電弧光保護系統(tǒng)在35KV及以下開關(guān)柜保護中的應(yīng)用分析

摘要：指出了電弧光產(chǎn)生的因素及危害，以光電式電弧光保護為例介紹電弧光保護系統(tǒng)的組成及特點，結(jié)合實際工程應(yīng)用分析了電弧光保護的動作邏輯及故障時保護的動作過程，提出了作為一種新型保護裝置，電弧光保護原理簡單、動作可靠且速度較快，可以很好地應(yīng)用于35kV及以下開關(guān)柜保護中。

關(guān)鍵詞：電弧光；保護；故障

安科瑞汪洋/汪小姐/汪女士（銷售專員）聯(lián)系方式：18702106706

0引言

隨著我國電力系統(tǒng)的發(fā)展，6～35kV開關(guān)柜的應(yīng)用數(shù)量越來越多，由開關(guān)柜弧光短路故障引發(fā)低壓母線故障日益增多，弧光短路嚴重?zé)龤ч_關(guān)設(shè)備的事故時有發(fā)生，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，這些事故若處理不當甚至?xí)U大發(fā)展為輸電網(wǎng)事故，造成重大經(jīng)濟損失。開關(guān)柜IEC298標準規(guī)定內(nèi)部燃弧耐受時間是100Ills，即開關(guān)柜可承受的電弧燃燒時間為100ms。發(fā)生弧光故障，在斷路器動作跳閘切斷故障前，短路電弧一直在燃燒，電弧燃燒的持續(xù)時間為保護動作時間加斷路器跳閘時間之和。從開關(guān)柜方面考慮，要求保護動作時問應(yīng)小于100ms切除故障，以防止弧光短路故障進一步發(fā)展擴大造成更大的損害。對于變壓器規(guī)定110kV及以上電壓等級的變壓器熱穩(wěn)定允許時間為2．0S，動穩(wěn)定時間為0．25S。實際由于靈敏度等原因，變電站低壓側(cè)出口短路依靠主變壓器后備過流保護切除故障的動作時間往往在2S以上，離0．25S的變壓器動穩(wěn)定時間相差甚遠，由此造成主變壓器的損壞，同時危及母線、開關(guān)等設(shè)備。因此，為保證主變壓器及母線、開關(guān)等設(shè)備的安全運行，有必要在變電站低壓開關(guān)柜裝設(shè)快速、可靠的保護裝置。

1電弧光產(chǎn)生的原因及特點

當兩電*問電壓升高時，在電**近處空氣中的正負離子被電場加速，在移動的過程中與其他空氣分子碰撞產(chǎn)生新的離子，這種離子大量增加的現(xiàn)象稱為“電離”。空氣被電離的同時，溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧，這種放電稱為電弧光放電。電弧光放電一般不需要很高的電壓，屬于低電壓大電流放電。它產(chǎn)生的條件是小間隙和大電流，如果增加間隙或減小電流，電弧將會消失。產(chǎn)品因絕緣損壞、元件老化、過電壓、污染、腐蝕、柜體結(jié)構(gòu)不合理、維護不到位、人為失誤等因素均可導(dǎo)致故障電弧光的產(chǎn)生。故障電弧發(fā)展迅速、破壞力大、*易傳播，電弧溫度超過10000℃，弧光的光強度可超過正常的照明光強2000倍。當發(fā)生電弧光短路故障時有兩個顯著特征：電流，光強。

2電弧光保護介紹

電弧光保護是根據(jù)35kV及以下開關(guān)柜故障時的特征而開發(fā)的保護裝置，它采用檢測弧光和過流雙判據(jù)原理，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)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，是變電站低壓開關(guān)柜很好的保護配置。本文主要以電弧光保護系統(tǒng)為例來介紹，該電弧光保護系統(tǒng)使用光纖檢測電弧光信號，配合過流判據(jù)，其快速繼電器(采用可控硅開關(guān))出口時間小于1ms，而常規(guī)繼電器出口時間小于8ms，如果加上斷路器35～6Oms的跳閘時間，即能夠有效保護主變壓器及母線、開關(guān)等設(shè)備。

