電弧光保護(hù)在電氣化鐵道開關(guān)柜中的應(yīng)用研究

詹廣振

電弧光保護(hù)在電氣化鐵道開關(guān)柜中的應(yīng)用研究

詹廣振

分析了電弧光保護(hù)在目前電氣化鐵道開關(guān)柜中的應(yīng)用情況，指出存在的問題，提出改進(jìn)措施，并就充分發(fā)揮電弧光保護(hù)的作用提出了見解，供相關(guān)人員參考。

電氣化鐵道；開關(guān)設(shè)備；電弧光保護(hù)；鎧裝金屬封閉；箱型金屬封閉

0 引言

我國三相供電系統(tǒng)為小電流接地方式，發(fā)生最多的故障為單相接地故障（70%以上），由于該類型故障產(chǎn)生的短路電流不是很大，電力系統(tǒng)常用專門的消弧裝置熄滅電弧。電氣化鐵路牽引供電采用的也是單相方式，其中一相接地（接在鋼軌上），接地故障就是短路故障。另外，AT供電方式下，接觸網(wǎng)與正饋線之間的短路故障由于電壓高達(dá)55 kV，短路電流會(huì)更大，因此，電氣化鐵道開關(guān)柜承受電弧燒蝕的影響會(huì)更嚴(yán)重。根據(jù)電工原理，電弧能量理論上是 I2t，短路電流的數(shù)值不易人為控制，但短路的時(shí)間是可以縮短的，如果把短路電流持續(xù)的時(shí)間縮短到100 ms以內(nèi)，在沒有電纜的情況下，損失就可以降低很多。

我國中壓配電系統(tǒng)一般不設(shè)快速母線保護(hù)，只依靠變壓器限時(shí)后備過流保護(hù)，這至少要延時(shí)100 ms以上，再加上斷路器固有動(dòng)作時(shí)間（20～60 ms）以及燃弧時(shí)間（15 ms），總計(jì)達(dá)到150 ms以上。這會(huì)燒損銅排（鋁排就更嚴(yán)重了）甚至鋼制柜體，再恢復(fù)送電十分困難。

鑒于上述情況，各設(shè)計(jì)單位相繼要求在開關(guān)柜內(nèi)安裝電弧光保護(hù)裝置，達(dá)到快速切除故障的目的，但卻忽略了現(xiàn)有鐵道開關(guān)柜與其他行業(yè)開關(guān)柜之間的區(qū)別，使弧光保護(hù)的作用被削弱，未達(dá)到應(yīng)有的目的。針對這種情況，本文提出了新的選擇方法，以充分發(fā)揮電弧光保護(hù)裝置的作用。因水平有限，難免有不當(dāng)之處請批評(píng)指正。

1 金屬封閉開關(guān)柜分類及現(xiàn)狀

除進(jìn)出線外，完全被金屬外殼封閉的開關(guān)設(shè)備稱為金屬封閉開關(guān)設(shè)備。GB3906-1991對金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備可按以下方面分類：

（1）按使用地點(diǎn)劃分：戶外式與戶內(nèi)式。由于戶外式環(huán)境條件影響其安全性，使用很少，戶內(nèi)式占絕大多數(shù)。

（2）按主絕緣方式劃分：空氣式、充流體式（過去稱為“充氣柜”、箱式氣體絕緣組合電器（C-GIS））、固體絕緣式。

（3）按開關(guān)元件的安裝方式劃分：固定式和移開式。開關(guān)元件固定安裝在柜內(nèi)，用母線把各個(gè)元件連接起來，構(gòu)成一個(gè)完整的導(dǎo)電回路，這種結(jié)構(gòu)稱為固定式。開關(guān)元件不固定安裝在柜內(nèi)，可以在柜內(nèi)移動(dòng)甚至移出，可以形成工作位置、試驗(yàn)位置、移開位置，這種結(jié)構(gòu)稱為移開式。

（4）按內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分：鎧裝式、間隔式及箱式。某些組成部件（如主開關(guān)、電纜、母線）分別裝在接地的、用金屬隔板隔開的隔室中的金屬封閉開關(guān)設(shè)備稱為鎧裝式。與鎧裝式金屬封閉開關(guān)設(shè)備一樣，某些元件也分別裝在單獨(dú)的隔室內(nèi)，但具有一個(gè)或多個(gè)非金屬隔板，隔板的防護(hù)等級(jí)達(dá) IP2X以上，這種結(jié)構(gòu)稱為間隔式金屬封閉開關(guān)設(shè)備。除鎧裝式、間隔式以外的金屬封閉開關(guān)設(shè)備稱為箱式金屬封閉開關(guān)設(shè)備，其金屬外殼具有的特征：間隔的數(shù)目少于鎧裝式和間隔式金屬封閉開關(guān)設(shè)備；隔板的防護(hù)等級(jí)低于IP2X；隔室間可以沒有隔板。由此可知，箱式開關(guān)柜在所有開關(guān)柜中性能是最低級(jí)的，在電力行業(yè)只有環(huán)網(wǎng)柜等二次配電設(shè)備采用箱式結(jié)構(gòu)，其余都是鎧裝式的。

