中低壓母線弧光保護系統

國網河南省電力公司許昌供電公司 胥俊巖

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中低壓母線弧光保護系統

國網河南省電力公司許昌供電公司 胥俊巖

【摘要】中低壓母線短路故障僅依靠上一級保護裝置的后備保護，無法在電弧燃燒危害擴大前切斷故障，造成嚴重損失。弧光保護系統通過弧光檢測和過電流檢測雙判據原理，從弧光故障到出口報警跳閘時間小于4ms，為開關柜、母線和各種變流設備提供全面、快速的保護。

【關鍵詞】弧光保護；中低壓母線；快速保護；弧光傳感器

0　引言

隨著電網容量的不斷擴大，中低壓配電系統的規模也隨之變大，中壓母線短路容量愈來愈高，而中低壓系統多使用封閉式的中置柜以電纜引出，操作頻繁，運行電流大，故障過電壓高，設備制造質量和安全距離比高壓設備差，容易發生絕緣事故。近幾年常有開關柜或母線因絕緣損壞、操作失誤、設備老化等原因產生弧光而被燒毀的事故發生，甚至造成重大的經濟損失和人員傷害。

繼電保護領域微機保護技術的飛躍發展，使得110kV及以上電壓等級的供電系統已有比較成熟的保護措施，對于中低壓(35kV及以下電壓等級)配電系統，因母線不存在穩定問題，一般不裝設差動保護，在目前的保護方案中，中低壓母線母線故障均靠上一級保護裝置的后備保護來切除。而弧光短路作為中、低壓開關柜內部最嚴重的故障之一，由于電弧電阻的原因，短路電流往往達不到過流、速斷整定值而不能快速動作切斷故障，導致電弧持續燃燒釋放出巨大的能量，造成嚴重的損失。因此，一種中壓母線的快速保護方案非常必要。

為解決這個問題，國內外一些專家學者根據弧光短路時產生的大電流和高強度弧光兩個特性，提出了電弧光保護。南京弘毅電氣自動化有限公司研制的DPR360ARC系列弧光保護系統，采用弧光檢測和過電流檢測雙判據原理，綜合弧光保護和高速通信網絡技術，吸收弧光保護、失靈保護、電流保護的特點，從光纖弧光傳感器檢測到故障電弧光，到出口報警跳閘的時間小于4ms，遠遠快于傳統的繼電保護裝置[1,2]。

1　電弧產生的原因及危害

1.1電弧產生的原因

電弧光產生的原因主要有以下幾方面：

(1)誤入帶電間隔，隔離開關誤操作，母線接線錯誤，設備正常檢修后，遺漏工器具在開關設備內等人為原因；

(2)中低壓開關柜無母線保護，出線多，操作頻繁，絕緣材料爬距不足，達不到加強絕緣要求，設備故障，絕緣老化，機械磨損；

(3)小動物(尤其是老鼠)、灰塵、溫度、濕度及腐蝕等環境因素；

(4)系統容量增大，接地方式改變，雷電襲擊，裝置配置不當引起諧振過電壓。

1.2電弧產生的危害

電弧的產生通常伴隨著巨大的光能和熱能釋放，造成開關設備中壓力和溫度迅速增加，如不及時切除、將造成重大危害。

電弧中心溫度約為20000℃，高溫導致電纜熔毀，電纜護套著火，銅排、鋁排等器件迅速氣化；空氣過熱膨脹，產生巨大壓力，其壓力波使設備變形、破碎、爆炸，若沖擊波波及站內直流系統將造成全站直流失電；爆破帶來開關設備的劇烈振動，使固定元件松脫；開關柜內電弧持續燃燒，產生大量高溫金屬氣體會造成兩相短路和三相短路；沒有滅弧保護的情況下，往往熔毀開關柜或一整套機組，使其無法修復，損失巨大。

弧光短路釋放巨大的能量還會對附近的工作人員造成嚴重的傷害。高溫會灼傷皮膚；強光刺傷眼睛造成暫時性失明；感應電流會侵害肌肉、神經；高溫使金屬熔化、蒸發并滲透到人體皮膚表層；燃燒產生的有毒氣體會傷害呼吸系統；爆破音會震傷耳膜、內臟等；爆破碎片飛射造成人員傷亡。

電弧光故障的危害程度取決于電弧光電流的大小及切除時間長短，電弧光產生的能量I2t與切除時間T成指數規律快速上升(如圖1)。

從圖1可以看出，要保證設備不受結構性損傷，必須盡量縮短切除時間，當切除時間控制在100ms以內時，可以防止危害繼續擴大，減少損失。

1.3中低壓母線保護現狀

(1)變壓器后備過電流保護，典型保護動作時間為1.2s-2.0s，時間過長；

(2)饋線電流保護閉鎖式母線保護，典型保護動作時間為300ms-500ms，但需更換原有饋線保護，并且仍不能在設備受到嚴重損害前切除故障；

(3)母線差動保護，典型保護動作時間為15ms，但保護范圍受CT安裝位置的限制，接線復雜，成本高施工困難；

(4)傳統弧光保護，典型保護動作時間為8-15ms，但只檢測母線室的弧光信號，回避了最常發生故障的開關柜開關室和電纜室，不能形成對開關柜的全覆蓋保護[3,4]。

2　弧光保護系統

2.1弧光保護系統組成

DPR360ARC弧光保護系統是一個模塊化系統，包括主控單元、電流單元、弧光單元和弧光傳感器，系統組成示意圖如圖2：

圖1　電弧燃燒能量與時間關系曲線

圖2　弧光保護系統組成示意圖

(1)主控單元：系統核心部件，負責輸入量的采集、計算及邏輯判斷，實現系統的各項保護邏輯、與站內監控系統通信、自檢及其他輔助功能。主控單元包含電流檢測和斷路器失靈保護，對短路電流和弧光傳感器動作信息進行處理、判斷，當同時檢測到弧光和過流時，發出跳閘指令切斷故障點。如果進線斷路器未能動作切除故障，斷路器失靈保護邏輯啟動，發出跳閘指令給上級斷路器切除故障。主控單元還根據輔助單元傳送的弧光傳感器動作信息和溫度傳感器測量的溫度，提供弧光故障點的定位信息。

