【節(jié)能學(xué)院】淺談中低壓母線裝設(shè)弧光保護的必要性

【摘要】中低壓開關(guān)柜作為電能生產(chǎn)與分配的基礎(chǔ)設(shè)施之一，使用量逐年增加，并且使用場合的復(fù)雜性也在增加。成套開關(guān)設(shè)備中母線故障產(chǎn)生的弧光將燒壞其元器件,從而導(dǎo)致事故擴大,往往造成較大的經(jīng)濟損失,而母線弧光保護正好解決了這個難題，能夠很好地保護開關(guān)設(shè)備并降低損失。

【關(guān)鍵詞】中低壓開關(guān)柜；母線故障；弧光保護

引言

弧光放電不僅會造成停電事故，還會造成設(shè)備性損壞和人身傷害，帶來不可估量的損失?；」夥烹娛鹿适侵械蛪洪_關(guān)柜內(nèi)嚴(yán)重的事故之一，本文就幾個方面來探討中低壓母線裝設(shè)弧光保護的必要性。

重視中低壓母線故障的原因

我國電力發(fā)展建設(shè)已經(jīng)進入大電網(wǎng)、大機組、壓輸電階段，并且對發(fā)電機組的容量要求越來越高，這對電力系統(tǒng)運行提出了更高的要求，因為單臺大機組的運行情況，會直接影響到整個電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性以及經(jīng)濟性。同時，發(fā)電廠的用電系統(tǒng)與運行，對發(fā)電機組的影響也越來越大。由此可以看出，如果中低壓母線出現(xiàn)故障，它會產(chǎn)生弧光，所產(chǎn)生的弧光對電力設(shè)備及人本身的影響大，會造成不同程度的損傷，有時還會引發(fā)“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”。

現(xiàn)行的繼電保護設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，是采用借助于上元件的后備過流的方法來保護，從而切除中低壓系統(tǒng)母線短路的問題，這樣的做法存在弊端。電路故障應(yīng)該在盡可能短的時間得到維修，而這類保護方法會導(dǎo)致維修時間增長，對設(shè)備也有一定的損傷。這些問題如果沒有及時解決，還會引起不同程度的事故，輕則會發(fā)展為輸電網(wǎng)故障，重則會使電力系統(tǒng)出現(xiàn)整體性故障。

產(chǎn)生中低壓弧光故障的因素

中低壓電力系統(tǒng)在運行中發(fā)生的弧光故障事故，多是受到環(huán)境條件的影響，絕緣材料受潮、設(shè)備表面產(chǎn)生凝露和附著污穢，從而使設(shè)備絕緣水平下降引發(fā)事故。

（1）弧光產(chǎn)生的技術(shù)原因

設(shè)備故障和帶電設(shè)備的誤操作，檢修工具遺漏在開關(guān)設(shè)備內(nèi)，錯誤的接線和母線連接，絕緣老化和機械磨損、過電壓，小動物、灰塵、溫度、濕度、腐蝕等環(huán)境因素，容性接地電流擴大等。

（2）弧光產(chǎn)生的人為原因

誤入帶電間隔，隔離開關(guān)誤操作，忘記在工作區(qū)接地，忘記測量工作區(qū)內(nèi)的高壓等。

除此之外，電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)總是在不停地改變，用電負(fù)載在增多，從而導(dǎo)致電纜增多，電量超負(fù)荷，也容易導(dǎo)致故障發(fā)生。

弧光故障事故的危害

弧光產(chǎn)生的溫度可達4500℃，內(nèi)部溫度甚至有10000～20000℃?；」猱a(chǎn)生時大瞬時功率可達到40MW，弧光光強可超過正常照明光強2000多倍。因此中低壓開關(guān)柜內(nèi)因故障而產(chǎn)生電弧時若不能及時采取合理措施，則會產(chǎn)生諸多危害。

（1）對設(shè)備的危害：電弧發(fā)生時產(chǎn)生大量高溫高壓氣體，氣體瞬時沖擊波可造成開關(guān)柜體變形、破碎；沖擊波爆破震動可造成開關(guān)柜劇烈震動，使各連接處緊固件松脫；產(chǎn)生的高溫可引起電纜燃燒、銅排融化、鋁排氣化，甚至將開關(guān)柜外殼金屬融化、元器件嚴(yán)重?fù)p壞并引起火災(zāi)。

