淺談電弧光保護在6kv廠用系統母線保護的應用

劉亞鋒

摘 要：傳統的中、低壓母線保護方案不能快速有效的抑制弧光造成的對人員和設備的危害。全新REF620的運用為中、低壓母線提供了快速、安全的弧光保護。運用反時限弧光檢測和高速過流檢測雙重判據為其安全和快速跳閘提供了保證。

關鍵詞：電弧光；系統母線；應用

隨著電力工業的發展，中、低壓開關柜的應用數量越來越多，其負荷越來越大，由于開關柜柜內弧光短路故障引發的中、低壓母線故障也日益增多。電弧光對變電站運行人員以及變電站內設備構成了越來越嚴重的威脅。

1 傳統中、低壓母線保護方案

1.1 變壓器后備過流保護方案

目前應用最廣泛的中低壓母線保護方案是要躲過出線的延時過電流保護的延時時間，故變壓器后備保護延時跳閘時間一般整定為 1.2-2.0S。例如，變低后備保護：復壓閉鎖過流的時間為1.4S。顯然這樣的配置不能滿足快速切除中、低壓母線故障的要求。

1.2 快速母線跳閘保護方案

快速母線跳閘保護方案又稱饋線過流元件閉鎖進線過流保護方案這是近年來利用微機過流保護實現的中低壓母線保護方案。在這個方案中，饋線繼電器和進線關繼電器之間通過通訊來傳遞信息，但保護動作時間為300-400ms，仍不能滿足100ms以內快速切除弧光短路故障的要求。

1.3 高阻抗母線差動保護方案

一些重要工程曾采用的專用中壓母線保護方案，保護動作時間一般為35-60ms。這種方案是通過接入專用的高阻抗來區別去內和區外故障。此方案安全可靠但這種方案接線復雜、對CT的要求高，安裝在6kv-35kv母線上有很多困難，此也不適合中壓母線保護應用。

1.4 采用電流差動保護方案

保護動作時間一般為20ms。這種方案接線復雜、要求專用CT，安裝在6kv-35kv開關柜內有困難，也很不經濟，這是其一；其二，大型電廠和企業的一段開關柜的數量往往超過母差保護裝置的回路數，因此也不適合中、低壓母線保護應用。

綜上所述，現有的開關柜柜內母線保護方案顯然不能滿足快速切除開關柜柜內的電弧故障和保護覆蓋范圍要求的。因此，需要一種新型的保護系統，以解決中、低壓母線發生故障幾率較高、延遲切除故障導致故障擴大，從而造成巨大的經濟損失問題。REF620分布式弧光保護裝置可以滿足以上要求。

2 REF620系統的組成及原理

傳統弧光保護多為專用集中式系統，而REF620采用分布式弧光保護設計思想，將弧光保護的模塊植入了普通饋線保護裝置中，可選擇訂貨，使用更加方便快捷，減少設計環節，無論是對于老站改造還是新站建設都減少了安裝成本和施工難度。REF620弧光保護保護范圍從“母線倉+斷路器倉+電纜倉”也是保護功能最全的弧光保護裝置，每個開關柜中的任何一個間隔內的弧光保護都配置獨立的弧光保護。用REF620構成的分布式弧光保護系統，在理論上這種分布式弧光保護系統的擴展不受限制。光纖環和點探測器相結合能100%覆蓋所有可能發生弧光故障的地方。

REF620采用（電弧光+超高速過電流保護）的雙重判據原理，弧光保護的動作最可靠、最安全、最快速。間隔保護與ADF二者構成最經濟的保護方案，每個饋線間隔的保護、測控等功能分別由各自的REF620保護裝置兼任?；」鈧鞲衅?光纖監測弧光信號（響應時間<1.5ms）輔以超高速過電流判據（響應時間<3.1ms）快速繼電器出口動作時間（50微秒）普通繼電器出口動作時間（<8ms）；可以通過IEC-61850GOOSE信息傳輸（<1ms），加上斷路器的全分閘時間：35-60ms；弧光切除總時間（計及斷路器）在40～72ms之間，是目前速度最快的電弧光保護系統。