(2)電流單元：用于檢測三相電流信號，安裝在進線電源開關柜中，可就地采集3路電流信息，配置2路快速繼電器、3路常規繼電器用于系統就地跳閘或就近跳閘。通過光纜與主控單元高速通信，將就地采集的進線電源電流信息實時傳送至主控單元，主控單元依據設定的邏輯判斷是否發出跳閘命令。每個主控單元最多可以連接6個電流單元，提高了系統的擴展性和適用性。

(3)弧光單元：安裝在需要保護的位置附近，收集弧光探頭的動作信息并傳送給主控單元，在主控單元上顯示弧光單元和弧光探頭的地址編號，有利于及時檢修和排除故障。主控單元自帶16個弧光專用檢測口，不夠用時可使用弧光單元，每個主控可連接2個弧光擴展器，每個弧光擴展器可接入8個弧光單元，每個弧光單元可接入16個弧光傳感器。

(4)弧光傳感器：光感應元件，在發生弧光故障時檢測突然增加的光強，并通過專用光纖將光信號傳送給弧光單元或主控單元。

系統配置模塊化，可組成只有一個主控單元的簡單系統，或包含多個單元能用于選擇性電弧光保護的復雜系統，滿足了不同場合的弧光保護需求[3,4]。

2.2系統工作原理

(1)主控單元保護邏輯。母線配置的弧光探頭直接接入主控單元，主控單元收到弧光繼電器已動作信號后，若弧光繼電器所屬區域電源點相電流判據滿足或零序電壓判據滿足并且母線弧光傳感器動作，則主控單元根據整定的邏輯跳主變低壓側開關、分段開關，只檢測到弧光信號時發報警信號。

(2)弧光繼電器保護邏輯。電纜室、開關室弧光傳感器直接接至弧光繼電器，當弧光繼電器檢測到本裝置檢測的弧光傳感器動作，且滿足電流判據時，快速動作出口跳本斷路器，并發送該弧光繼電器動作信號至主控單元，作為主控單元邏輯判斷的輔助判據，若只有弧光傳感器動作，則發告警信號。

3　典型配置

對于2條電源進線、2臺主變、兩段母線、單母線分段結構的系統。主控單元采集2臺主變低壓側電流，母聯開關電流共3組電流；每個饋出開關的電纜室、開關室各裝1個弧光傳感器，接至本饋出開關的弧光繼電器，弧光繼電器通過弧光繼電器擴展器接至主控單元，弧光繼電器根據饋出開關所屬母線，在主控單元中分別配置關聯至至1#、2#主變低壓側電流，母聯開關電流關聯所有弧光繼電器。

弧光繼電器動作出口時跳本開關，若開關跳開后弧光繼電器關聯的電流模塊故障電流仍然存在，則啟動主控單元的失靈保護邏輯，跳開弧光繼電器關聯的電流模塊的開關。跳閘時可以選擇使用主控單元中6組出口繼電器，也可選擇各個開關處的電流單元上的出口繼電器就近跳開關。

由于弧光傳感器關聯至與傳感器安裝位置設備直接關聯的電流采集模塊，所以無論在系統分列運行、系統由單主變供電或者系統合環運行，均能夠保證發生故障時主控單元有選擇性的切除主變低壓側開關和母聯開關，提高系統運行的可靠性[5]。

4　總結

弧光保護作為中低壓母線及開關柜開關室、電纜室的主保護，可以全面保護母線及開關，做到整個系統無保護死區，同時采用了保護選擇性技術，實現饋線中置柜的電纜室、開關室、母線室等不同位置發生弧光故障時的選擇性跳閘，避免停電范圍的擴大化，縮小停電范圍，避免不必要的設備損毀和人身安全事故。

弧光保護在電力行業應用廣泛，比如：開關柜內中低壓母線保護、饋線開關柜弧光保護、箱式變電站弧光保護等方面，并可以在樓宇、飛機、輪船、制造業等領域推廣。

參考文獻

[1]張喜玲,楊慧霞,蔣冠前.弧光保護關鍵技術研究[J].電力系統保護與控制,2013.7, 41(14):130-135.

[2]張大勇.電弧光保護的應用及其整定[J].貴州電力技術,2015.11,18(11): 44-46.

[3]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,2010,38 (12):125-128.

[4]吳英俊,陳琳燦,章廣清,陳成優,范宏.應用于中低壓母線側的弧光保護系統[J].上海電力學院學報,2013.2,29(1):25-29.

[5]丁北平,陳東海,嚴浩軍,王 磊,姜子庠.變電所中置柜短路故障分析及解決方案研究[J].電氣技術,2013(10):57-60.

胥俊巖（1975—），男，河南許昌人，大學本科，高級工程師，國網河南省電力公司許昌供電公司，主要研究方向：電力系統自動化，繼電保護。

作者簡介：