智能電弧光保護系統配置方案探討

沈海泓，曹新宇，馮任卿，張 郁，李云玲

（1.國網河北省電力公司，河北 石家莊 071000；2.河北省電力勘測設計研究院，河北 石家莊 071000；3.國網石家莊供電公司，河北 石家莊 071000）

0 引 言

2014年2 月以國網石家莊供電公司申報河北省電力公司《新型配網開關設備防護技術的研究和應用》科研項目作為背景，通過對新型配網開關設備防護技術進行研究，并在石家莊奧北公元小區主配電站開關柜進行弧光監測保護的應用，探討了在各種主接線方式下電弧光保護系統的配置方案，力求用最小的成本和最簡單的接線達到保護配電裝置安全運行的最大要求，以期得到更廣泛的應用。

目前國內電力系統的中低壓母線沒有全面配置專門的母線保護，母線故障的切除均靠上一級配電設備保護裝置的后備保護來切除，為了和中低壓系統饋線保護在選擇性上的配合，往往帶著很大的延時，所以不能快速地切除中低壓母線上的故障，導致在故障發生時任其自由發展成為更大的故障。這種發展的故障無論是對中低壓配電裝置本身還是對上一級設備造成的沖擊和損壞都是很大的，因此完全有必要采用一套快速保護來保證中低壓配電設備的可靠運行。以往的母線保護基本上基于電流差動原理而設計，接線方式復雜，成本較高，運行維護工作量大，其原因是在中低壓系統中沒有大范圍配置母線保護。隨著中低壓配電裝置柜式化的普及應用，開關柜體越來越小型化，配電裝置之間的間距也越來越小，在柜體內產生短路故障的因素也更加復雜，因此快速切除開關柜體內的故障以縮小故障范圍已迫在眉睫。電弧光保護系統正是基于開關柜內故障時產生弧光這個思路而設計的一套母線保護系統，我國國內目前應用中僅三、四種產品，并沒有引起電力生產、傳輸及使用單位的重視，所以在技術規范上沒有統一標準，在針對各種中低壓母線接線方法做出的各種配置方案也都不同，甚至很多配置方案并不能滿足中低壓母線運行方式改變的需要，在一定的條件下根本不能快速切除母線上的故障，安裝的系統形同虛設。本文以保定市尤耐特電氣有限公司的UNT－EAP智能電弧光保護系統為例，探討一種能滿足各種運行方式下的配置思路，使電弧光保護能達到最大應用效應。

1 智能電弧光保護的原理

智能電弧光保護的原理如圖1所示，主要動作依據為故障時產生的兩個不同因素：弧光和電流增量。當同時檢測到特定強度的弧光和電流增量時系統發出跳閘指令，并可顯示發生故障的位置。

圖1 智能電弧光保護邏輯原理示意圖

2 電弧光保護系統的基本構成

2.1 主控單元

主控單元負責管理和控制整個電弧光保護系統，它通過檢測故障電流和來自弧光采集單元的動作的光信號，對它們進行處理、判斷，在滿足跳閘條件時發出指令以切除故障。主控單元有3路光信號輸入和A、B、C三相保護電流采集。光輸入口用來接收弧光采集單元的光信號，電流采集需要接入進線柜保護電流回路。裝置有兩路快速繼電器跳閘出口，一路報警信號輸出，一路裝置異常檢測出口，一路斷路器失靈出口。另外主控單元通過RS485接口與上位監控系統通訊。

2.2 弧光采集單元

現場安裝過程中需要使用采集單元和主控單元配合使用，每個弧光采集單元具有8個弧光檢測接口用于連接弧光探頭，采集單元之間通過光纖集聯，無限擴展弧光探頭采集數目。所接弧光探頭的感光強度可以在1Klux到499Klux之間調節，當它感受到過弧光后向主控單元發送弧光動作光信號。

2.3 弧光探頭

專用于母線保護的無源弧光探頭安裝在開關柜的母線室內，是探測弧光的感應元件。330°大角度采集弧光信號，保證了弧光動作的可靠性。

3 智能電弧光保護系統配置方案要求

智能電弧光保護系統由弧光保護主單元和采集單元配合完成保護系統，根據電力一次系統配置要求，弧光保護主單元與采集單元所需要的數量不同。

以下是最常見的主接線系統，對于不同的主接線系統的配置方案均達到完善的保護功能。

3.1 單母線進線系統

單母線進線系統在工廠配電系統和熱電廠變電所很常見，由一條進線和數條出線組成，只有一臺變壓器的終端變電所多采用這種方式，接線和運行方式都很簡單。常用單母線系統正常運行時由工作電源進線供電，典型接線如圖2所示。

在這種接線方式下，需要一個主控單元，采集單元的數量由現場開關柜間隔的數量決定，當間隔數量≤8個，僅需要一個采集單元即可。由于采集單元最多支持8路弧光采集輸入，所以采集單元的配置數目為間隔數量／8，如有余數路，采集單元數量增加一個。弧光探頭的配置數目與開關柜間隔數量一致即可。

