電弧光保護(hù)系統(tǒng)在20 kV母線保護(hù)中的應(yīng)用

方景輝，徐俞音，朱曉峰，徐偉明

（嘉興恒創(chuàng)電力設(shè)計(jì)研究院，浙江嘉興314033）

電弧光保護(hù)系統(tǒng)在20 kV母線保護(hù)中的應(yīng)用

方景輝，徐俞音，朱曉峰，徐偉明

（嘉興恒創(chuàng)電力設(shè)計(jì)研究院，浙江嘉興314033）

為有效提高20 kV配電網(wǎng)供電可靠性，有必要對(duì)20 kV母線保護(hù)方案加以探索和改進(jìn)。在分析比較現(xiàn)有20 kV母線保護(hù)方案的基礎(chǔ)上，提出了電弧光保護(hù)方案并闡述了其基本原理和系統(tǒng)組成。結(jié)合嘉興110 kV金沙變電站工程實(shí)例，分析探討了20 kV雙單母接線、單母四（六）分段環(huán)形接線等3種情況下電弧光保護(hù)系統(tǒng)的各種配置方案，得出20 kV母線典型接線方式下最優(yōu)配置方式。

20 kV；母線；電弧光保護(hù)；分段環(huán)形接線

20 kV電網(wǎng)具備輸送能力大、供電范圍廣、運(yùn)行損耗低、電能質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在減少變電站布點(diǎn)、線路廊道占用，大幅降低網(wǎng)損、促進(jìn)節(jié)能減排等方面起到了很好的示范性作用。在國際上，美國以及德國、法國、意大利等80%的歐洲國家采用20～25 kV作為城市供電的中低壓配電電壓。在國內(nèi)，20 kV電網(wǎng)剛剛起步，在建設(shè)、改造與運(yùn)行過程中必然會(huì)遇到不少問題，為有效提高20 kV配電網(wǎng)供電可靠性，有必要加強(qiáng)20 kV母線保護(hù)的力度。以EagleEye電弧光保護(hù)系統(tǒng)為例，探討其在金沙變20 kV母線保護(hù)中的運(yùn)用。

1 20 kV母線保護(hù)方案及存在問題

針對(duì)20 kV開關(guān)柜內(nèi)部弧光故障（相當(dāng)于20 kV母線故障），大都以主變后備過流保護(hù)為主保護(hù)，但由于過流保護(hù)為保證其選擇性，動(dòng)作時(shí)限需要按照階梯原則配合，故障切除時(shí)間過長（1．5～2 s），而開關(guān)柜額定耐受電弧時(shí)間只有100 ms。為加快切除20 kV母線故障的速度，可考慮母差保護(hù)，但由于母差保護(hù)存在接線復(fù)雜、對(duì)TA（電流互感器）要求高、保護(hù)范圍受到TA安裝位置限制以及價(jià)格高等問題，也不太適合廣泛應(yīng)用于20 kV母線保護(hù)中。

電弧光保護(hù)是基于開關(guān)柜內(nèi)故障時(shí)產(chǎn)生弧光的原理而設(shè)計(jì)的母線保護(hù)系統(tǒng)，澳大利亞RIZNER公司生產(chǎn)的EagleEye電弧光保護(hù)系統(tǒng)自1997年投放市場后成功地在芬蘭、瑞典、挪威及俄羅斯等國廣泛使用，國內(nèi)也已引進(jìn)弧光保護(hù)產(chǎn)品。

2 電弧光保護(hù)機(jī)理分析

2.1 電弧光保護(hù)的基本原理

電弧光保護(hù)主要?jiǎng)幼饕罁?jù)為故障產(chǎn)生的2個(gè)變量：弧光及電流增量。當(dāng)同時(shí)檢測到弧光和電流增量時(shí)才會(huì)發(fā)出跳閘命令；當(dāng)只檢測到弧光或者電流增量時(shí)只發(fā)出報(bào)警信號(hào)，不發(fā)出跳閘指令。電弧光保護(hù)的特點(diǎn)：

（1）動(dòng)作迅速可靠。保護(hù)系統(tǒng)在1 ms內(nèi)發(fā)出跳閘信號(hào)，使開關(guān)柜內(nèi)電弧光故障總切除時(shí)間控制在100 ms以內(nèi)，通過檢測弧光信號(hào)和過電流閉鎖的雙判據(jù)原理，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)的可靠動(dòng)作。

