基于AVAGO弧光檢測的低壓母線保護(hù)系統(tǒng)的解決方案

1. 概述

在電力系統(tǒng)中，35kV及以下電壓等級的母線由于沒有穩(wěn)定問題，一般未裝設(shè)母線保護(hù)。然而，由于中低壓母線上的出線多，操作頻繁，三相導(dǎo)體線間距離與大地的距離比較近，容易受小動物危害，設(shè)備制造質(zhì)量比高壓設(shè)備差，設(shè)備絕緣老化和機(jī)械磨損，運(yùn)行條件惡劣，系統(tǒng)運(yùn)行條件改變，人為和操作錯誤等原因，中低壓母線的故障幾率比高壓、超高壓母線高得多。但長期以來，人們對中低壓母線的保護(hù)一直不夠重視，大多采用帶有較大延時的后備保護(hù)來切除母線上的故障，往往使故障被發(fā)展、擴(kuò)大，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

近年來，由于各種原因開關(guān)設(shè)備被嚴(yán)重?zé)龤В械纳踔涟l(fā)展成“火燒連營”的事故時有發(fā)生。而主變壓器由于遭受外部短路電流沖擊損壞的事故也逐年增加，這些配網(wǎng)事故處理不當(dāng)甚至被擴(kuò)大發(fā)展為輸電網(wǎng)事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，已引起電力部門的廣泛關(guān)注。究其原因大多是因?yàn)闆]有裝設(shè)中低壓母線保護(hù)，未能快速切除故障造成的。所以，為了保證變壓器及母線開關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行，根據(jù)繼電保護(hù)快速性的要求，迫切需要配置專用中低壓母線保護(hù)。

2.電弧光產(chǎn)生的原因

1）開關(guān)設(shè)備內(nèi)電弧光產(chǎn)生的人為原因有：

？ 誤入帶電間隔；

？ 隔離開關(guān)誤操作；

？ 帶接地線合閘；

？ 忘記測量工作區(qū)內(nèi)的電壓等。

2） 開關(guān)設(shè)備內(nèi)電弧光產(chǎn)生的技術(shù)原因有 ：

？ 設(shè)備故障和帶電設(shè)備的誤操作；

？ 設(shè)備正常檢修后，遺漏工具在開關(guān)設(shè)備內(nèi)；

？ 錯誤的接線和母線連接 ；

？ 絕緣老化、機(jī)械磨損、過電壓、小動物（尤其是老鼠）、灰塵、溫度、濕度及腐蝕等環(huán)境因素。

2.1電弧光的危害

？ 開關(guān)設(shè)備內(nèi)部間隔發(fā)生故障而產(chǎn)生的電弧光造成開關(guān)設(shè)備中的壓力和溫度迅速增加，如不及時切除 將造成以下重大危害：

？ 電弧光中心溫度相當(dāng)于太陽表面溫度的 2 倍，約為 20000 ℃，由于過熱將導(dǎo)致銅排、鋁排熔毀氣化；

？ 電纜熔毀，電纜護(hù)套著火；

？ 過熱導(dǎo)致壓力上升，使開關(guān)設(shè)備爆炸；

？ 開關(guān)設(shè)備劇烈振動，使固定元件松脫；

？ 使上一級變壓器承受近距離短路故障沖擊，故障電流產(chǎn)生的電動力可能導(dǎo)致變壓器繞組變形發(fā)生匝間短路；

？ 故障產(chǎn)生的弧光沖擊波以 300m/s 的速度爆發(fā)， 可摧毀途中的任何物質(zhì)， 若波及站內(nèi)直流系統(tǒng)造成全站直流失電，將造成無法彌補(bǔ)的重大損失；

？ 高溫灼傷皮膚，強(qiáng)光刺傷眼睛；

？ 爆破音振損傷耳膜，肺臟；

？ 爆炸碎片飛射，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(chǎn)生的能量與切除時間 T成指數(shù)規(guī)律快速上升（見圖一） 。

IEC298標(biāo)準(zhǔn)附錄AA中規(guī)定的內(nèi)部燃弧時間是100ms，目前市場上銷售的開關(guān)柜基本上是按照IEC298標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的，也就是說，開關(guān)柜可以承受的電弧燃燒時間為100ms。由于發(fā)生弧光故障在斷路器動作前，故障短路電弧是一直在燃燒的，即保護(hù)動作時間加上斷路器分閘時間之和，即為電弧燃燒的持續(xù)時間。也就是說，從保護(hù)開關(guān)柜方面考慮，保護(hù)動作時間應(yīng)在小于100ms切除故障以防止弧光短路故障進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大造成更大的危害。

