智能電弧光保護系統(tǒng)的應(yīng)用與分析

沈海泓 馮任卿 張彥生 白云飛

（1.國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 071000；2.河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊 071000； 3.國網(wǎng)石家莊供電公司，石家莊 071000）

按照我國現(xiàn)行的繼電保護設(shè)計標準，在中低壓母線中原則上不配置快速母線保護。可是在我國中低壓母線設(shè)計中，設(shè)計了較多的出線柜，開關(guān)控制次數(shù)多，開關(guān)材質(zhì)比高壓開關(guān)材質(zhì)的性能差，再加上人員違反操作規(guī)程，設(shè)備長期疏于維護絕緣相應(yīng)老化及機械疲勞磨損，運行維護條件差等多種因素，所以在中低壓母線上發(fā)生的故障幾率高。比如盡年來發(fā)生的弧光事故，2004年8月6日，無錫廟嶺站10kV 3 號母線發(fā)生不對稱單相接地故障，在檢查故障線路的操作過程中，操作人員誤入間隔把3 號母線單相接地故障接到了2 號母線上，引起211 開關(guān)爆炸，并造成一臺進口全密封110kV、31.5MVA 主變壓器因出口短路而損壞；2006年4月，廣東某供電局在一變電站進行檢修對某10kV 出線進行切換操作時，由于違章操作和開關(guān)柜內(nèi)聯(lián)鎖功能失效，在帶負荷拉開該帶電線路的線路側(cè)刀閘時產(chǎn)生弧光短路故障，故障電弧效應(yīng)將該線路柜后門沖開，將拿地線到停電線路柜后面的一位檢修人員灼傷；2007年9月，河北邢臺某供電局在110kV 變電站在進行檢修時，鹿城312 出線柜內(nèi)部故障發(fā)生爆炸，在附近工作人員的3 名檢修人員被電弧火球燒傷，變電站外一臺3150kVA 變壓器因短路燒毀，變電站停電，事故造成該供電區(qū)域大面積停電3h。如此一些事故給人員和財產(chǎn)造成了巨大損失。

然而至今，國內(nèi)對中低壓母線保護意識淡薄，沒有引起足夠的重視，基本上是依靠上一級保護裝置中的后備過流保護來切除母線短路故障，這樣造成了切除故障時間較長，造成不可估量的損失。所以，為了保證母線開關(guān)設(shè)備的安全運行，迫切需要安裝專用的中低壓母線保護系統(tǒng)。

國網(wǎng)石家莊供電公司聯(lián)合保定尤耐特電氣分析國內(nèi)外弧光保護的性能及結(jié)合國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀，共同研發(fā)生產(chǎn)出了智能電弧光保護系統(tǒng)徹底解決了這一問題，該系統(tǒng)根據(jù)檢測到的電弧光信號，在極短的時間內(nèi)（＜7ms 保護動作出口）即可切除母線（及饋線）故障，保障設(shè)備及人員安全，降低損失。

1 弧光的危害

電弧故障的危害程度取決于電弧電流及切除時間，電弧產(chǎn)生的能量與I2t成指數(shù)規(guī)律快速上升。只有總切除時間小于85ms，才能使設(shè)備不遭受損害，總切除時間大于100ms，將會對設(shè)備造成不同程度的損害。

值得一提的是國網(wǎng)石家莊供電公司聯(lián)合保定尤耐特電氣共同研發(fā)的UNT-EAP 弧光保護系統(tǒng)總切除時間經(jīng)現(xiàn)場實際測試小于67ms。

2 UNT-EAP 電弧光保護系統(tǒng)的構(gòu)成

EAP 弧光保護系統(tǒng)由 EAP2100 主單元、EAP2200 采集單元、EAP3000 饋線保護單元、弧光傳感器和光纖組成，連接如圖1所示。

圖1 智能電弧光保護系統(tǒng)連接示意

2.1 弧光保護主單元

弧光保護主單元是電弧光保護系統(tǒng)的最重要的組成部件，負責輸入信號的采集、測量、計算及邏輯判斷，實現(xiàn)各項保護邏輯。

1）弧光主單元可以提供8 路可編程的跳閘出口，可以根據(jù)現(xiàn)場情況靈活設(shè)定。

2）主單元與采集單元間具有光纖、通信雙連接，既可快速傳遞故障弧光信號，又可進行數(shù)據(jù)傳輸。

3）定時發(fā)送光秒脈沖信號，檢測光纖回路是否有破損及斷開等故障隱患。

弧光保護主單元有3 個弧光輸入接口，共可接入254 個弧光采集單元；3 路電流信號采集，5 路快速輸出跳閘出口。其跳閘出口依據(jù)為發(fā)生弧光短路時的兩個條件：弧光光強及電流突變量，弧光光強和電流突變量同時滿足設(shè)定定值時則發(fā)出跳閘命令，根據(jù)弧光傳感器輸送的信號，能準確地判斷故障點位置。

2.2 弧光保護采集單元

弧光保護的采集單元，提供8 路弧光采集輸入和8 路輸出，采用弧光傳感器采集弧光，并把該信號通過光纖傳遞給主單元，并有一路通信口與主單元進行傳輸數(shù)據(jù)。當有多臺采集單元時，各采集單元間采用串行方式傳遞弧光信號，最終傳遞給主單元。