2．1電弧光保護系統(tǒng)主要特點

a)采用弧光檢測及過流檢測雙判據(jù)原理，動作可靠。

b)弧光檢測采用無源弧光探頭，光纖傳輸長達100m，抗電磁干擾能力強。

c)采用光纖傳輸跳閘指令，可控硅開關(guān)出口，動作時間小于1ms。

d)顯示故障位置，便于故障處理，提高恢復(fù)供電速度。

2．2系統(tǒng)組成

主要由主控單元、弧光單元、電流單元組成，單元之間用光纜線和數(shù)據(jù)傳輸線連接。電弧光保護系統(tǒng)采用微處理器控制系統(tǒng)功能，通過編程可匹配不同的運行方式。

2．3各單元功能

2．3．1主控單元

管理控制整個系統(tǒng)，主控單元通過檢測過電流和弧光動作信號，對收集的數(shù)據(jù)進行處理、判斷，發(fā)出跳閘信號以切除故障。系統(tǒng)只有同時檢測到弧光和過流時才發(fā)出跳閘命令。僅有弧光動作信號或者過電流信號，系統(tǒng)不會輸出跳閘命令，但是在主控單元上會顯示報警信號。

主控單元具備可編程邏輯功能，可直接操作4個斷路器。通過快速繼電器能夠同時操作更多的斷路器。主控單元有4個數(shù)據(jù)傳輸接口，每個接口可聯(lián)結(jié)6個弧光或電流單元，共可接24個弧光或電流單元。所有接口都能用不同的參數(shù)編程。通過主控單元中的顯示，可以準確判斷電弧光和過流的位置。

2．3．2弧光單元

通過安裝在開關(guān)柜內(nèi)的弧光傳感器(弧光探頭)，把弧光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出至主控單元，作為保護動作的一個判據(jù)。

2．3．3電流單元

通過對進線電流的檢測，把過電流信號輸出至主控單元，作為保護動作的一個判據(jù)。

3實際應(yīng)用分析

3．1某變電站35kV系統(tǒng)電弧光保護配置如圖1所示。

35kVI段、Ⅱ段各配置一套電弧光保護裝置BH1和BH2，兩套保護之間采用光纖通訊聯(lián)系。

圖1電弧光保護配置圖

兩套保護裝置分別安裝于1號及2號主變35kV開關(guān)柜內(nèi)，電弧光傳感器安裝在各開關(guān)柜母線室內(nèi)，以確保母線室內(nèi)發(fā)生任何弧光故障時都能感受弧光，發(fā)出動作信號。

3．2電弧光保護動作邏輯分析

圖2為一臺電弧光保護裝置邏輯圖，對側(cè)另一臺弧光保護裝置邏輯圖與此相同。

圖2電弧光保護裝置邏輯圖

動作分析如下。本側(cè)弧光信號動作，H1動作，同時本側(cè)過流起動，Y2動作，通過快速接點(可控硅開關(guān))跳進線開關(guān)。對側(cè)弧光信號動作輸入本裝置，同時本側(cè)過流起動，Y1動作，通過快速接點(可控硅開關(guān))跳分段開關(guān)。本側(cè)弧光信號動作、對側(cè)弧光信號動作、本側(cè)

過流起動任一條件滿足，H2動作，裝置發(fā)弧光或過流報警信號。本側(cè)弧光信號動作，H1動作，經(jīng)SC1把該信號通過光纖傳至對側(cè)弧光保護裝囂，作為對側(cè)弧光保護動作的一個判據(jù)。

3．3不同運行方式下保護動作分析

如圖3所示。

圖3電弧光保護裝置動作示意圖

3．3．1運行方式一

1DI3DI合位，2DI分位，由1號變帶I、Ⅱ段母線。如故障發(fā)生在K2處，l號保護裝置BH1收到2號保護裝置BH2發(fā)來的Ⅱ段弧光動作信號，同時本側(cè)過流起動，保護跳3DI切除故障。BH2由于本側(cè)電流不起動，保護不動作。動作結(jié)果是切除Ⅱ段母線，l段正常供電。如故障發(fā)生在K1處，l號保護裝置BH1收到本側(cè)發(fā)的I段弧光動作信號，同時本側(cè)過流起動，保護跳1DI切除故障。BH2由于本側(cè)電流不起動，保護不動作。動作結(jié)果是切除I、JI段母線。

