電弧光保護(hù)在熱電廠10KV廠用電系統(tǒng)的應(yīng)用與分析

陳 曦

（福建省東南電化股份有限公司，福建 福州 350309）

1 電弧光

1.1 電弧光的產(chǎn)生

當(dāng)兩電極間電壓升高時(shí)，在電極最近處空氣中的正負(fù)離子被電場(chǎng)加速，在移動(dòng)的過程中與其它空氣分子碰撞產(chǎn)生新的離子，這種離子大量增加的現(xiàn)象稱為“電離”.空氣被電離的同時(shí)，溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧，這種放電稱為弧光放電.弧光放電一般不需要很高的電壓，當(dāng)兩點(diǎn)之間的電壓超過其空氣絕緣強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)發(fā)生，只要兩端的電壓提供的能量足以補(bǔ)償熱損耗并維持適當(dāng)?shù)臏囟葪l件，電弧將會(huì)持續(xù)發(fā)生.類似地，如果電路兩相發(fā)生短路故障也可以產(chǎn)生電弧.

1.2 電弧光的危害

電力系統(tǒng)中發(fā)生故障而產(chǎn)生的電弧光會(huì)造成開關(guān)設(shè)備中的壓力和溫度迅速增加，如不及時(shí)切除、將可能造成重大危害.故障時(shí)電弧光發(fā)生產(chǎn)生的氣體會(huì)導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備劇烈振動(dòng)，固定元件松脫，造成一次、二次設(shè)備嚴(yán)重污損，絕緣電阻為零.甚至開關(guān)柜爆炸導(dǎo)致人員傷亡；故障時(shí)電弧光發(fā)生產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致銅排、鋁排、電纜熔毀，絕緣護(hù)套著火，燃燒產(chǎn)生的有毒煙氣傷害呼吸系統(tǒng)，高溫灼傷皮膚，強(qiáng)光刺傷眼睛.

2 電弧光保護(hù)

2.1 電弧光保護(hù)的原理

供、配電系統(tǒng)遭受感應(yīng)雷入侵造成各種短路事故，各種人為誤操作引起的事故和操作過電壓造成的人員傷亡和設(shè)備損壞等都會(huì)以瞬間擊穿和短路，引起爆炸、燃燒產(chǎn)生電弧光的形式表現(xiàn)出來，電弧光它不僅會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重毀滅性的破壞，還會(huì)對(duì)人身安全構(gòu)成直接威脅.這種破壞和威脅是由于電弧光本身的特性所決定的.如圖1和表1所示:根據(jù)電弧光特性原理可知，如果能在100ms內(nèi)切除故障，就能最大限度的降低對(duì)人身和設(shè)備造成的損失.母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)，突破了常規(guī)保護(hù)的判據(jù)原則，率先采用了檢測(cè)弧光和電流兩個(gè)非關(guān)聯(lián)參數(shù)（電量和非電量）作為判據(jù)（如圖2所示）；當(dāng)檢測(cè)到弧光和電流增量時(shí)發(fā)出跳閘指令信號(hào)；當(dāng)檢測(cè)到弧光或者電流增量時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并不發(fā)出跳閘指令.當(dāng)故障時(shí)電弧光發(fā)生，裝置會(huì)發(fā)出1ms跳閘輸出信號(hào)，迅速切斷故障源，這個(gè)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的母線保護(hù)，加上斷路器35—60ms的跳閘時(shí)間，這樣開關(guān)柜內(nèi)部切除故障的時(shí)間完全可以控制在100ms以內(nèi).因此，電弧光保護(hù)系統(tǒng)可以大大降低故障造成的經(jīng)濟(jì)損失，確保操作人員安全，為快速處理故障、恢復(fù)供電創(chuàng)造條件.

圖1 為各種燃弧時(shí)間下產(chǎn)生的電弧能量及對(duì)開關(guān)柜材料的損壞程度

表1 各種燃弧持續(xù)時(shí)間下進(jìn)行試驗(yàn)得出的對(duì)設(shè)備造成的損害程度

圖2 電弧光保護(hù)原理示意圖

2.2 電弧光保護(hù)的的系統(tǒng)組成

母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)主要由主控單元(管理控制整個(gè)系統(tǒng))、電流單元(電流檢測(cè)單元)、弧光單元(電弧光檢測(cè)單元)、弧光傳感器(把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳給弧光單元或主控單元)、電源模塊及連接各部件之間的光纖和數(shù)據(jù)線組成.見圖3：

圖3

3 電弧光保護(hù)的必要性

3.1 現(xiàn)階段10KV中壓母線保護(hù)存在的問題

發(fā)電廠廠用10KV中壓母線是全廠輔機(jī)和供電系統(tǒng)供電樞紐，當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，將使連接在母線上的所有元件在修復(fù)故障母線期間或轉(zhuǎn)換到另一組無故障母線運(yùn)行以前被迫停電，還可能引起系統(tǒng)穩(wěn)定性的破壞，造成嚴(yán)重后果.隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對(duì)母線保護(hù)的快速性、可靠性、靈敏度等要求越來越高.