（2）對人的危害：高溫灼傷皮膚；熔化的金屬蒸發(fā)并滲入人的皮膚表層造成皮膚金屬化；高強度弧光傷害眼睛，甚至造成角膜脫落；高溫燃燒產(chǎn)生的粉塵和有毒有害氣體損傷呼吸系統(tǒng)；弧光電流作用于人體可使肌肉產(chǎn)生非自主劇烈收縮，也可損傷肌腱、皮膚、血管、神經(jīng)組織等。

電弧產(chǎn)生的能量與I ?t成指數(shù)規(guī)律快速上升，其不僅與故障電流的大小有關(guān)，還與燃弧時間有關(guān)。根據(jù)故障點的不同，通常情況下故障短路電流會在幾千安至幾萬安，故障若不能及時切除以熄滅電弧，則會產(chǎn)生巨大能量。總之，開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部電弧故障，不論是對開發(fā)設(shè)備還是對附近的工作人員，其危險性不可謂不嚴(yán)重。

圖1 電弧能量-時間曲線

弧光保護與傳統(tǒng)保護之間的比較

傳統(tǒng)母線保護方案有如下幾種。

（1）進線過流保護方案

利用微機過流保護實現(xiàn)中低壓開關(guān)柜及其母線保護方案。過流保護動作時間需與各饋線過流保護時間配合，至少在300 ms 以上，動作時間不能滿足快速切除弧光短路故障的要求。

（2）變壓器后備過流保護方案:

該方案是目前應(yīng)用廣泛的中低壓母線保護方案，保護跳閘時間一般整定為1. 2 ～ 2. 0 s，更加不能滿足快速切除中低壓母線和線路故障的要求。

（3）環(huán)流原理的高阻抗母線保護方案:

該方案是專用的母線保護方案，保護動作時間一般為35 ～ 60 ms。但是這種方案接線復(fù)雜、對CT 要求高，安裝在中低壓開關(guān)柜有很多困難，也不經(jīng)濟。此外，由于其保護范圍受到CT 安裝位置的限制，不能保護發(fā)生故障概率較高的電纜接頭處的故障，并且也不能提供故障定位，因此其實用性差。

弧光保護專門用于來保護中低壓開關(guān)柜母線，它的動作時間快，相比于傳統(tǒng)的保護系統(tǒng)，更具優(yōu)越性，它采用弧光和電流閉鎖的方法來進行雙重判斷，增加了可靠性和性。它在發(fā)生故障時，能準(zhǔn)確地定位，可減少維修人員查找故障點的時間，大大減短了維修時間，從而保障事故檢修之后快速恢復(fù)供電。

安科瑞ARB5系列弧光保護裝置

安科瑞ARB5系列弧光保護裝置具有原理簡單、動作可靠迅速、對變電站一次設(shè)備無特殊要求、適應(yīng)于各種運行方式、且在各種運行方式下保護不需要切換等優(yōu)點，為目前發(fā)電廠、變電站、工業(yè)及商業(yè)配電系統(tǒng)0.4kV - 35kV中低壓母線保護理想的解決方案。它通過弧光+電流雙重判據(jù)或弧光單判據(jù)啟動保護，其弧光單判據(jù)動作時間≤7ms；弧光+電流雙判據(jù)動作時間≤20ms，為快速切除中低壓弧光故障提供了技術(shù)支持。

圖2 ARB5弧光保護邏輯原理圖

ARB5弧光保護還具有失靈保護、CT監(jiān)測、弧光故障點定位、弧光光纖鏈路自檢及裝置異常自檢、支持包括IEC61850在內(nèi)的主要行業(yè)內(nèi)通訊協(xié)議等功能。

圖3 ARB5弧光保護典型配置圖

中低壓開關(guān)柜母線弧光保護的應(yīng)用案例

安科瑞ARB5系列弧光保護裝置廣泛應(yīng)用于中低壓開關(guān)柜母線保護。

（1） 某機場10kV開關(guān)柜母線弧光保護

圖4 某機場10kV開關(guān)柜ARB5弧光保護安裝圖

（2） 某工廠0.4kV開關(guān)柜母線弧光保護

圖5 某工廠0.4kV開關(guān)柜ARB5弧光保護安裝圖

結(jié)束語

中低壓系統(tǒng)母線的保護，不僅需要、熟練地掌握技術(shù)，還需要一些保護系統(tǒng)來協(xié)調(diào)配合完成，而弧光保護作為一個理想的解決方法，可以合理地解除故障，減少設(shè)備維護的次數(shù)，提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，提高電力系統(tǒng)的性和可靠性。