3 弧光保護在電廠6kv廠用系統的應用

3.1 情況概述

電廠6kv廠用電部分的基本情況如下：6kv廠用系統共四段母線，每段母線上有來自高廠變及起備變的進線各1回。6kv母線按照國家現行的設計標準并不要求強制裝設母線保護，母線側故障由進線的過流保護完成，所以若母線發生弧光等嚴重故障，現有的保護配置方案無法做到及時切除故障。

3.2 弧光保護配置建議

本次設計弧光保護主要考慮保護6kv母線及各開關上手車與母線接觸部分。根據前文描述，若考慮配置REF620繼電保護裝置，除了可以完成常規各間隔的繼電保護及監控功能，還能通過設置弧光傳感器完成對母線的電弧光保護。

本次設計方案采用進線開關單元和饋線單元組成整體弧光保護系統。通過饋線弧光結合進線過流的邏輯組合，共同達到母線的保護配合。其特點是，設計簡單，工程實施難度低，與傳統6kv開光柜機及二次設備設計只要稍作調整來考慮額外增加的弧光保護部分：如每個間隔增加的一根弧光探頭和一對出口回路。不用額外開孔，接線簡單，節約了開光柜內有限的二次設備安裝空間，維護工作量也大大減小。

REF620還可以進行各種靈活的配置，以滿足變電站內的各種要求。裝置本身在循環自檢弧光通道，如果光纖有問題可以有告警燈提示運行人員?？蓪⒏黟伨€間隔弧光的各種信號做在面板上以文字和指示燈的形式提示運行人員現場裝置弧光元件運行情況，并通過IEC61850通訊上送到站內SCADA系統中。全站通過GPS對時，保護裝置傳輸的SOE準確性得到保證。如果弧光保護動作，運行人員可在遠方或在調度看到保護動作的信息，可初步判斷出具體是那個間隔誘發弧光保護動作跳閘。

圖1 弧光保護動作的故障錄波

圖1綠色曲線為模擬的故障相A相電流，紫色的曲線為弧光變化率的曲線下為裝置個元件動作情況，紅色虛線為保護動作時刻。橫坐標位時間坐標單位為周波，縱坐標為模擬量。

從圖中可以看出，當裝置采集到弧光變化率超過定值，到該元件動作，再到最后出口動作不超過3個周波。尤其是元件動作到保護出口是沒有任何時間的延遲。其響應速度得到了用戶的認可。

此外，饋線間隔中的REF620還兼顧著本間隔的常規保護功能，在本站中，出線間隔配置了三段過流保護，兩段重合閘，后加速，低周減載，過負荷告警，PT斷線告警等功能。各保護元件之間相互獨立，邏輯、出口等整定靈活，且可以相互獨立配置。

3.3 方案的改進

3.3.1 保護范圍

在本方案中，弧光保護質保護了母線及母線側刀閘，而開關室，電纜頭室都沒有被納入保護的范圍。每臺REF620最大可以安裝三組探頭，可以增加光纖探頭，安裝與電纜頭室和開關室，這樣10kv開關全部都將納入被保護范圍。整個母線也可用裸光纖代替點光纖達到全部覆蓋，只是施工難度比較大。

3.3.2 跳閘速度

目前此方案是通過普通遙信來傳遞下面饋線間隔弧光動作信息，如采用裸光纖來探測母線室，將光信息直接采入進線間隔，這樣還可進一步縮短跳閘反應時間。

4 結束語

加裝REF620弧光保護系統比傳統的最快跳閘方案減少了近30%的跳閘時間。REF620完善的保護、測控功能和通訊功能使其能更加靈活的運用于各種場合，同時減少了二次電纜及安裝的施工量。REF620的運用增加了電廠6kv廠用電系統母線的安全可靠性，降低了可能的弧光對人員設備可能造成的傷害，另一方面對于運行和維護的成本并沒有明顯的增加。REF620為用戶提供了一個理想的保護方案。

參考文獻

[1]Mark Zeller and Gary Scheer，“Add Trip Security to Arc-Flash Detection for Safety and Reliability” Schweitzer Engineering Laboratories，Inc 2009.