淺談電弧光母線保護系統在中壓開關柜的應用

      電弧光現象是兩相之間或相地之問因電離加劇引起空氣導電的現象。弧光放電的條件是小間隙和大電流。

      弧光點溫度發生電弧白光時，是太陽表面溫度的2倍；弧光的照度達8000～9000lx，而人眼能承受光強為300lx以下；弧光爆破壓達120kPa，而人體能承受的壓力為7．5kPa；弧光燃燒帶來強烈的聲響和震動，也超過人體能承受的。電弧光引起的事故對人員和設備都會造成很大的危害。

      電氣短路引起電弧燃燒在配電系統開關柜中一旦發生，就會引起諸如爆炸、燃燒等較大的設備材料損毀，危害電力系統運行的和穩定，還會對人員造成很大危害。

1．1電力工業發展的需要

        一方面，隨著國家電力工業的快速發展，中低壓開關柜的應用數量越來越多，由于開關柜弧光短路故障引發的中低壓母線故障時有發生，并且也發生過主變壓器由于遭受外部短路電流沖擊損壞的事故，經濟損失嚴重；另一方面，用戶對供電的可靠性要求也越來越高；因此，在中低壓開關柜裝設專用快速母線保護——電弧光保護是有必的。

1．2開關柜內部燃弧耐受時間的需求

       當開關柜內部弧光短路故障時，IEC298標準附錄中規定的內部燃弧時間是100ms，也就是說開關柜可以承受的電弧燃燒時問，即保護動作和斷路器切除故障的時間之和應小于100inS，此時才能達到保護開關柜的目的。目前市場上銷售的開關柜基本上是按照1EC298標準生產的，即開關柜可以承受的電弧燃燒時間為100ms。表1為國外對各種燃弧持續時間下設備損害程度的試驗結果。

表1不同燃弧持續時間下對設備造成的損壞

 

1．3變壓器動穩定時間及中低壓母線保護動作時間的要求

       國標規定的110kV及以電壓等級的變壓器的熱穩定允許叫‘問為2S，動穩定時間為0．25S。但實際上，在低壓側出口短路故障時，過流后備保護切除動作時間往往在2S以上，距變壓器的動穩定時間要求0．25S相差甚遠，這也是造成變壓器損壞的重要原因。

1．4現有的中低壓母線保護方式及存在的問題

1．4．1變壓器后備過流保護

       這是目前國內應用*廣泛的中低壓母線保護方式。由于考慮到與饋線和母線分段開關的配合，保護跳閘時間一般摯定為1．0～1．4S，有的甚至更長，達2．0S以上。這一動作時間遠遠不能滿足快速切除中低壓母線故障的要求。

1．4．2饋線過流閉鎖變壓器過流保護

        近年來采用饋線過流閉鎖變壓器過流保護的應用較為廣泛，與變壓器后備過流保護方式相比，其動作速度有了一定的提高，典型動作時間為300～400InS。但仍難以在100ms以內切除故障。

1．4．3采用環流原理的高阻抗母線保護

        這種保護方式典型的保護動作時間為35～60IllS。考慮到斷路器的分閘時間，這一動作速度對要求100ins以內切除故障來說，常常也不能滿足要求。并且這種保護方式的接線復雜，對TA的質量要求高，安裝在有很多出線的6～35kV母線上非常困難，也不經濟。此外，由于其保護范圍受到TA安裝位置的限制，不能保護到發生故障兒率較高的電纜室電纜接頭處的故障，因此，并不適合應用于中低』上母線保護。

從實際應用情況來看，現有的保護方式顯然不能滿足快速切除母線故障或保護覆蓋范圍的要求，因此，在中低壓母線和開關柜裝設一種快速的母線保護是必要的，也足迫切的。

      剛果(金)也稱剛果民主共和國，地處非洲大陸中部，ZONGOⅡ水電站是剛果民主共和國的水電站，當地電廠技術人員運行水平較低，因此ZONGOⅡ水電站廠用電10kV設計電弧光保護是非常有必要的。

2．1保護對象

      保護對象是該電站廠用電10kVI、Ⅱ、Ⅲ段母線。整套系統由主單元、輔助單元和弧光傳感器連接電纜組成。在每個開關柜母線室內安裝1個弧光傳感器，在母聯斷路器和母聯隔離車安裝1個弧光傳感器，在母線橋加裝1個弧光傳感器，在TV柜內安裝1個弧光傳感器，通過弧光傳感器把采到的弧光信號傳送給主單元。

2．2電弧光母線保護原理

       電弧光保護原理很簡單，主要動作依據為故障產生的2個不同因素：弧光及電流增量。當同時檢測到弧光和電流增量時發出跳閘命令。也就是說，當系統發生故障時，弧光傳感器將弧光信號轉化為電信號傳給主單元，主單元檢測電流信號，如果達到啟動值即發出跳閘信號。主單元裝置動作時間為5—7ms，斷路器動作時間為35～60ms，可以在100ms以內切除故障。

       當弧光傳感器采集到弧光信號、主單元采集到進線過流信號時，將啟動跳閘繼電器跳開進線斷路器，同時將動作信號(硬接點)傳遞給后臺監控系統。系統擁有完善的自檢功能，能實時在線自檢，系統自檢告警信息可以在裝置上看到，也可通過主單元的告警繼電器送到后臺。當任意一段母線出現故障時，都只會跳開該段母線的進線斷路器，其他段母線仍會正常運行。

       在母聯開關運行時，跳開故障母線進線斷路器和母聯斷路器。其中弧光判據的啟動條件為：光強度超過80001x，電流超過負荷電流。

2．3電弧光母線保護系統結構

       電弧光保護系統結構如圖所示，由主單元、輔助單元、弧光傳感器和連接電纜構成。

 

2．3．1主單元

        主單元通過檢測短路電流和來自弧光傳感器的動作信息，并對收集的數據進行處理、判斷，發出跳閘信號以切除故障。該系統在同時檢測到弧光和過流時發出跳閘指令。在進線斷路器未能動作切除故障時，它將啟動斷路器失靈保護邏輯，發出跳閘指令給上級斷路器切除故障。此外，主單元根據弧光傳感器送來的動作信息和溫度傳感器測量的溫度，提供弧光故障點的定位和溫度報警信息。

2．3．2弧光傳感器

         弧光傳感器安裝在開關柜各間隔室中，對各種接線的中壓開關柜提供有選擇性的保護。弧光傳感器作為光感應元件，將檢測在發生弧光故障時突然增加的光強，并將光信號轉換成電流信號傳送給主單元，一般它作為弧光保護系統中的主要故障判據。

ARB5-弧光主控單元

 

（1）＊表示可選附件，需要另外增加費用1500元。

（2）主控板和采集板數量之和不能大于4。

（3）弧光探頭到采集板的長度不能超過20米。

（4）如有特殊要求，請特別注明。

 

 

 

 

      弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下。

 

 

 

 

      電弧光保護是電氣保護一個新的分支，快速感光和過電流的邏輯配合使其*性表現更為突出。電弧光保護具有保護邏輯簡單、動作迅速等優點，現場安裝、調試方便靈活，是常規繼電保護的一個有效的補充。隨著電弧光保護在市場上日益廣泛使用，產品價格也逐漸走低，更多的領域已經能享受到先進技術帶來的好處。剛果(金)ZONGOⅡ，水電站廠用電1OkV開關柜內采用電弧光保護設備，設備已經安裝調試完畢，使用效果良好。

參考文獻：

[1]胡 楠，國 佳.剛果(金 )ZONGOⅡ電站中壓開關柜電弧光保護的應用[M]

[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5（版）.