塊、信號匯總模塊、電弧光保護元件模塊等，通過這些專用模塊可以快速搭建電弧光保護系統(tǒng)，完成各種接線及運行方式下的系統(tǒng)配置。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1基于光度學(xué)余弦原理的無源光傳感器

國內(nèi)外同類產(chǎn)品已工程化使用的光傳感器中，部分為有源光傳感器，柜內(nèi)完成光電轉(zhuǎn)換，以電纜進行信號傳輸，該方式將弱電信號引入強電開關(guān)小室，且傳輸過程中的弱電信號易受安裝環(huán)境的電磁干擾，可靠性降低；部分為無源光傳感器，但傳感器正前方180°全視場角范圍內(nèi)的感光效果差異較大，與其產(chǎn)品說明書中描述的性能不符，導(dǎo)致監(jiān)視范圍縮小，甚至?xí)斜O(jiān)視死區(qū)。

為此，南京南瑞繼保電氣有限公司自主研制了基于光度學(xué)余弦原理[4]的無源光傳感器，傳感器正前方180°全視場角內(nèi)的電弧光可靠監(jiān)視，消除監(jiān)視死區(qū)。并且光強度大小相同的入射光，通過光傳感器獲取后的感光效果應(yīng)如圖3所示，即水平入射時弧光傳感器獲取的光強度應(yīng)與垂直正入射時弧光傳感器獲取的光強度相當(dāng)。

3.2基于工頻變化量原理的弧光保護判據(jù)

采用基于工頻變化量原理的電氣量信號判據(jù)，在保證檢測快速性的前提下，提高電弧光故障檢測可靠性，且定值整定不受系統(tǒng)運行方式影響，重負荷狀態(tài)下故障可靠動作，靈敏度高。

圖3光傳感器感應(yīng)曲線

反應(yīng)相電流工頻變化量的保護元件采用浮動門檻，正常運行及系統(tǒng)振蕩時變化量的不平衡輸出均自動構(gòu)成自適應(yīng)式門檻，浮動門檻始終略高于不平衡輸出，在正常運行時由于不平衡分量很小，裝置有很高的靈敏度。當(dāng)相電流變化量大于整定值，電信號判據(jù)滿足。判據(jù)如下：

ΔIΦΦ＞ kΔIΦΦth+IΦΦth（1）

式中：ΔIΦΦ為相電流變化量；IΦΦth為浮動門檻， 隨著變化量輸出增大而逐步自動提高；k為比例系數(shù)，保證門檻電壓始終略高于不平衡輸出；IΦΦth為固定門檻，電流變化量啟動值。按躲過正常負荷電流波動最大值設(shè)定。

電信號判據(jù)與光信號判據(jù)與門輸出電弧光保護動作標(biāo)志，并延時出口。電弧光保護的邏輯如圖4所示。

圖4電弧光保護邏輯

4實際應(yīng)用

4.1光傳感器感光性能實測

隨機抽取光傳感器，實測感光數(shù)據(jù)見表1。可以看出，光強度大小相同的入射光，水平入射時弧光傳感器獲取的光強度與垂直正入射時弧光傳感器獲取的光強度偏差小于20%，滿足工程化使用要求。

表1光感應(yīng)數(shù)據(jù)實測

4.2保護動作時間實測

開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧燃燒所產(chǎn)生的能量如圖5所示，電弧燃燒持續(xù)時間超過100 ms，所釋放的能量開始急劇增加，將對開關(guān)設(shè)備的電纜、銅排以及鋼材造成嚴重損壞[5]。

在動模實驗室模擬故障，裝置錄波如圖6所示。除時間小于50 ms，有效避免圖5所示的電弧燃燒釋放的巨大能量對設(shè)備的損害和人員的傷害。

4.3現(xiàn)場應(yīng)用

PCS-9656電弧光保護已在多個35 kV，110 kV，220 kV站等工程中得到應(yīng)用，可適用于單母、單母分段、多段母線等多種接線方式，為母線、饋線、箱變等設(shè)備提供電弧光保護功能[6，7]。

