淺聊電弧光保護(hù)系統(tǒng)在中壓保護(hù)母線中應(yīng)用方案

張繼冬

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：中低壓系統(tǒng)一直未裝設(shè)母線保護(hù)，但運(yùn)行情況表明，中低壓母線故障會嚴(yán)重影響到變壓器及母線開關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，中低壓母線保護(hù)需要得到足夠的重視，找到一種快速的保護(hù)裝置是當(dāng)前一項(xiàng)迫切的任務(wù)。電弧光保護(hù)系統(tǒng)就是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生，該裝置已在電力系統(tǒng)中得到了的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：中低壓母線電弧光保護(hù)

0引言

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、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?，并?dǎo)致相關(guān)設(shè)備一并損壞的事故時有發(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)會被擴(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)。

1開關(guān)柜電弧耐受時間

IEC298標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，開關(guān)柜可以承受的電弧燃燒時間為100ms。從保護(hù)開關(guān)柜方面考慮，保護(hù)動作應(yīng)在小于100ms 的時間內(nèi)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。表1為各種電弧燃燒時間下進(jìn)行試驗(yàn)得出的結(jié)論。

表1各電弧燃燒時間下設(shè)備的損壞情況

2弧光短路故障的防護(hù)措施

2.1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。表2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。

表2電弧耐受時間和增加成本的評估

2.2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，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限制因弧光短路故障損壞開關(guān)設(shè)備及變壓器的防護(hù)措施。

3現(xiàn)有的中壓母線保護(hù)

目前普遍采用的中壓母線保護(hù)方案包括：變壓器后備過流保護(hù)方案、饋線過流保護(hù)閉鎖變壓器過流保護(hù)方案、采用環(huán)流原理的高阻抗母線保護(hù)方案。

3.1變壓器后備過流保護(hù)方案。

這是目前國內(nèi)應(yīng)用廣泛的中壓母線保護(hù)方案。由于考慮到與饋線和母線分段開關(guān)的配合，保護(hù)跳閘時間一般整定為1.0~1.4s,有的甚至更長，達(dá)2.0s以上。這一動作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足快速切除中壓母線故障的要求。

3.2饋線過流保護(hù)閉鎖變壓器過流保護(hù)方案。

近年來，微機(jī)過流保護(hù)在中壓饋線廣泛應(yīng)用，國外提出利用饋線過流元件閉鎖變壓器過流保護(hù)的方案，該方案與變壓器后備過流保護(hù)方案相比其動作速度有了一定的提高，典型動作時間為300~400ms。但對于要求100ms 以內(nèi)切除故障仍不能滿足要求。

3.3采用環(huán)流原理的高阻抗母線保護(hù)方案。

國外某些重要工程曾采用專用中壓母線保護(hù)方案，保護(hù)動作時間一般為35~60ms。這種方案接線復(fù)雜、對TA的要求高，安裝在6/35kV母線上有很多困難，也很不經(jīng)濟(jì)。此外，由于其保護(hù)范圍受到TA 安裝位置的限制，不能避免發(fā)生故障幾率較高的電纜接頭處的故障，并且也不能提供故障定位。因此也不適合中壓母線保護(hù)應(yīng)用。

從實(shí)際應(yīng)用情況來看，現(xiàn)有的保護(hù)方案是顯然不 能滿足快速切除母線故障的要求。因此，迫切需要采用一種新型中低壓母線保護(hù)系統(tǒng)，以解決目前運(yùn)行中由于中低壓母線發(fā)生故障幾率較高、延遲切除故障導(dǎo)致故障發(fā)展、擴(kuò)大，從而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失的問題。

4新型電弧光保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成

新型電弧光保護(hù)系統(tǒng)由以下幾個部分構(gòu)成：主控單元、電流單元、弧光單元、弧光傳感器(探頭)、數(shù)據(jù)線和光纖。系統(tǒng)的基本原理是：通過測量開關(guān)柜中的弧光，弧光傳感器可以連接到主控單元或者弧光單元，電流單元則用于傳輸電流信號。在弧光傳感器檢測到弧光信號的同時，若電流單元檢測到了過流信號，則被判為產(chǎn)生了電弧光故障。一旦檢測到電弧光故障，保護(hù)系統(tǒng)會在1ms內(nèi)發(fā)出跳閘指令，達(dá)到保護(hù)的目的。

4.1主控單元。

主控單元是電弧光保護(hù)系統(tǒng)的核心部件，作用是管理、控制整個系統(tǒng)。主控單元有4個數(shù)據(jù)傳輸接口，每個接口可連接6個弧光或電流單元；輸出接口包括4路快速跳閘輸出和6路常規(guī)繼電器跳閘輸出；20個弧光檢測光纖接口，用于連接弧光傳感器。通過主控單元中的現(xiàn)實(shí)，可以準(zhǔn)確判斷電弧光產(chǎn)生的位置。

