高速鐵路牽引變電所母線弧光保護(hù)的研究

方 怡

0 引言

電氣化鐵路牽引變電所運(yùn)行狀態(tài)將直接影響鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩€(wěn)定。母線是牽引變電所中的一個(gè)重要組成部分。由于國內(nèi)高速客運(yùn)專線牽引供電系統(tǒng)普遍采用成套開關(guān)柜形式，開關(guān)柜的尺寸和絕緣裕度較小，再加上鐵路現(xiàn)場環(huán)境較差，由電弧短路引起開關(guān)柜的故障率很高，一旦發(fā)生故障將造成27.5 kV母線損壞，直接影響鐵路的運(yùn)營。因此設(shè)置相應(yīng)的快速母線保護(hù)裝置十分重要。但是，按照國內(nèi)現(xiàn)行的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在中壓母線系統(tǒng)一般不配置專用的快速母線保護(hù)，而是依靠上一級元件的后備過流保護(hù)來切除母線短路故障，這樣將導(dǎo)致故障切除時(shí)間延長，加大設(shè)備的損傷程度[1]。因此，為了保證牽引供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，27.5 kV開關(guān)柜需配置專用的母線保護(hù)裝置。

1 電弧短路故障

造成開關(guān)柜弧光短路的原因有載流回路故障，絕緣故障，外來物體，人為因素和系統(tǒng)因素等。

1.1 電弧短路的特點(diǎn)及其危害

開關(guān)柜內(nèi)電弧連續(xù)燃燒，將產(chǎn)生大量高溫金屬氣體，逐漸發(fā)展成為兩相短路，并最終過渡到三相短路，即所謂電弧短路故障。電弧短路有別于“金屬性”短路，是一種隨機(jī)物理現(xiàn)象。在開關(guān)柜中，開關(guān)設(shè)備發(fā)生短路故障產(chǎn)生的電弧快速釋放能量使開關(guān)設(shè)備中的壓力和溫度迅速增大，電弧一旦點(diǎn)燃，周圍的空氣就立刻電離，產(chǎn)生強(qiáng)大的爆炸性壓力和高溫，如不及時(shí)切除，將造成以下幾個(gè)方面的重大損害：

（1）電纜包覆層著火，引起金屬（銅排、鋁排）熔毀、氣化，并產(chǎn)生大量有毒碳黑煙氣，造成設(shè)備表面嚴(yán)重污染，絕緣電阻降為零，造成火災(zāi)、爆炸等。

（2）電弧溫度可達(dá)20 000℃，空氣受熱膨脹則會在開關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生巨大的壓力，造成柜體變形、破碎，甚至爆炸。

（3）成套開關(guān)柜中的電弧移動速度非?？欤娀亩搪伏c(diǎn)沿母線背離電源側(cè)方向“竄出”，燒毀開關(guān)柜。

（4）母線故障引發(fā)的巨大短路電流往往對昂貴的主變壓器造成沖擊，使其絕緣損壞、壽命縮短，甚至被燒毀。

電弧故障的危害程度取決于電弧電流及切除時(shí)間。如圖1所示，電弧產(chǎn)生的能量與電流成指數(shù)規(guī)律快速上升。

1.2 開關(guān)柜內(nèi)部燃弧耐受時(shí)間

IEC298《交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)附錄AA中規(guī)定的內(nèi)部燃弧時(shí)間是100 ms，也就是說，開關(guān)柜可以承受的電弧燃燒時(shí)間為100 ms，從保護(hù)開關(guān)柜方面考慮，保護(hù)裝置動作時(shí)間應(yīng)在100 ms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。

圖1 電弧燃燒時(shí)間與電弧能量之間的關(guān)系

根據(jù)國外實(shí)測資料，在成套配電裝置中，單相電弧接地過渡到兩相短路的時(shí)間為0.5～0.6 s。從兩相短路過渡到三相短路的時(shí)間和兩相電弧短路的電流大小及開關(guān)柜構(gòu)造（尺寸）有關(guān)。當(dāng)短路電流2～10 kA時(shí)，時(shí)間約0.10～0.02 s[4]。為了降低電弧短路時(shí)開關(guān)柜損壞的程度，應(yīng)盡量縮短電弧短路保護(hù)裝置的動作時(shí)間。表1為國外在各種燃弧持續(xù)時(shí)間下進(jìn)行試驗(yàn)得出的對設(shè)備造成的損害程度。