1）弧光采集單元具備故障硬定位、軟定位功能，可以通過采集單元的指示燈指示定位弧光位置。

2）弧光信號可在采集單元之間串行傳輸，從而使監(jiān)測點的數(shù)量可任意增加，且大大減少了傳輸光纖的成本，更適合于多種運行方式。

2.3 弧光保護饋線單元

饋線保護單元獨立使用，每個單元最多可提供3 個弧光輸入口，3 路電流信號采集，5 路快速輸出跳閘出口。其動作判據(jù)為發(fā)生故障時兩個因素：弧光及電流增量，弧光數(shù)值和電流增量同時滿足定值時則發(fā)生跳閘命令。

1）獨有的快速電流算法，保證電流判據(jù)的快速、可靠性。

2）全數(shù)字化設(shè)計，整定參數(shù)時無需撥碼開關(guān)及電位器等機械元件，精度高，無振動、磨損等隱患。

2.4 弧光傳感器

弧光傳感器安裝在開關(guān)柜各間隔室中，可實現(xiàn)對由簡單到各種復(fù)雜接線中、低壓開關(guān)柜提供有選擇性的保護?；」鈧鞲衅髯鳛楣飧袘?yīng)元件，將檢測在發(fā)生弧光故障時突然增加的光強，并將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號傳送給采集單元。

1）檢測范圍100～500kLUX 范圍間調(diào)整。

2）弧光傳感器安裝在開關(guān)柜內(nèi)，把光信號 直接傳給弧光單元或主控單元。

3）安裝十分方便。

3 UNT-EAP 電弧光保護系統(tǒng)控制原理

圖2 電弧光保護原理

電弧光保護動作判據(jù)為故障時產(chǎn)生的兩個條件：弧光和電流增量。當檢測到弧光和電流增量同 時達到設(shè)定值時發(fā)出跳閘指令信號；當只檢測到單一弧光或者電流增量滿足設(shè)定值時只發(fā)出報警信號，并不發(fā)出跳閘指令。

4 UNT-EAP 電弧光保護系統(tǒng)系統(tǒng)優(yōu)點

4.1 動作迅速可靠

內(nèi)部器件使用快速繼電器，在7ms 內(nèi)發(fā)出跳閘指令，加上斷路器固有動作時間為30～60ms，這樣故障總切除時間控制在67ms 以內(nèi)。繼電保護裝置包括測量、計算、自檢、動作等時間累計約44ms，加上斷路器動作時間，差動保護和無時限電流速斷保護動作，故障切除時間約100ms。即使電流速斷保護比弧光保護多40ms，查看弧光危害示意圖，電纜已經(jīng)燃燒。如果是帶時限電流速斷保護延時100ms、過電流Ⅰ段延時300ms，已經(jīng)達到柜體燃燒甚至爆炸的可能。

通過檢測弧光強度和過電流閉鎖的兩個判據(jù)，實現(xiàn)了該系統(tǒng)保護的準確動作。再加上整套系統(tǒng)持續(xù)全面的自檢功能（已取得實用新型專利），充分保證整套系統(tǒng)工作的可靠性和安全性。

表1 電弧光保護和過電流保護時間對照表

4.2 確定故障位置功能

傳感器安裝在各開關(guān)柜的間隔室中，也可以沿著母線安裝。主單元設(shè)備上記錄發(fā)生故障的位置和動作時間。

4.3 抗干擾能力強

弧光傳感器為無源型，這樣不會存在被干擾問題。大大增強了安全性。

5 應(yīng)用

石家莊市奧北公元小區(qū)配電站，現(xiàn)場共有18 個間隔，每個配電柜上配有許繼PMF702A 綜合配電保護裝置，其固有動作時間約為40ms，加上斷路器固有動作時間為30～60ms，這樣故障總切除時間一般在100ms 左右，此時電纜已經(jīng)燃燒，根本無法實現(xiàn)母線保護。

現(xiàn)在配置了一套UNT-EAP 電弧光保護系統(tǒng)：兩臺弧光保護主單元，兩臺采集單元、八臺饋線保護單元；每個間隔單元的母線室均配備一個弧光探頭如圖1所示，本系統(tǒng)在7ms 內(nèi)發(fā)出跳閘指令，總切除弧光時間小于 67ms，有效地保護了母線。UNT-EAP 電弧光保護系統(tǒng)安裝后如圖3、圖4、圖5和圖6所示?；」馔度肱c退出可通過壓板投退。

圖3 母線室弧光探頭安裝

圖4 弧光保護主單元安裝

圖5 弧光保護采集單元安裝

圖6 電纜室弧光探頭安裝

6 結(jié)論

通過現(xiàn)場模擬弧光現(xiàn)象的試驗更進一步的應(yīng)征了UNT-EAP 電弧光保護系統(tǒng)快速準確的故障定位與切除故障性能，說明智能電弧光保護系統(tǒng)是電氣保護一個新的重要分支，UNT-EAP 電弧光保護系統(tǒng)以感光快速和電流增量的邏輯配合使其優(yōu)越性表現(xiàn)更為突出。UNT-EAP 弧光保護系統(tǒng)具有保護邏輯簡單、動作快速可靠、系統(tǒng)配置簡單、適用性強，在現(xiàn)場安裝方便靈活，調(diào)試簡單等優(yōu)點，是目前最為理想的母線保護解決方案；在某一方面，也可以作為一種后備保護。

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[2] 電弧光保護專家,杭州瑞勝電氣有限公司.ARC Protection Specialist,Rizner Electrical Co,Ltd.Hangzhou,China.

[3] 光電式電弧光保護系統(tǒng)用戶手冊,瑞勝電氣有限公司.The User’s Manual of ARC Protection System,Rizner Electrical Co.,Ltd.Hangzhou,China.

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