圖2 單母線系統接線示意圖

在老撾HONGSA3X626MW電站項目1#機公用段的實際應用中，現場有28面高壓開關柜，一路工作電源進線。現場配置方案如下：工作電源進線安裝一臺弧光主控單元；4臺采集單元均勻分布在其余27面開關柜中的3面上；每個間隔單元的母線室均配備一個弧光探頭共28個。主控單元數據通過IEC103通訊協議上傳到廠用電監控系統。

3.2 單母線系統（一工一備）

單母線系統在工廠配電系統和終端變電所很常見，由兩路工作電源進線、多路出線及用電設備組成，只有一臺主變壓器的終端變電所多采用這種方式，接線和運行方式都很簡單。在火電廠中高壓廠用電系統也常用單母線系統，正常運行時由發電機通電高壓廠變供電，起備變給廠用電系統提供另一路電源。典型接線如圖3所示。

圖3 一工一備單母線系統接線示意圖

在這種運行方式下，需要兩個弧光保護主單元，采集單元的數量由現場開關柜間隔的數量決定，當間隔數量≤8個，僅需要一個采集單元即可。由于采集單元最多支持8路弧光采集輸入，所以采集單元的配置數目為間隔數量／8，如有余數路，采集單元數量增加一個。弧光探頭的配置數目與開關柜間隔數量一致即可。

在酒鋼集團宏興鋼鐵選燒廠265 m2燒結機煙氣脫硫項目的實際應用中，現場有21面高壓開關柜，一路工作電源進線，一路備用電源進線。現場配置方案如下：工作電源進線和備用電源進線分別安裝一臺弧光主控單元；3臺采集單元均勻分布在其余19面開關柜中的3面上；每個間隔單元的母線室均配備一個弧光探頭共21個。兩臺主控單元數據通過MODBUS通訊協議上傳到集控PLC。

3.3 兩段母線帶母聯運行系統

此運行系統由聯絡開關（母聯）聯接兩段母線，大多數終端變電所都采用這種運行方式，母聯斷路器合閘，然后由一臺主變帶兩段母線并列運行，另一臺主變備用，只有在負荷高峰期一臺主變不滿足現場的負荷要求，才會投入另一臺主變分列運行。在這種運行方式下可以靈活調整供電功率以滿足用戶側的用電要求。典型接線如圖4所示。

圖4 兩段母線帶母聯系統示意圖

在這種接線方式下，主要有兩種運行模式，一是兩臺主變全部投入運行，母聯開關在分閘位置，當故障發生在母線某一位置時弧光保護跳開故障母線的進線開關，系統配備備用電源自投功能時還應閉鎖備自投動作，防止作用于故障母線；二是母聯開關位于合閘位置，一條進線帶兩段母線并列運行，當故障發生在母線某一位置時弧光保護選擇性跳開故障母線的進線開關或者母聯開關，以達到最小的斷電范圍，縮小用戶由于大面積停電造成的經濟損失。

在這種接線方式下，需要兩個主控單元，采集單元的數量由現場開關柜間隔的數量決定，當間隔數量≤8個，僅需要一個采集單元即可。由于采集單元最多支持8路弧光采集輸入，所以采集單元的配置數目為間隔數量／8，如有余數路，采集單元數量增加一個。弧光探頭的配置數目與開關柜間隔數量一致即可。

廣西南丹南冶220 kV變電站三期項目，現場共有33個間隔。2013年10月配置了一套電弧光保護，兩路工作電源進線上分別配備一臺弧光保護主單元，5臺采集單元均勻分布在其余31面開關柜中的四面上；每個間隔單元的母線室均配備一個弧光探頭共33個。兩臺主控單元數據通過IEC103通訊協議上傳到廠用電監控系統。

4 結 論

以上總結了電弧光保護系統在各種常用接線方式下弧光保護裝置的最優配置方案，弧光保護裝置在動作的同時也記錄了動作時間、動作值、故障點位置等信息，對于無人值守的變電站提供全面信息，保證系統正確可靠的運行。在不同的現場投入運行過程中，弧光保護系統會發揮越來越大的經濟效益和安全保障。

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

［2］ 瑞勝電氣有限公司.光電式電弧光保護系統用戶手冊.

［3］ 楊建紅，張認成，房懷英.Lyapunov指數法在故障電弧早期探測中的應用［J］.電工電能新技術，2008，（2）：55－58.

［5］ 李從飛，陳 凡，魯雅斌，田 偉.DPR360ARC弧光保護系統設計［J］.電力系統保護與控制，2010，（12）：125－128.

［6］ 徐東晟，邱志人，快速滅弧開關在中壓開關柜上的應用［J］.科技與企業，2012，（24）：373.