（2）故障定位準(zhǔn)確。系統(tǒng)根據(jù)傳感器安裝位置上顯示故障發(fā)生的位置，實(shí)現(xiàn)分區(qū)保護(hù)。

（3）抗干擾能力強(qiáng)。系統(tǒng)采用無源弧光傳感器和光纖星形連接方式，因此抗干擾能力強(qiáng)。

（4）配置靈活、適應(yīng)性強(qiáng)。通過對(duì)弧光和過電流動(dòng)作信號(hào)的靈活編程，可對(duì)各段母線提供選擇性保護(hù)，適用于不同類型的接線和運(yùn)行方式。

2.2 EagleEye電弧光保護(hù)系統(tǒng)的組成

2.2.1 MU（主控單元）

主控單元用于管理、控制整套電弧光保護(hù)系統(tǒng)。它檢測故障電流和弧光信號(hào)并進(jìn)行處理、判斷，在弧光故障時(shí)發(fā)出跳閘指令。主控單元可選用4個(gè)數(shù)據(jù)輸入接口和16路光輸入口，共4+16個(gè)弧光檢測接口，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。

2.2.2 CR（電流單元）

電流單元用于檢測A，B，C三相過電流信號(hào)，它可以匹配1 A，2 A和5 A的TA，過電流整定值可在50%～500%間內(nèi)選擇。當(dāng)電流單元感受到過電流后，通過光纖和數(shù)據(jù)線傳輸至主控單元，主控單元依據(jù)設(shè)定的邏輯判斷是否發(fā)出跳閘命令。

2.2.3 ARC（弧光單元）

主控單元可選用16路的弧光檢測接口（由弧光傳感器輸入）。若檢測點(diǎn)超過16個(gè)，可使用弧光單元，弧光單元檢測到的信號(hào)（共10路）通過光纖和數(shù)據(jù)線傳輸至主控單元。

2.2.4 FLS（弧光傳感器）

專用于母線保護(hù)的無源弧光傳感器安裝在開關(guān)柜母線室內(nèi)探測弧光的光感應(yīng)元件。當(dāng)發(fā)生電弧光故障時(shí)，光強(qiáng)度大幅度增加，弧光傳感器將光信號(hào)傳送給主控單元或弧光單元，弧光傳感器的感光強(qiáng)度可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為10～50 kLux。

3 電弧光保護(hù)的應(yīng)用

3.1 雙單母接線

雙單母接線是單臺(tái)主變下20 kV出線的典型接線。雙單母需考慮安裝弧光傳感器的間隔數(shù)應(yīng)在20個(gè)左右（已考慮后期擴(kuò)容情況），如圖1所示。在此方式下，若主控單元自帶16路弧光檢測口時(shí)，加上通過光傳輸口L1和L2進(jìn)裝置的2路光信號(hào)，最多可接18路光信號(hào)，但L1與L2被占用后會(huì)限制裝置的功能，因此當(dāng)弧光信號(hào)輸入超過16個(gè)時(shí)，推薦采用弧光單元。綜合考慮，雙單母接線配置1個(gè)主控單元和1個(gè)弧光單元比較合適，主控單元需接兩個(gè)電流單元，最多可接入27路弧光信號(hào)，包括主控單元自帶的16路光輸入口和弧光單元的10路，再加上光傳輸口L2（L1，L3和L4已用于接弧光單元和電流單元）。

圖1 雙單母接線弧光保護(hù)配置

110 kV金沙變本期工程為典型的主變低壓側(cè)雙單母接線，1號(hào)主變Ⅰ與Ⅱ段母線共有17路弧光信號(hào)輸入，因此在1號(hào)主變進(jìn)線Ⅰ母分支開關(guān)柜的二次控制室門板上安裝MU主控單元，在Ⅱ母分支開關(guān)柜上安裝ARC弧光單元。同時(shí)在Ⅰ與Ⅱ母分支開關(guān)柜上分別安裝CR電流單元，串接于柜內(nèi)保護(hù)TA，作為弧光保護(hù)的輔助判據(jù)，并在每個(gè)開關(guān)柜母線倉與斷路器倉的隔板上安裝弧光傳感器。

具體配置方案為：1套弧光保護(hù)系統(tǒng)，含16路光輸入口主控單元1臺(tái)，弧光單元1臺(tái)，電流單元2臺(tái)，弧光傳感器17個(gè)，光纖、數(shù)據(jù)線若干。

當(dāng)同時(shí)采集到弧光信號(hào)和過流信號(hào)時(shí)，將啟動(dòng)跳閘跳開相應(yīng)分支開關(guān)并閉鎖20 kV分段備自投，同時(shí)將動(dòng)作報(bào)警、裝置異常等信號(hào)傳送至主變測控裝置。