以重慶某鋼廠35 kV站的10 kV母線保護為例，說明其應(yīng)用配置方式。該站共3段10 kV母線：Ⅰ母12個間隔，Ⅱ母5個間隔，Ⅲ母12個間隔，考慮未來擴建，Ⅰ母、Ⅲ母各需預(yù)留4個間隔。因每臺PCS-9656電弧光保護裝置最多可以接入24個光傳感器，故每段母線配置1臺PCS-9656D即可，配置如圖7所示。裝置就地安裝在進線Ⅰ開關(guān)柜107AH、進線Ⅱ開關(guān)柜203AH、進線Ⅲ開關(guān)柜307AH。

圖7電弧光保護配置示意圖

圖6電流和光強故障錄波

由波形可以看出，從故障開始到裝置動作出口時間為5 ms，計及開關(guān)固有分閘時間30～40 ms，故障切

Ⅱ母、Ⅲ母的從機完成弧光信號的采集和光電轉(zhuǎn)換，并將處理結(jié)果傳輸至Ⅰ母主機，由Ⅰ母主機歸并。Ⅰ母主機將歸并后的全站光信號下發(fā)至每臺從機，從機結(jié)合各自的工頻變化量電氣量信號判據(jù)實現(xiàn)母線的電弧光快速保護，保護動作后跳進線開關(guān)以及相鄰的母聯(lián)開關(guān)，在保證設(shè)備和人員安全的前提下，最大限度縮小停電范圍。該項目光傳感器共配置29個，安裝在各開關(guān)柜的母線室，監(jiān)視主母線和分支小母線。保護裝置光輸入通道共預(yù)留43個，可滿足今后擴建的要求。上述配置方案簡潔明了，較國外同類產(chǎn)品的復(fù)雜配置，減少了用戶的維護難度，深受用戶好評。裝置投運以來，運行情況良好。

5結(jié)束語

隨著國家對中低壓配電系統(tǒng)安全運行要求的提高，電力公司、電廠、工業(yè)企業(yè)的新建項目已逐步將電弧光保護作為開關(guān)柜招標(biāo)技術(shù)規(guī)范的技術(shù)要求之一，而且呈至上而下的發(fā)展趨勢，如云南電網(wǎng)公司2010年發(fā)文 “關(guān)于在中低壓開關(guān)柜加裝電弧光保護的通知”，江西省電力公司農(nóng)電工作部2011年發(fā)文“關(guān)于推廣使

用電弧光保護產(chǎn)品的通知”等。此外，為了在設(shè)備選型、試驗、安裝、運行等環(huán)節(jié)有章可循，全國量度繼電器和保護設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會已組建工作組，起草國家標(biāo)準(zhǔn) 《弧光保護裝置技術(shù)要求》（項目編號為20130678-T-604），預(yù)計2014年發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)將助力弧光保護推廣的有序進行，電弧光保護的應(yīng)用將更加廣泛，電力系統(tǒng)穩(wěn)定、設(shè)備和人員的安全，都將會得到進一步提高。

[1]田廣青.電弧光保護及其在中低壓開關(guān)柜和母線保護中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)雜志，2004(1)：27-30.

[2]王梅義.高壓電網(wǎng)繼電保護運行與設(shè)計[M].北京：中國電力出版社，2005：138-139.

[3]吳志勇.電弧光保護在電力系統(tǒng)的應(yīng)用[J].四川電力技術(shù)，2009，32(4)：49-51.

[4]安連生.應(yīng)用光學(xué)[M].3版.北京：北京理工大學(xué)出版，2003：112-113.

[5]SIDHU T S，SAGOO G S，SACHDEV M S.Multi Sensor SecondaryDevice for Detection of Low-level Rrcing Faults in Meta-lclad MCC Switchgear Panel[J].IEEE Trans on Power Delivery，2002，17(1)：129-134.

[6]萬山景，王 堅，張梓望.電弧光保護系統(tǒng)配置方案探討[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(16)：99-103.

[7]王德志，張愛萍.電弧光保護在應(yīng)用實踐中的改進[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(24)：230-231.