3．3.2運行方式二

2DI、3DI合位，11)L分位，由2號變帶I、Ⅱ段母線。如果故障發(fā)生在K1處，2號保護裝置BH2收到1號保護裝置BH1發(fā)來的I段弧光動作信號，同時本側(cè)過流起動，保護跳3DL切除故障。BHJ由于本側(cè)電流不起動，保護不動作。動作結(jié)果是切除I段母線，Ⅱ段正常供電。如果故障發(fā)生在K2處，2號保護裝置BH2收到本側(cè)發(fā)的Ⅱ段弧光動作信號，同時本側(cè)過流起動，保護跳2DI切除故障。BH1由于本側(cè)電流不起動，保護不動作。動作結(jié)果是切除l、Ⅱ段母線。

3．3．3運行方式三

1DI2DI3DI合位，由1號、2號變同時帶I、Ⅱ段母線。如果故障發(fā)生在K1處，2號保護裝置BH2收到】_號保護裝置BH1發(fā)來的I段弧光動作信號，同時本側(cè)過流起動，保護動作跳3DI；1號保護裝置BH1收到本側(cè)發(fā)的l段弧光動作信號，同時本側(cè)過流起動，保護動作跳1DI。動作結(jié)果是切除l段母線，Ⅱ段正常供電。如果故障發(fā)生在K2處，1號保護裝置BH1收到2號保護裝置BH2發(fā)來的Ⅱ段弧光動作信號，同時本側(cè)過流起動，保護動作跳3DI；2號保護裝置BH2收到本側(cè)發(fā)的I1段弧光動作信號，同時本側(cè)過流起動，保護動作跳2DI。動作結(jié)果是切除Ⅱ段母線，I段正常供電?？梢?，在各種運行方式下，電弧光保護裝置具有很好的選擇性，可以快速地切除故障點，同時保證正常母線供電。

4電弧光保護的整定及應(yīng)用注意事項

4．1整定本保護裝置有兩個定值，即過電流定值、光強度定值。

過電流定值通過裝扳上的電位器整定，整定范圍是(50～500)×J，，為電流互感器二次額定電流值，裝置的額定電流可以設(shè)置為5A或1A。低壓側(cè)母線發(fā)生故障時短路電流可達到幾千乃至上萬安培電流，出廠定值為250×。光強度定值通過裝置面板上的電位器整定，整定范圍是1O～50klux(1ux勒克司，照度單位，為距離一個光強1cd的光源，在1m處接受的照明強度)。當開關(guān)柜發(fā)生弧光短路時，光強度可達到100klux，出r一定值為30klUX。當對保護裝置進行試驗時，可將定值調(diào)為10klux，此時用強光手電筒近距離照射弧光傳感器探頭，可發(fā)出弧光動作信號，試驗完畢應(yīng)將定值調(diào)回。

4．2應(yīng)用注意事項

光強度定值整定30klux時，一般的環(huán)境光線甚至強光手電筒照射也難以啟動弧光傳感器，不必擔(dān)心弧光傳感器誤動作。發(fā)生開關(guān)柜區(qū)外出口附近短路時，短路電流很大，有可能過流起動，但是沒有弧光動作信號，保護裝置只是發(fā)出過流起動信號而不跳閘出口，運行值班人員可以根據(jù)裝置面板上信號燈進行分析判斷。同時本側(cè)過流起動，保護動作跳3DI；1號保護裝置BH1收到本側(cè)發(fā)的l段弧光動作信號，同時本側(cè)過流起動，保護動作跳1DI。動作結(jié)果是切除l段母線，Ⅱ段正常供電。如果故障發(fā)生在K2處，1號保護裝置BH1收到2號保護裝置BH2發(fā)來的Ⅱ段弧光動作信號，同時本側(cè)過流起動，保護動作跳3DI；2號保護裝置BH2收到本側(cè)發(fā)的I1段弧光動作信號，同時本側(cè)過流起動，保護動作跳2DI。動作結(jié)果是切除Ⅱ段母線，I段正常供電。可見，在各種運行方式下，電弧光保護裝置具有很好的選擇性，可以快速地切除故障點，同時保證正常母線供電。