3.2 單母四分段環(huán)形接線

3.2.1 運(yùn)行方式

金沙變2號(hào)主變投入后，低壓側(cè)為單母四分段環(huán)形接線，見圖2。在這種接線方式下，主要有2種運(yùn)行方式，一是2條進(jìn)線分列運(yùn)行，分段開關(guān)Ⅰ與Ⅱ斷開，4段母線任意1段故障時(shí)保護(hù)跳開相應(yīng)的分支開關(guān)，當(dāng)分段開關(guān)熱備用（橋備）并投入母聯(lián)自投時(shí)保護(hù)還應(yīng)閉鎖備投，以免備投動(dòng)作誤合于故障母線；二是分段開關(guān)Ⅰ與Ⅱ合上，由1條進(jìn)線帶4段母線運(yùn)行方式，例如1號(hào)主變進(jìn)線帶4段母線運(yùn)行，此時(shí)若Ⅰ母故障則跳開1DL，Ⅱ母故障則跳開2DL；Ⅲ母故障只需跳開分段開關(guān)1，Ⅳ母故障跳開分段開關(guān)2；若Ⅲ或Ⅳ母故障后，分段開關(guān)1或2拒動(dòng)，則跳開2DL或1DL，即通過1號(hào)主變或2號(hào)主變低后備保護(hù)來實(shí)現(xiàn)20 kV母線的遠(yuǎn)后備保護(hù)。

在線路備用情況下，當(dāng)另一條進(jìn)線分支開關(guān)熱備用時(shí)保護(hù)應(yīng)去閉鎖備自投裝置以免備投動(dòng)作誤合于故障母線。

3.2.2 系統(tǒng)配置方案

在系統(tǒng)的配置上，4個(gè)分支配置4個(gè)電流單元，一般而言，4段母線要求安裝弧光傳感器的間隔數(shù)應(yīng)為40～50個(gè)，即使有小于此數(shù)的，也需考慮到后期20 kV出線擴(kuò)容，所以應(yīng)在主控單元和弧光單元的配置上應(yīng)保持相應(yīng)的裕度。

方案一：為減少主控單元間的信號(hào)互聯(lián)，可設(shè)想只采用1個(gè)主控單元，使其能采集到4段母線上任意點(diǎn)的弧光信息及所有過流信號(hào)，提出如下方案：1條進(jìn)線上安裝1個(gè)主控單元和1個(gè)弧光單元，而另一條上安裝2個(gè)弧光單元，但該方案存在以下問題：4個(gè)電流單元占滿了4個(gè)數(shù)據(jù)輸入接口（L1—L4），無法再接弧光單元。

方案二：每條進(jìn)線（含2段分支母線）均配置1個(gè)主控單元和1個(gè)弧光單元。單母四分段環(huán)形接線相比雙單母接線增加了2條分支母線，在這種運(yùn)行方式下，進(jìn)線1停電時(shí)由進(jìn)線2通過分段開關(guān)Ⅰ和分段開關(guān)Ⅱ同時(shí)向Ⅰ段母線和Ⅱ段母線供電，由于進(jìn)線1的Ⅰ與Ⅱ分支電流為零，不滿足電弧光保護(hù)弧光信號(hào)及電流增量雙判據(jù)原理，若上述2條進(jìn)線只是簡單地各自配置了1套獨(dú)立的電弧光保護(hù)系統(tǒng)（1個(gè)主控單元和1個(gè)弧光單元），相互之間沒有弧光信號(hào)互送，則在此情況下，這2段分支母線上的故障不能由相應(yīng)弧光保護(hù)系統(tǒng)切除。因此要能實(shí)現(xiàn)有選擇性地跳閘，則低壓母線Ⅲ與Ⅳ段上的弧光信息要傳給安裝在Ⅰ段上的主控單元Ⅰ，低壓母線Ⅰ與Ⅱ段上的弧光信息要傳給安裝在Ⅲ段上的主控單元Ⅱ，如圖3所示。因此在金沙變遠(yuǎn)景2臺(tái)主變工程中采用方案二。

方案三：考慮配置3個(gè)主控單元和1個(gè)弧光單元。但該方案存在以下問題：主控單元Ⅲ在已接入2路電流單元、1路弧光單元的情況下，由于數(shù)據(jù)輸入接口（L1—L4）的限制，無法全部接入由主控單元Ⅰ與Ⅱ上送的弧光傳感信號(hào)。

圖2 單母四分段環(huán)形接線系統(tǒng)

