電弧光保護系統(tǒng)及應(yīng)用分析

高衛(wèi)東

(山西省送變電工程公司,山西太原 030012)

0 引言

隨著我國電力系統(tǒng)的發(fā)展,6～35 kV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(yán)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)部燃弧耐受時間是100 ms,即開關(guān)柜可承受的電弧燃燒時間為100 ms。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,要求保護動作時間應(yīng)小于100 ms切除故障,以防止弧光短路故障進(jìn)一步發(fā)展擴大造成更大的損害。對于變壓器規(guī)定110 kV及以上電壓等級的變壓器熱穩(wěn)定允許時間為2.0 s,動穩(wěn)定時間為0.25 s[1]。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2 s以上,離0.25 s的變壓器動穩(wěn)定時間相差甚遠(yuǎn),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(dāng)兩電極間電壓升高時,在電極最近處空氣中的正負(fù)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”?？諝獗浑婋x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、極易傳播,電弧中心溫度超過10 000℃,弧光的光強度可超過正常的照明光強2 000倍。當(dāng)發(fā)生電弧光短路故障時有兩個顯著特征:電流增大,光強增大。

2 電弧光保護介紹

電弧光保護是根據(jù)35 kV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Rizner-EagleEye光電式電弧光保護系統(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1 ms,而常規(guī)繼電器出口時間小于8 ms,如果加上斷路器35～60 ms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(dá)100 m,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1 ms。

d)顯示故障位置,便于故障處理,極大提高恢復(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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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35 kV系統(tǒng)電弧光保護配置

如圖1所示。

35 kVⅠ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BH1和BH2分別安裝于1號及2號主變35 kV開關(guān)柜內(nèi),BH1電流取自1號主變35 kV側(cè)電流互感器,BH2電流取自2號主變35 kV側(cè)電流互感器。

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(jìn)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)弧光保護裝置,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

1DL、3DL合位,2DL分位,由1號變帶Ⅰ、Ⅱ段母線。

如故障發(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,保護跳3DL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,Ⅰ段正常供電。

如故障發(fā)生在K1處,1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1DL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、Ⅱ段母線。

3.3.2 運行方式二

2DL、3DL合位,1DL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。BH1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2DL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Ⅰ、Ⅱ段母線。

3.3.3 運行方式三

1DL、2DL、3DL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,保護動作跳3DL;1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,保護動作跳1DL。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,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3DL;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,保護動作跳2DL。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。

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。

過電流定值通過裝置面板上的電位器整定,整定范圍是 (50%～500%)×In,In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5 A或1 A。低壓側(cè)母線發(fā)生故障時短路電流可達(dá)到幾千乃至上萬安培電流,出廠推薦定值為250%×In。

光強度定值通過裝置面板上的電位器整定,整定范圍是10～50 klux(lux勒克司,照度單位,為距離一個光強1 cd的光源,在1 m處接受的照明強度)。當(dāng)開關(guān)柜發(fā)生弧光短路時,光強度可達(dá)到100 klux,出廠推薦定值為30 klux。當(dāng)對保護裝置進(jìn)行試驗時,可將定值調(diào)為10 klux,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30 klux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?fù)?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(jìn)行分析判斷。

5 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,動作可靠迅速,適用于多種運行方式。因此,采用電弧光保護是35 kV及以下開關(guān)柜發(fā)生弧光短路時較為理想的一個保護方案。

[1] 劉萬順.電力系統(tǒng)故障分析 [M].北京:中國電力出版社,1998:20-60.