根據(jù)IEC298標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)標(biāo)GB3906-1991的規(guī)定，10KV中壓開關(guān)柜承受的內(nèi)部燃弧時(shí)間僅為100ms，任何時(shí)間的延長(zhǎng)都會(huì)超出開關(guān)柜設(shè)計(jì)承受的極限.

中壓母線在國(guó)標(biāo)《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50062－92)中沒有專門要求對(duì)中壓母線配備專用保護(hù).而是利用進(jìn)線開關(guān)的后備保護(hù)來兼顧的.但進(jìn)線開關(guān)與出線開關(guān)的保護(hù)需要相互配合：一般速斷保護(hù)延時(shí)的級(jí)差至少為300毫秒，甚至500毫秒；而過流保護(hù)的配合級(jí)差更是長(zhǎng)達(dá)1－2秒.導(dǎo)致在發(fā)生母線短路故障時(shí)未能在第一時(shí)間切除故障，變壓器后備過流保護(hù)，是現(xiàn)階段采用的最廣泛的中壓母線保護(hù)，其通常保護(hù)動(dòng)作時(shí)間定值為1秒以上，顯然速度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足快速切除母線故障的要求.

3.2 10KV中壓母線故障幾率較高

10KV中壓母線配電系統(tǒng)由于系統(tǒng)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，運(yùn)行條件惡劣，系統(tǒng)運(yùn)行方式改變頻繁，人為誤操作也更容易發(fā)生，因此10KV中壓母線的故障幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超于高壓母線的故障幾率，這已是不爭(zhēng)的事實(shí).據(jù)報(bào)道，我國(guó)電力系統(tǒng)每年中壓手車柜就有幾百面被燒毀.究其原因大多是因?yàn)闆]有裝設(shè)專門的中壓母線保護(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壓母線保護(hù).

3.3 母線弧光保護(hù)的可靠性

電弧光保護(hù)系統(tǒng)測(cè)量的電和光是兩個(gè)不同的物理性質(zhì)的參數(shù)，采用光信號(hào)和故障電流信號(hào)雙判據(jù)的動(dòng)作原理決定了它的誤動(dòng)作率比系統(tǒng)中其他主保護(hù)（進(jìn)、饋線、變壓器等）要小得多.動(dòng)作迅速可靠，開光柜內(nèi)的故障切除時(shí)間可控制在100ms以內(nèi)，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)母線保護(hù)，可將故障損失降低到最小.

4 電弧光保護(hù)在福建省東南電化股份有限公司熱電廠10KV廠用電系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1 福建省東南電化股份有限公司熱電廠10KV廠用電系統(tǒng)介紹

福建省東南電化股份有限公司熱電廠10KV廠用電的接線方案為：10KV中廠用電母線按爐分段，每臺(tái)鍋爐設(shè)置一段高壓母線，鍋爐負(fù)荷按爐分段引接，總共四段10kV母線.其中10kV I段和IV段互為備用，10kV II段和III段互為備用.10kV I段和IV段、10kV II段和III段之間設(shè)快切聯(lián)絡(luò)開關(guān).

4.2 電弧光保護(hù)方案

電弧光保護(hù)的對(duì)象是10KV廠用電I、II、III、IV段母線，現(xiàn)以10KV廠用電I、IV段母線為例進(jìn)行方案說明（見圖4），10KV廠用電II、III段母線方案與I、IV段母線相同，僅是弧光傳感器數(shù)量變化.10KV廠用電I、IV段母線各有15和8個(gè)開關(guān)柜，兩段母線1號(hào)柜均為其各自10KV廠用電母線段的工作電源進(jìn)線柜.電弧光保護(hù)系統(tǒng)采用RIZN-ER-EagleEye母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)，整套系統(tǒng)由主控單元（EagleEye-MU）、弧光單元（EagleEye-ACR）、電流單元（EagleEye-CR）、弧光傳感器（EagleEye-FLS）、電源模塊（POWER-UNIT）及連接各部件之間的光纖和數(shù)據(jù)線組成.

圖4

主控單元（1MU）裝設(shè)在10KV廠用電I段工作電源進(jìn)線柜二次控制室門板上，主控單元有4個(gè)數(shù)據(jù)傳輸接口，共可接24個(gè)弧光單元或者電流單元；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，還有16個(gè)弧光檢測(cè)接口，若系統(tǒng)超過16個(gè)弧光信號(hào)的輸入，可選擇采用弧光單元.考慮到10KV廠用電I段母線系統(tǒng)要求的弧光檢測(cè)點(diǎn)為15個(gè)，將剩余1個(gè)弧光傳感器接口做為備用.主控單元根據(jù)弧光傳感器輸送的信息，能準(zhǔn)確的判斷故障點(diǎn)的位置（見圖5）.