一個主控單元能同時保護(hù)幾個獨(dú)立的開關(guān)柜，因此，電弧光保護(hù)系統(tǒng)的弧光單元和電流單元可以分散到不同的開關(guān)柜內(nèi)，把檢測到的弧光或電流信號傳送到主控單元，主控單元收集到這些必要的數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況輸出跳閘信號到斷路器。

4.2弧光單元。

弧光單元用于檢測弧光，具有10個弧光檢測光纖接口，用于連接弧光傳感器。弧光單元面板上的電位計(jì)用來調(diào)整感光的強(qiáng)度，校準(zhǔn)好后，把信息傳遞到下一個電流或弧光單元，或者傳到主控單元。通過弧光單元，保護(hù)系統(tǒng)始終能準(zhǔn)確地識別超過整定的光感定值的弧光傳感器所在地。

4.3電流單元。

傳送至主控單元。電流單元可匹配1A 、2A 、5A的電流互感器，電流的整定可以從面板上的電位計(jì)來調(diào)節(jié)。電流單元檢測到的電流數(shù)據(jù)通過光纖或數(shù)據(jù)線傳送到主控單元，主控單元依據(jù)設(shè)定的邏輯判據(jù)決定是否輸出跳閘信號。

4.4弧光傳感器。

弧光傳感器安裝在開關(guān)柜內(nèi)，是探測弧光的光感應(yīng)元件。發(fā)生電弧光故障時，光的強(qiáng)度會大幅度增加，弧光傳感器內(nèi)的感光元件就會把光信號轉(zhuǎn)換為電信號傳給弧光單元或者主控單元。電弧光保護(hù)系統(tǒng)的感光 范圍靈敏度可在弧光單元和主控單元進(jìn)行調(diào)整。

封閉式母線系統(tǒng)中，在每個開關(guān)柜裝設(shè)一個弧光傳感器。在開放式母線系統(tǒng)中，弧光傳感器的間隔約為5~6m。

4.5數(shù)據(jù)線和光纖。

在主控單元和弧光單元或電流單元間的數(shù)據(jù)傳送是靠光纖和數(shù)據(jù)傳輸線來完成的。光纖傳輸觸發(fā)信號至主控單元，工作電源，報(bào)警信號，自控?cái)?shù)據(jù)信息流的傳送則通過數(shù)據(jù)傳輸線來完成。

5新型電弧光保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成

這種新型電弧光保護(hù)系統(tǒng)是一種原理簡單、動作快速可靠、保護(hù)覆蓋范圍廣、安裝維護(hù)方便的裝置，目前已有超過數(shù)百套該型電弧光保護(hù)系統(tǒng)在包括我國在內(nèi)的近十個國家的400V~20kV 中低壓開關(guān)柜中投運(yùn)，用戶遍及發(fā)電廠、變電站以及工業(yè)商業(yè)用戶等領(lǐng)域。產(chǎn)品運(yùn)行情況及用戶反饋意見表明，該種電弧光保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能可靠地顯示故障位置、發(fā)出跳閘指令。

6安科瑞ARB6產(chǎn)品功能

6.1產(chǎn)品選型指標(biāo)配置

6.2開孔尺寸

6.2.1 ARB6弧光保護(hù)裝置安裝位置和開孔尺寸。

ARB6弧光保護(hù)裝置安裝時需考慮開關(guān)柜安裝空間，與保護(hù)范圍內(nèi)電源進(jìn)線回路的TA回路連接、保護(hù)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(jìn)線柜或 TV 柜柜門上，建議采用面板開孔安裝。

ARB6弧光保護(hù)裝置外形和開孔尺寸如下。（尺寸單位：mm）

6.2.2 ARB-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

7結(jié)論

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)行方式下不需要保護(hù)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]金文龍，等.全國10kV及以上等級電力變壓器短路損壞事故統(tǒng)計(jì)分析.電網(wǎng)技術(shù)，1999(6)

[2]段紹輝.10kV高壓開關(guān)柜事故情況綜合分析.廣東省電機(jī)工程學(xué)會，1997

[3]朱根度.中壓開關(guān)柜事故調(diào)查中有關(guān)弧光短路等技術(shù)問題的討論，高壓開關(guān)技術(shù)通訊.

[4]潘貞存，等.中低壓母線加裝專用繼電保護(hù)的必要性和幾種方案的探討，電網(wǎng)技術(shù)，2002(9)

[5]張博.電弧光保護(hù)系統(tǒng)在中低壓母線保護(hù)中的應(yīng)用

[6]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊2022.5（版）.

作者簡介：

張繼冬，男，安科瑞電氣股份有限公司