5電弧光保護的整定及應(yīng)用注意事項

5．1整定本保護裝置有兩個定值，即過電流定值、光強度定值。

過電流定值通過裝扳上的電位器整定，整定范圍是(50～500)×，，為電流互感器二次額定電流值，裝置的額定電流可以設(shè)置為5A或1A。低壓側(cè)母線發(fā)生故障時短路電流可達到幾千乃至上萬安培電流，出廠定值為250×。光強度定值通過裝置面板上的電位器整定，整定范圍是1O～50klux(1ux勒克司，照度單位，為距離一個光強1cd的光源，在1m處接受的照明強度)。當開關(guān)柜發(fā)生弧光短路時，光強度可達到100klux，出r一定值為30klux。當對保護裝置進行試驗時，可將定值調(diào)為10klux，此時用強光手電筒近距離照射弧光傳感器探頭，可發(fā)出弧光動作信號，試驗完畢應(yīng)將定值調(diào)回。

5．2應(yīng)用注意事項

光強度定值整定30klux時，一般的環(huán)境光線甚至強光手電筒照射也難以啟動弧光傳感器，不必擔(dān)心弧光傳感器誤動作。發(fā)生開關(guān)柜區(qū)外出口附近短路時，短路電流很大，有可能過流起動，但是沒有弧光動作信號，保護裝置只是發(fā)出過流起動信號而不跳閘出口，運行值班人員可以根據(jù)裝置面板上信號燈進行分析判斷。

6安科瑞ARB6產(chǎn)品功能

注：√表示具備此功能，■表示可選功能。

6.1產(chǎn)品選型指標配置

外形		型號	指標	配置
		ARB6-A6	動作時間： 弧光單判據(jù)≤3.8ms 弧光電流雙判據(jù)≤7.8ms	0.4kV~35kV：每段母線配置1臺主機。
		ARB6-A12
		ARB6-A18
		ARB6-A24
		ARB6-A30
		選配	*2、3路以太網(wǎng)接口
		ARB-S0	無源型廣角寬光譜探頭 （不含電池、免維護） 自帶濾光功能 全絕緣、不含金屬成分 （沒有電氣安全隱患） 配套雙股阻燃光纖（20米）	高壓柜：母線室配置1個弧光探頭，手車室和電纜室可按需各配置1個弧光探頭。 低壓柜：正對主母排處配置1個弧光探頭。
		ARB-S1	無源型廣角紫外光探頭 （不含電池、免維護） 自帶濾光功能 ST標準接口 （國網(wǎng)應(yīng)用） 配套雙股阻燃光纖（20米）

6.2開孔尺寸

6.2.1ARB6弧光保護裝置安裝位置和開孔尺寸。

ARB6弧光保護裝置安裝時需考慮開關(guān)柜安裝空間，與保護范圍內(nèi)電源進線回路的TA回路連接、保護跳閘回路連接，原則上采用就近安裝方式，避免TA采集回路、跳閘回路連線過長，一般安裝于主變壓器中、低壓側(cè)進線柜或TV柜柜門上，建議采用面板開孔安裝。

ARB6弧光保護裝置外形和開孔尺寸如下。（尺寸單位：mm）

左視圖正視圖開孔圖

6.2.2ARB-S弧光探頭固定方式和開孔尺寸

ARB-S弧光探頭固定在卡扣支架上，卡扣支架需要開孔安裝?？壑Ъ艿拈_孔尺寸為20mm（直徑）。

6.3探頭安裝位置

6.3.1母線室弧光探頭安裝

6.3.2手車室弧光探頭安裝

6.3.3電纜室弧光探頭安裝

7結(jié)束語

隨著微機和光電技術(shù)的發(fā)展，各種新型原理的保護裝置不斷出現(xiàn)，電弧光保護作為一種針對低壓開關(guān)柜故障特性開發(fā)的保護裝置，原理簡單，動作進行規(guī)范完善，并注重工作人員的技術(shù)培訓(xùn)工作。在對行架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的線路進行測溫時，要充分應(yīng)用技術(shù)分析，選擇適當?shù)臏y溫角度和測溫點，以減小測量誤差。同時要加強操作人員對設(shè)備的熟悉掌握程度，使工作人員能夠準確讀取紅外測溫儀上的讀數(shù)，確保測溫結(jié)果的正確性。

審核編輯 黃宇