一種新型弧光保護裝置

蔣平

摘 要：隨著工業用電和居民用電的需求不斷加強，電網容量不斷提升，中低壓變電站的數量不斷增加，而變電站內開關柜的繼電保護越發重要。傳統繼電保護設備在面對弧光故障時，往往只能采取被動式保護，通過速度較慢的斷路器斷開故障回路來進行保護，保護效果非常有限，對電力設備和運維人員的人身安全造成嚴重威脅。本文在分析如何有效提高弧光故障保護速度的基礎上，設計了一種新型弧光保護系統，技術成熟度較高，易于安裝，可同時滿足舊變電站弧光保護適應性改造和新變電站聯網運行，能夠大大增強中低壓開關柜的可靠性和安全性。

關鍵詞：繼電保護；快速滅弧器；電子檢控裝置；快速接地開關

0 引言

傳統的弧光保護裝置，即使檢測到了弧光故障，也無法快速消除，原因在于其采取的是“故障檢測”—“斷路器跳閘”的工作方式，而主流的斷路器，跳閘動作時間約為80ms，而弧光故障往往在弧光產生后10ms就會對電力設施設備造成實質性破壞，并隨時間呈幾何級數增長，因此無法形成有效保護。隨著電網不斷擴容并朝著智能化方向發展，配電系統越來越復雜，產生弧光故障的幾率越來越大，迫切需要一款能夠充分發揮保護功能，降低、甚至完全消除弧光故障對人員、設備帶來實質性破壞的新型弧光保護裝置。

1 新型弧光保護裝置

1.1 概述

快速滅弧器是一種新型中低壓弧光保護裝置，主要包括電子檢控裝置DTU和快速接地開關PSE。DTU通過電弧光傳感器、電流互感器來實時監測保護區域的弧光信號和保護線路上的電流信號，出現故障時判斷迅速且可靠，同時向PSE發出動作信號。PSE包含三組高壓接地開關，開關的一端分別接入輸電線路的A、B、C三相線路上，另一端接大地，在接收到DTU的保護動作信號后，立即閉合。由于三相金屬性接地短路阻抗遠遠低于電弧故障點的弧阻，大部分故障電流將流向短路點，故障點的弧壓急劇降低，電弧無法持續而立即熄滅，最后通過斷路器來切除相應故障回路。快速滅弧器的保護時間不超過5ms，能快速有效的消除電弧光故障，是目前繼電保護設備中消除電弧故障的最佳解決方案。

1.2 電子檢控裝置DTU

DTU作為快速滅弧器弧光故障檢測的核心部件，其主要功能通過安裝在保護區域各個位置的弧光探頭和連接在母線上的電流互感器，對所保護區域的弧光信號和電流信號進行實時檢測，當信號閾值超過故障門限時，輸出點火信號，驅動快速接地開關PSE閉合，同時向上一級發出斷路器跳閘指示信號；DTU同時需要進行事件記錄和錄波、顯示并反饋用戶需要了解的關鍵信息，并將各類信息通過聯網傳輸至上一級系統。

按硬件功能，DTU分為兩大部分，分別是保護模塊和記錄模塊，其中保護模塊由電源、弧光檢測、弧光拓展、電流檢測、綜合決策、點火驅動、外部反饋7個部分構成，記錄模塊則由數據采集、顯控中心、MMI（人機交互）3個部分組成，兩者在硬件和功能上均相互獨立，保護模塊能夠在2ms內可靠的實現故障信號采集、決策和點火驅動輸出，而記錄模塊則通過控制CPU、數據采集端口和通訊端口，實現DTU工作參數預置、自檢，以及參數和狀態信息的記錄、顯示、回放和上傳，并實現與智能電網的數據交換。

1.3 快速接地開關PSE

PSE是一種燃氣推進式的開關裝置，作為快速滅弧器的執行機構，其主要功能是在啟動弧光故障保護時，將故障母線回路接地，具有關合35千伏壓差的能力，并能在一定時間內承載高達數萬安培的短路電流。PSE的設計充分借鑒了有著幾十年運行經驗的真空滅弧室，內部通過保持較高的真空度，外部則采用高絕緣度陶瓷來提升開關的絕緣能力，確保高壓狀態下不擊穿，而內部開關觸頭則采用低阻抗的高溫耐受材料，短路保護時，能承載一定時間較高的溫度而不發生明顯變形和氣化。PSE采用燃氣推進活塞、使兩端觸頭閉合的運動方式，能確保在極短的時間內（小于3ms）完成閉合動作，這也是快速滅弧器PSE與其他類型開關，如斷路器等的最大不同之處，也是確保整個保護系統能實現有效保護的關鍵。

2 設備安裝及應用

隨著繼電保護設備向就地化、小型化、即插即用為特征的方向發展，對各種類型的保護設備也提出了適應性要求，尤其是目前大量仍然在服役、不具備弧光防護等級的開關柜而言，快速滅弧系統可以在不改變現行柜體結構、布局的前提下實現有效配裝。其中弧光探頭覆蓋主要保護區域，包括斷路器室、電纜室等易發生弧光故障的部位。PSE通過銅排或電纜連接至系統母線或電纜連接端，盡可能的靠近保護范圍的電源側。而DTU可以安裝在系統開關柜低壓室內的標準機柜中，也可單獨安裝在低壓室內或高壓室的墻上。

3 保護效果

由于目前快速滅弧器這一新興弧光保護裝置還沒有正式投入使用，為驗證其保護效果，在國家認證的XIHARI實驗室進行了系統保護模擬測試，試驗流程為：裝置設定為弧光/電流雙判據模式，通過繼電測試裝置施加異變電流信號，弧光標定儀施加模擬弧光信號，PSE母線接線端接入10kV的電壓，當外部輸入滿足DTU的故障判斷門限時，PSE有效關合，此過程中監測外部輸入信號電平和PSE兩端的電平，最終的測試結果為1.54ms，滿足系統要求的10ms保護時間要求。

4 結論

快速滅弧器保護系統在電流、弧光雙判據的基礎上，還可以擴展紅外、聲信號、溫度等多種檢測手段，可進一步增加系統的可靠性。通過PSE短路消弧、斷路器斷流的保護模式，不僅能對設備進行有效保護，相對舊變電站進行弧光保護適應性改造也非常簡單，即插即用，能夠大大增強中低壓開關柜的可靠性和安全性，并可掛網運行，與其他系統進行聯網通訊，是未來智能電網繼電保護設備的重要組成部分。

參考文獻

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