圖3 單母四分段環(huán)形接線弧光保護(hù)邏輯

方案四：每條進(jìn)線均配置2個(gè)主控單元（即每段分支母線配置1個(gè)主控單元）。每個(gè)主控單元接入該分支的1路電流單元、1路對(duì)側(cè)分支母線弧光信號(hào)以及本分支的弧光信號(hào)，但由于主控單元價(jià)格高于弧光單元，因此此方案的經(jīng)濟(jì)性較差。

圖4 單母六分段環(huán)形接線系統(tǒng)

3.3 單母六分段環(huán)形接線

3.3.1 運(yùn)行方式

考慮金沙變遠(yuǎn)景擴(kuò)建3號(hào)主變，則主變低壓側(cè)為20 kV單母六分段環(huán)形接線，如圖4所示。正常運(yùn)行方式為分列運(yùn)行，當(dāng)某1條進(jìn)線不能工作時(shí)它的2段分支母線由相鄰的分支母線通過分段開關(guān)來供電；當(dāng)2條進(jìn)線不能工作，例如進(jìn)線2和進(jìn)線3全停的時(shí)，由進(jìn)線1通過分段開關(guān)Ⅰ和分段開關(guān)Ⅲ分別向Ⅲ段母線和Ⅵ段母線供電，但Ⅳ段母線和Ⅴ段母線依然停電，但該方式較少運(yùn)用。

3.3.2 系統(tǒng)配置方案

一般110 kV/20 kV變電站最多為3臺(tái)主變同時(shí)運(yùn)行，因此20 kV母線通常最多為六分段環(huán)形。因此只需討論六段母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)的配置思路，提出如下方案。

方案一：每條進(jìn)線（含2段分支母線）均配置1個(gè)主控單元和2個(gè)弧光單元。但該方案存在以下問題：主控單元Ⅰ在已接入2路電流單元、1路弧光單元的情況下，由于數(shù)據(jù)輸入接口（L1—L4）的限制，無法全部接入由主控單元Ⅱ與Ⅲ上送的弧光傳感信號(hào)。

方案二：為了保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，每條進(jìn)線均配置2個(gè)主控單元，即每段分支母線上均安裝1個(gè)主控單元和1個(gè)電流單元，弧光單元根據(jù)弧光傳感器的數(shù)量和主控單元上弧光輸入口的數(shù)量來確定是否選取，一般情況下16路弧光接入信號(hào)可滿足接入要求，無需再接入弧光單元。單母六分段環(huán)形接線相比于單母四分段接線增加了2條分支母線，但與單母四分段接線原理相似，想要實(shí)現(xiàn)有選擇性地跳閘，只要將本側(cè)母線分支上的弧光信息傳送給安裝在對(duì)側(cè)段上的主控單元，即母線Ⅱ與Ⅲ段，母線Ⅳ與Ⅴ段，母線Ⅵ與Ⅰ段上的弧光信息實(shí)現(xiàn)互傳，在金沙變遠(yuǎn)景3臺(tái)主變工程中擬采用方案二。

4 結(jié)語

金沙變一期雙單母電弧光保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況表明，電弧光保護(hù)系統(tǒng)在快速切除20 kV母線故障、提高電網(wǎng)穩(wěn)定、減少停電時(shí)間、減少設(shè)備損失等方面發(fā)揮了重要作用，為改進(jìn)20 kV母線保護(hù)、提高20 kV配網(wǎng)供電可靠性提供了新的方案。

[1]萬山景，王堅(jiān)，張梓望.電弧光保護(hù)系統(tǒng)配置方案探討[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，36（16）:99-103．

[2]樊建軍.電弧光保護(hù)在中低壓開關(guān)柜和母線保護(hù)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2008，26（2）:53-55．

（本文編輯：楊勇）

Application of Arc Light Protection System in 20 kV Bus Protection

FANG Jing-hui，XU Yu-yin，ZHU Xiao-feng，XU Wei-ming
（Jiaxing Hengchuang Electric Power Design＆Research Institute，Jiaxing Zhejiang 314033，China)

In order to improve power supply reliability of 20 kV distribution networks，it is necessary to explore and improve 20 kV bus protection scheme．On the base of comparing existing 20 kV bus protection schemes，the paper proposes arc light protection scheme and elaborates on basic principles and system components．In combination with 110 kV Jinsha substation project in Jiaxing，the paper discusses various configuration schemes of arc protection system in case of 20 kV single/double bus and single-bus four（six）-segment annular connection，and it concludes optimal configuration mode in typical connection of 20 kV bus．

20 kV；bus；arc light protection；segmented annular connection

TM771

：B

：1007－1881（2013）01－0020－04

2012-05-08

方景輝(1981-)，男，西安人，高級(jí)工程師，主要從事電力設(shè)計(jì)技術(shù)管理工作。