基于AVAGO弧光檢測的低壓母線保護系統(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，一般未裝設母線保護。然而，由于中低壓母線上的出線多，操作頻繁，三相導體線間距離與大地的距離比較近，容易受小動物危害，設備制造質(zhì)量比高壓設備差，設備絕緣老化和機械磨損，運行條件惡劣，系統(tǒng)運行條件改變，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一直不夠重視，大多采用帶有較大延時的后備保護來切除母線上的故障，往往使故障被發(fā)展、擴大，從而造成巨大的經(jīng)濟損失。

近年來，由于各種原因開關設備被嚴重燒毀，有的甚至發(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)事故處理不當甚至被擴大發(fā)展為輸電網(wǎng)事故，造成重大的經(jīng)濟損失，已引起電力部門的廣泛關注。究其原因大多是因為沒有裝設中低壓母線保護，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設備的安全運行，根據(jù)繼電保護快速性的要求，迫切需要配置專用中低壓母線保護。

2.電弧光產(chǎn)生的原因

1）開關設備內(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） 開關設備內(nèi)電弧光產(chǎn)生的技術原因有 ：

？ 設備故障和帶電設備的誤操作；

？ 設備正常檢修后，遺漏工具在開關設備內(nèi)；

？ 錯誤的接線和母線連接 ；

？ 絕緣老化、機械磨損、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

？ 開關設備內(nèi)部間隔發(fā)生故障而產(chǎn)生的電弧光造成開關設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于太陽表面溫度的 2 倍，約為 20000 ℃，由于過熱將導致銅排、鋁排熔毀氣化；

？ 電纜熔毀，電纜護套著火；

？ 過熱導致壓力上升，使開關設備爆炸；

？ 開關設備劇烈振動，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，將造成無法彌補的重大損失；

？ 高溫灼傷皮膚，強光刺傷眼睛；

？ 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標準附錄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柜基本上是按照IEC298標準生產(chǎn)的，也就是說，開關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，從保護開關柜方面考慮，保護動作時間應在小于100ms切除故障以防止弧光短路故障進一步發(fā)展擴大造成更大的危害。

據(jù)有關資料統(tǒng)計，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致?lián)p壞的事故，約占全部事故的50%以上，與前幾年統(tǒng)計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，嚴重時可能要更換全部繞組，從而造成十分嚴重的后果和損失。

國標規(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。但實際上，在低壓側(cè)出口短路故障靠過流后備保護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。所以，可以說，繼電保護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的動作時間太長，遠大于變壓器允許承受的短路電流持續(xù)時間，顯然不能滿足保護變壓器的要求，迫切需要改善變壓器保護，使其保護動作滿足小于變壓器允許動穩(wěn)定時間0.25秒的要求。

3.開關柜弧光短路故障的防護措施

3.1消極性防護措施

采用這種措施的目的是限制故障電弧產(chǎn)生的各種效應，如加強開關柜的結(jié)構，密封隔離各單元室、設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結(jié)構的方式來較大地提高開關柜的燃弧耐受時間的話，則需要增加很大的設備費用。下表為國外對增加開關柜內(nèi)部燃弧耐受時間和相應增加成本進行評估的結(jié)果。

3.2積極性防護措施

采用高速專用中壓母線保護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，消除其各種效應對設備和人員的危害。如果中低壓母線保護能在開關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設備的損壞；從另一方面看，限制開關設備的損壞，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設備及變壓器的防護措施。

弧光傳感在積極防護中是目前一種新技術，也是高效的?；」?a target="_blank">傳感器安裝在開關柜各間隔室中，可實現(xiàn)對由簡單到各種復雜接線中、低壓開關柜提供有選擇性的保護?；」鈧鞲衅髯鳛楣飧袘瑢?a target="_blank">檢測在發(fā)生弧光故障時突然增加的光強，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，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的標準響應時間：

AVAGO的弧光檢測系統(tǒng)分點檢測方式和路鏈檢測方式兩種：

點檢測：

弧光檢測的最小集成系統(tǒng)：

6.結(jié)語

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

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