表1 電弧燃燒時(shí)間對應(yīng)的設(shè)備損壞情況表

2 母線電弧光保護(hù)的必要性

鐵路供電系統(tǒng)27.5 kV母線是整個(gè)供電系統(tǒng)的重要樞紐，當(dāng)母線故障時(shí)電壓降低影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，必須快速切除。此外，母線上短路故障電流非常大，延時(shí)切除將造成母線結(jié)構(gòu)和設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞，甚至引起變壓器的損壞。因此，迅速切除故障對牽引供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要[5～7]。

母線故障常用的保護(hù)方案主要有以下3種：變壓器后備過電流保護(hù)方案；饋線過流元件閉鎖進(jìn)線過電流保護(hù)方案；采用環(huán)流原理的高阻抗母線保護(hù)方案。3種方案的保護(hù)跳閘時(shí)間為1.0～1.5 s，不能滿足快速切除故障及保護(hù)覆蓋范圍的要求。

采用雙繞組接線形式的牽引變電所主變壓器，從27.5 kV饋線開始向上級整定，級差按照0.3 s考慮，27.5 kV饋線過電流保護(hù)整定為0.7 s，變壓器過電流后備保護(hù)整定為1.0 s。由于發(fā)生弧光故障在斷路器動作前，故障短路電弧是一直在燃燒的，即保護(hù)動作時(shí)間加上斷路器分閘時(shí)間之和為電弧燃燒的持續(xù)時(shí)間，理論上總故障切除時(shí)間大約如下：

27.5 kV饋線故障切除時(shí)間為700 ms（保護(hù)跳閘時(shí)間）+50 ms（斷路器本體動作時(shí)間）=750 ms；27.5 kV進(jìn)線故障切除時(shí)間為1 000 ms（保護(hù)跳閘時(shí)間）+ 50 ms（斷路器本體動作時(shí)間）= 1 050 ms。

其動作時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過ICE 298標(biāo)準(zhǔn)附錄AA中規(guī)定的中低壓開關(guān)柜內(nèi)部耐受的最大燃弧時(shí)間（100 ms）。一旦開關(guān)柜發(fā)生弧光短路故障，設(shè)備將遭到嚴(yán)重的損害。

而采用弧光保護(hù)設(shè)備后，保護(hù)跳閘時(shí)間僅為10 ms，則27.5 kV饋線切除故障時(shí)間和27.5 kV進(jìn)線切除故障時(shí)間均降為60 ms。

弧光保護(hù)可以保證弧光故障燃燒時(shí)間限制在100 ms以內(nèi)，盡可能快地有選擇切除故障。據(jù)早期國外統(tǒng)計(jì)資料表明，每年每1 000臺開關(guān)柜就有7臺遭到損壞[8]。由于認(rèn)識到開關(guān)柜弧光保護(hù)的重要性，各國政府的重視和有關(guān)指令性文件、規(guī)程規(guī)定，蘇聯(lián)和歐美等地的開關(guān)柜加裝電弧光保護(hù)比率已經(jīng)超過95%。國外著名的開關(guān)柜生產(chǎn)廠家，如Reyrolle、ABB、Siemens、Schneider、Moeller、Holec等公司，其中低壓開關(guān)柜均配套使用了電弧光保護(hù)系統(tǒng)[9]。因此，開關(guān)柜內(nèi)設(shè)置弧光保護(hù)裝置是必要的。

3 電弧光保護(hù)裝置系統(tǒng)及其應(yīng)用

3.1 電弧光保護(hù)裝置構(gòu)成與功能

電弧光保護(hù)動作判據(jù)為故障產(chǎn)生時(shí)的弧光及電流增量，當(dāng)同時(shí)檢測到弧光和電流增量時(shí)發(fā)出跳閘命令。

電弧光保護(hù)裝置由電弧光控制部分和弧光傳感器組成。弧光傳感器可放置在開關(guān)設(shè)備的任何位置，但一般安裝在母線室內(nèi)，以檢測母線故障，根據(jù)光電傳感器的實(shí)際物理位置可實(shí)現(xiàn)保護(hù)分區(qū)的功能，并在電弧光控制單元上顯示故障發(fā)生的位置，該功能可減少斷電的處理時(shí)間，使快速恢復(fù)供電成為可能。該方案為目前較理想的解決方案。

3.2 電弧光保護(hù)系統(tǒng)