電流單元1CR安裝在10KV廠用電I段的工作電源進(jìn)線柜，電流單元2CR安裝在10KV廠用電IV段的工作電源進(jìn)線柜，電流單元用于檢測(cè)過電流信號(hào)，A、B、C三相電流均可檢測(cè).只要其中一相超過過流啟動(dòng)值便會(huì)發(fā)出告警信號(hào)，電流信號(hào)取至10KV廠用電I、IV段母線工作電源進(jìn)線柜電流互感器，為了確保連接可靠，電流互感器二次電流端子是直接連接到EagleEye-CR電流單元的端子上的.10KV廠用電I、IV段的工作電源進(jìn)線電流互感器均為2000/1，電流單元可匹配1A的電流互感器，電流的整定從面板上的電位計(jì)來調(diào)節(jié)，整定范圍從0.5In至5In.考慮到整定值應(yīng)按躲過本段母線上最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)流過進(jìn)線開關(guān)的電流總值，二次額定電流為1A，設(shè)置流過I段的整定值為2In=2A，設(shè)置流過IV段的整定值為1.5In=1.5A（見圖5）.光纖（HFBR—EUS）使用單芯塑性纖維光纖，易于安裝和使用，光纖線傳輸抗電磁干擾，并確保了電弧光保護(hù)系統(tǒng)最小的響應(yīng)時(shí)間.

弧光單元1ACR安裝在10KV廠用電IV段的工作電源進(jìn)線柜.弧光傳感器是探測(cè)弧光的光感應(yīng)元件,安裝在KYN28開關(guān)柜的母線隔室上側(cè)中部?jī)?nèi)，既保證足夠的絕緣距離，同時(shí)又有足夠的角度能檢測(cè)到柜內(nèi)弧光.當(dāng)發(fā)生電弧光故障時(shí)，光的強(qiáng)度大幅度增加弧光傳感器就會(huì)把光信號(hào)傳送給主控單元或者弧光單元.每個(gè)弧光單元具有10個(gè)弧光檢測(cè)接口，這些接口均為光纖接口，用于連接弧光傳感器，弧光單元的地址可以通過撥碼開關(guān)來設(shè)定.考慮到10KV廠用電I段母線系統(tǒng)要求的弧光檢測(cè)點(diǎn)為8個(gè)，將剩余2個(gè)弧光傳感器接口做為備用（見圖5）.弧光傳感器的感光強(qiáng)度則通過弧光單元面板上的電位計(jì)來調(diào)節(jié)設(shè)定，可以從10K LUX調(diào)節(jié)至50K LUX.調(diào)試使用20B5型強(qiáng)力閃光燈照射弧光傳感器，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境情況，光整定值為30KLUX.

設(shè)置了獨(dú)立的電源模塊，電源給主控單元供電，再由主控單元提供給電流單元和弧光單元，該模塊裝在與主控單元同一個(gè)開關(guān)柜的二次倉內(nèi)（見圖 5）.

圖5

4.3 整體調(diào)試和運(yùn)行情況

10KV廠用電I、IV段工作電源進(jìn)線柜電流互感器通入二次電流，逐步加大到母線段流過的整定值，用大于30KLUX強(qiáng)力閃光燈照射弧光傳感器，報(bào)警和跳閘動(dòng)作正確，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間均小于70ms，完全滿足切除故障的時(shí)間在100ms以內(nèi)的保護(hù)要求.

電弧光保護(hù)系統(tǒng)投入運(yùn)行已一年時(shí)間，運(yùn)行穩(wěn)定，僅發(fā)生過一次光信號(hào)超過光整定值的報(bào)警情況發(fā)生.未發(fā)生誤動(dòng)、拒動(dòng)等現(xiàn)象.

5 結(jié)論

10KV中壓開關(guān)柜弧光短路故障事故時(shí)有發(fā)生，裝設(shè)專門的中壓母線保護(hù)裝置是十分必要的.電弧光保護(hù)系統(tǒng)可以快速而有選擇的切除故障，從而最大限度的減少弧光短路對(duì)設(shè)備的危害，提高供電的可靠性，實(shí)際應(yīng)用效果良好.

〔1〕杭州瑞勝電氣有限公司.光電式弧光保護(hù)系統(tǒng)用戶手冊(cè).

〔2〕蔡彬，等.開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧的在線檢測(cè)和保護(hù)裝置.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005(10).

〔3〕田廣青.電弧光保護(hù)及其在中低壓開關(guān)柜和母線保護(hù)中的應(yīng)用.電工技術(shù)雜志，2004（4）.

〔4〕朱根良.淺議中壓開關(guān)柜的事故調(diào)查中的故障分析.高壓電氣 2002（5）.

〔5〕王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用（第二版）.中國(guó)電力出版社，2001.