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，一些地區(qū)110kV及以上等級的變壓器遭受短路故障電流沖擊直接導(dǎo)致?lián)p壞的事故，約占全部事故的50%以上，與前幾年統(tǒng)計(jì)相比呈大幅度上升的趨勢。這類故障的案例很多，特別是變壓器低壓側(cè)出口（低壓母線）短路時形成的故障一般需要更換繞組，嚴(yán)重時可能要更換全部繞組，從而造成十分嚴(yán)重的后果和損失。

國標(biāo)規(guī)定的110kV及以上電壓等級的變壓器的熱穩(wěn)定允許時間為2秒，動穩(wěn)定時間為0.25秒。但實(shí)際上，在低壓側(cè)出口短路故障靠過流后備保護(hù)切除的動作時間往往在2秒以上，離 0.25秒的變壓器的動穩(wěn)定時間相差甚遠(yuǎn)。所以，可以說，繼電保護(hù)的不完善也是造成變壓器損壞的重要原因。

目前針對近區(qū)（低壓母線）短路故障引起變壓器損壞的保護(hù)的動作時間太長，遠(yuǎn)大于變壓器允許承受的短路電流持續(xù)時間，顯然不能滿足保護(hù)變壓器的要求，迫切需要改善變壓器保護(hù)，使其保護(hù)動作滿足小于變壓器允許動穩(wěn)定時間0.25秒的要求。

3.開關(guān)柜弧光短路故障的防護(hù)措施

3.1消極性防護(hù)措施

采用這種措施的目的是限制故障電弧產(chǎn)生的各種效應(yīng)，如加強(qiáng)開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)，密封隔離各單元室、設(shè)置釋放板和泄壓通道等。采用這種措施在一定程度上能減少損壞程度；另一方面，如果要采用通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的方式來較大地提高開關(guān)柜的燃弧耐受時間的話，則需要增加很大的設(shè)備費(fèi)用。下表為國外對增加開關(guān)柜內(nèi)部燃弧耐受時間和相應(yīng)增加成本進(jìn)行評估的結(jié)果。

3.2積極性防護(hù)措施

采用高速專用中壓母線保護(hù)切除故障以限制故障電弧的持續(xù)時間，從根本上限制故障電弧，消除其各種效應(yīng)對設(shè)備和人員的危害。如果中低壓母線保護(hù)能在開關(guān)柜耐受燃弧時間以內(nèi)切除故障的話，將最大限度地限制弧光故障對開關(guān)設(shè)備的損壞；從另一方面看，限制開關(guān)設(shè)備的損壞，即阻斷了故障發(fā)展的可能性，從而可避免主變壓器長時間遭受短路電流的沖擊而損壞。這也是目前迫切需要的最有效的限制弧光短路故障損壞開關(guān)設(shè)備及變壓器的防護(hù)措施。

弧光傳感在積極防護(hù)中是目前一種新技術(shù)，也是高效的?；」?a target="_blank">傳感器安裝在開關(guān)柜各間隔室中，可實(shí)現(xiàn)對由簡單到各種復(fù)雜接線中、低壓開關(guān)柜提供有選擇性的保護(hù)?；」鈧鞲衅髯鳛楣飧袘?yīng)元件，將檢測在發(fā)生弧光故障時突然增加的光強(qiáng)，并將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號傳送給輔助單元。

AVAGO弧光檢測覆蓋的范圍是300到800nm的光譜的光線，對弧光的檢測通過一部分裸纖對光的感應(yīng)，形成一個信號的回饋。

不同的光線光能量以及傳輸距離不一樣，幾種典型光線對比：

目前AVAGO用于弧光檢測的幾個器件的型號：

下圖為SFH250的敏感度和光波長的波形：

下圖為HFBR-24X6Z的標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)時間：

AVAGO的弧光檢測系統(tǒng)分點(diǎn)檢測方式和路鏈檢測方式兩種：

點(diǎn)檢測：

弧光檢測的最小集成系統(tǒng)：

6.結(jié)語

隨著現(xiàn)代微機(jī)和光電子技術(shù)的發(fā)展，各種新型母線保護(hù)原理和裝置不斷出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)中低壓專用母線保護(hù)提供了各種解決方案。電弧光保護(hù)作為一種針對中壓開關(guān)柜故障特性開發(fā)的中低壓母線保護(hù)系統(tǒng)，具有原理簡單、動作可靠迅速、對變電站一次設(shè)備無特殊要求、適應(yīng)于各種運(yùn)行方式、且在各種運(yùn)行方式下保護(hù)不需要切換等優(yōu)點(diǎn)，為用戶提供了一個理想的中低壓母線保護(hù)解決方案。

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