電弧光保護(hù)系統(tǒng)原理簡單可靠（采用檢測弧光和過電流雙判據(jù)原理）、動作迅速（保護(hù)動作時(shí)間小于10 ms，包括斷路器分閘的總故障切除時(shí)間可保證在100 ms以內(nèi)）、可以進(jìn)行故障點(diǎn)定位（可顯示檢測到弧光短路點(diǎn)的位置）、配置靈活（通過弧光傳感器實(shí)現(xiàn)對保護(hù)分區(qū)的覆蓋）、適應(yīng)性強(qiáng)（可適應(yīng)各種中、低壓母線接線方式提供有選擇性的保護(hù)應(yīng)用），并且具有斷路器失靈保護(hù)，即在主斷路器拒動時(shí)發(fā)出跳閘指令跳上一級斷路器，提高保護(hù)系統(tǒng)的安全性。其主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：

（1）主控單元。主控單元包含有電流檢測和斷路器失靈保護(hù)，一個(gè)主控單元能同時(shí)保護(hù)幾個(gè)獨(dú)立的開關(guān)柜，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(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷，發(fā)出跳閘信號以切除故障。該系統(tǒng)只有同時(shí)檢測到弧光和過電流時(shí)才發(fā)出跳閘指令。在進(jìn)線斷路器未能動作切除故障時(shí)，它將啟動斷路器失靈保護(hù)邏輯，發(fā)出跳閘指令給上游斷路器切除故障。此外，主單元根據(jù)輔助單元傳送來的弧光傳感器的動作信息和溫度傳感器測量的溫度，提供弧光故障點(diǎn)的定位和溫度報(bào)警信息。

（2）輔助單元。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生弧光故障時(shí)，輔助單元收集來自弧光傳感器的動作信息并傳送給主單元，在主單元上顯示輔助單元和弧光傳感器的地址編號，有利于及時(shí)檢修和排除故障。

（3）弧光傳感器。弧光傳感器安裝在開關(guān)柜內(nèi)，是探測弧光的光感元件。當(dāng)發(fā)生電弧短路故障時(shí)，光的強(qiáng)度會大幅度增加，弧光傳感器內(nèi)的感光元件會把光信號轉(zhuǎn)換為電信號傳給輔助單元。電弧光保護(hù)系統(tǒng)的感光范圍靈敏度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。在封閉式母線系統(tǒng)中，每個(gè)開關(guān)柜內(nèi)裝一個(gè)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5～6 m。

3.3 電弧光保護(hù)工程應(yīng)用

根據(jù)某海外工程設(shè)計(jì)，其牽引變電所招標(biāo)文件要求低壓開關(guān)柜必須配置弧光保護(hù)裝置。如“烏茲別克斯坦的土其馬其—安格讓電氣化鐵路工程”，“白俄羅斯的日羅賓—奧西波維奇段電氣化改造工程”等。

其中烏茲別克工程已于2010年4月順利開通。全線共設(shè)3個(gè)牽引變電所，運(yùn)行期間有2個(gè)所發(fā)生過弧光保護(hù)跳閘事件，所內(nèi)其他保護(hù)裝置均未動作，另一牽引變電所無任何保護(hù)裝置動作。運(yùn)營人員及技術(shù)人員立刻根據(jù)弧光保護(hù)裝置信息進(jìn)行定點(diǎn)查找，其原因是電容回路設(shè)置的電阻值不合理，出現(xiàn)擊穿故障。考慮到3個(gè)牽引變電所具有相同的保護(hù)配置，因此工程人員檢查第3個(gè)變電所電容回路開關(guān)柜，發(fā)現(xiàn)由于弧光保護(hù)裝置未動作，柜內(nèi)電阻及其回路已完全燒毀，開關(guān)柜內(nèi)部已經(jīng)熏黑。而弧光保護(hù)裝置未動作的原因是由于測試人員將弧光保護(hù)裝置設(shè)置于測試位，并未投入使用，故沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，使得事故進(jìn)一步發(fā)生。

4 結(jié)論

隨著國內(nèi)高速鐵路成套開關(guān)柜裝置的引入，中低壓母線故障對系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響不可忽視。電弧光保護(hù)作為一種針對開關(guān)柜故障特性開發(fā)的母線保護(hù)系統(tǒng)，可有效快速解決短路故障弧光所造成的危害，減少設(shè)備維護(hù)及人員傷亡，提高系統(tǒng)的安全及經(jīng)濟(jì)效益，是一個(gè)理想的母線保護(hù)解決方案。

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