淺談電弧光保護在（3~10kV）廠用系統中低壓母線保護的應用

鐘曉鵬

摘要 ：傳統的（3～10kV）中壓、低壓母線保護方案不能快速有效地切除短路故障，降低對人身和設備安全的危害，本文介紹了一種采用弧光檢測和高速過流檢測雙重判據的中低壓母線保護方案。

關鍵詞：發電廠;開關柜;母線;電弧光保護

1.概述

隨著工業現代化的發展和電力裝備技術的進步，中低壓廠用電系統負荷也越來越大，將中、低壓成套組合開關柜通過母排硬連接的越來越多，當開關柜內發生弧光短路故障時，將使連結在故障母線上的所有設備解列，還有可能波及其它設備，造成事故范圍擴大。

在中性點不接地的電力網的運行中，出現單相接地后，允許帶接地點運行的時間一般不超過2小時，這提高了供電的穩定性，但非故障相對地電壓升高為線電壓，對系統絕緣不利。高阻抗類型的接地故障能延長接地故障保護的動作時間，導致了弧光能量相當大的累積。由于母線短路故障電流大，持續時間長，后備保護延時長或拒動等原因，導致故障切除時間延長，增加了對設備和電力系統的危害。

我國現行的繼電保護和安全自動裝置技術規程，對35 kV及以下的母線一般未配置專門的保護，而是由發電機或變壓器的后備過流保護來切除母線短路故障，為了保證其選擇性，其動作時限需要按照時間階梯原則配合，即自負荷側到電源側的動作時限逐級拉長，典型的保護動作時間一般為1.2～1.4 s甚至更長達2.0s以上，遠不能滿足在100ms內快速切除故障的要求。

2.中低壓母線短路故障的危害

在開關柜中發生故障的直接表現形式是電弧光放電燃燒，弧光發生點的溫度是35.000°F，為太陽表面溫度的4倍。電弧光形成后可以300m/s的速度爆發，爆破壓和高溫不僅嚴重損壞故障設備本身，造成開關柜內金屬汽化、電纜熔毀、盤體變形，還可能迅速擴散到相鄰柜體，只要系統中不斷電，燃弧就會一直存在。由于周圍空氣被電離的作用，電阻降低趨近于零，受損的嚴重程度與故障電流大小及燃弧時間有關，由于發生弧光故障在斷路器動作前，故障短路處電弧是一直在燃燒的，保護動作時間加上斷路器動作時間之和，即為電弧燃燒的持續時間。

國外一般采用IEC298中附錄AA中指定的100ms的內部電弧額定時間作為電弧故障防護標準，它指的是開關柜可以承受的內部電弧燃燒時間。如果發生開關柜內部故障時保護動作切除故障的時間在100ms以內的話，對開關設備及附近人員的損害可限制到最小。

各種燃弧時間對設備造成的破壞作用如下：1）35 ms沒有顯著的損壞，一般可以在檢驗絕緣電阻后投入使用;2）100 ms損壞較小，在開關柜再次投入運行以前需要進行清潔或進行小的修理;3）500 ms設備損壞很嚴重，在現場的人員也會受到嚴重的傷害，必須更換部件后再投入運行。

根據繼電保護快速性的要求，在開關柜耐受燃弧時間以內快速切除故障，最大限度地限制電弧燃燒釋放的能量，是最有效的限制弧光短路故障損壞開關設備及變壓器的防護措施。

3.電弧光中低壓母線保護系統

電弧光保護作為一種針對中低壓母線系統運行特點開發的系統，可以在開關柜發生弧光故障的時候，迅速動作，最大限度地減少弧光的危害。

1）電弧光保護的原理

開關柜內發生短路故障時，燃弧伴隨著多種物理特性，通過檢測這些特征量的變化，來判斷是否發生故障。電弧光保護是基于檢測內部故障時發出的弧光為主，在實際應用中為了防止誤動作還引入了過流信號閉鎖條件。采用這種新原理的保護所提供動作時間為5 ～ 7ms，加上斷路器的固有動作時間，對于開關柜各單元室的故障總清除時間可保證在100ms以內，并留有一定的裕度。

電弧光保護由三部分組成：保護主單元、I/O輔助單元、弧光傳感器。保護主要判定依據為故障產生的兩個不同因素：弧光及電流增量。

主單元作為控制中心包含有電流檢測和斷路器失靈保護功能，它通過檢測支路電流和來自弧光傳感器的動作信息，對收集的數據進行處理、判斷，在滿足跳閘條件時發指令以切除故障。主單元一般安裝在電源進線柜中，每個主單元可接入多個輔助單元，它與輔助單元采用總線通信，以實現有選擇性的切除母線故障。

安裝在開關柜中的輔助單元可接入多個弧光傳感器，當系統發生短路故障時，輔助單元收集來自弧光傳感器的動作信息并傳送給主單元，在主單元上顯示輔助單元和弧光傳感器的地址編號，有利于及時準確地定位故障開關柜，為檢修提供信息。

傳感器安裝在開關柜的母線室內，它作為光感應元件，將檢測在發生弧光故障時突然增加的光強，并將光信號轉換成電流信號傳送給輔助單元。通過弧光傳感器實現對保護分區的覆蓋，交換弧光和過流動作信息，可向各段母線提供有選擇性的保護，適用于各種運行方式。

2）電弧光保護的作用

保護附近工作人員免受電弧故障物理效應的傷害;限制燃弧時間，令元器件損壞程度降低至最小;減少開關柜的維修費用，延長設備壽命;定位故障點，最大限度地減少停電時間，盡快恢復生產;保護變壓器免受長期短路沖擊電流而損壞，避免事故擴大;

3）電弧光保護對比傳統保護方案配置：

電弧光保護切除故障總時間為80～100 ms，并且不會給開關設備外觀上造成明顯損壞，遠遠小于變壓器后備過流保護的保護動作時間，在發生電弧光故障的開關柜內的設備嚴重受損之前，就可以及時切除供給的短路電流，使損失降到最小。電弧光保護裝置是針對中低壓母線運行方式的保護裝置，饋線回路數量可擴充，動作時間較快，誤動的可能性較小，可靠性高，并且具有故障定位功能。而變壓器后備過流保護并不具備故障定位功能。由于變壓器后備過流保護不需要單獨裝置，已包括在發變組保護裝置中，而電弧光保護需要專門配置，現場工作量較大。

4.結語

電弧光保護作為一種針對中壓開關柜故障特性開發的中低壓母線保護系統，具有原理簡單、靈敏度高、動作可靠迅速、對一次設備無特殊要求、適應于各種運行方式等優點，限制了短路故障弧光所造成的危害，提高了故障處理速度，將事故的損失降到最低，保證了設備的可靠運行和供電的連續性，滿足廠用電系統的安全及經濟運行的要求。

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（四川省水利規劃研究院，四川 成都 610072）