1.1 現(xiàn)有鐵道電氣化開關(guān)柜結(jié)構(gòu)及其存在的問題

我國現(xiàn)有鐵道電氣化開關(guān)柜使用的是 XYN-27.5箱型移開式金屬封閉開關(guān)設(shè)備，其在箱式設(shè)備中最簡單、最低級(jí)：隔室間沒有隔板，只有一個(gè)高壓室和一個(gè)低壓室，見圖1。

圖1 箱型移開式金屬封閉開關(guān)設(shè)備示意圖

這種結(jié)構(gòu)的開關(guān)柜所有高壓元件都安裝在一個(gè)室內(nèi)，若一處發(fā)生電弧光都會(huì)燒灼到所有其他高壓元件（電弧光輻射也會(huì)損害絕緣件電性能）；若一處帶電，整個(gè)高壓室都不能進(jìn)入檢修?？闺姶鸥蓴_能力也非常薄弱。這種結(jié)構(gòu)開關(guān)柜（當(dāng)初還是三室隔離，只是防護(hù)等級(jí)低）在電力等行業(yè)早已淘汰。

1.2 現(xiàn)有開關(guān)柜使用弧光保護(hù)的局限性

電弧光保護(hù)系統(tǒng)采用弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理，保護(hù)動(dòng)作速度快、可靠性高。如果選用快速繼電器出口跳閘時(shí)間小于 4 ms，選用常規(guī)繼電器出口跳閘時(shí)間小于 8 ms，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的母線保護(hù)。這樣開關(guān)柜的內(nèi)部弧光故障總切除時(shí)間可以控制在100 ms以內(nèi)，除電纜外都可以保證其他元件不會(huì)燒損，也保證了操作人員的安全，將故障損失降至最低，為快速處理故障，恢復(fù)供電創(chuàng)造了條件。

但是，這種弧光保護(hù)裝置如果安裝在上述箱式柜中，由于只有一個(gè)高壓隔室，只能安裝一個(gè)弧光感應(yīng)器，不論進(jìn)線柜還是饋線柜哪個(gè)部位發(fā)生電弧光，母線電源處電流必然突變起動(dòng)弧光保護(hù)系統(tǒng)，都會(huì)無選擇性讓進(jìn)線斷路器跳閘快速切除故障，造成該方向行車全部中斷。如果故障發(fā)生在母線側(cè)或任一斷路器上，母線停電也屬正常。如果弧光發(fā)生在該回路CT負(fù)載側(cè)，母線停電就沒有必要了，只需讓該回路停電即可。CT負(fù)載側(cè)如果是電纜引出，事故率最高，造成同方向全部停車的幾率也就更大。因此，一個(gè)高壓室的箱式開關(guān)柜采用弧光保護(hù)有可能使停電范圍擴(kuò)大，對安全行車極為不利。

如果有選擇性跳閘，就要引入饋線電流，當(dāng)檢測到母線進(jìn)、出線電流都有增量出現(xiàn)，則可以只讓該饋線斷路器跳閘，只切除該回路，不會(huì)造成該方向行車全部中斷。但是，從斷路器到CT這段線路發(fā)生弧光短路，則無法選擇判斷是應(yīng)該讓總進(jìn)線斷路器跳閘還是讓該饋線斷路器跳閘，只能讓進(jìn)線斷路器跳閘使母線全部停電，該方向列車全部停運(yùn)。所以，增加饋線電流判斷依據(jù)也只能提高部分判斷的選擇性，還不能實(shí)現(xiàn)完全的選擇性，而且還要增加饋線電流檢測回路，最后還存在停電范圍擴(kuò)大的可能。

2 理想開關(guān)柜結(jié)構(gòu)及弧光保護(hù)的配置

從開關(guān)柜分類中可以看出：最理想的是鎧裝式。過去設(shè)計(jì)成手車式（移開式）是針對少油斷路器需要頻繁維護(hù)而設(shè)計(jì)的，而現(xiàn)在使用的真空斷路器很少維護(hù)，沒有必要再設(shè)計(jì)成移開式。相反，移開式的缺點(diǎn)要多于固定式，所以，鎧裝固定式金屬封閉開關(guān)設(shè)備是比較理想的選擇。

2.1 開關(guān)柜安全保障的原理

一般鎧裝式開關(guān)柜至少要有1個(gè)低壓隔室，3個(gè)高壓隔室（母線室、斷路器室和電纜室（出線室）），圖2是KGN8-27.5型鎧裝固定式金屬封閉開關(guān)設(shè)備示意圖。該設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）一個(gè)隔室出現(xiàn)故障，只要隔板的鋼板不被燒破，其他隔室的元件就不會(huì)被損壞，故障恢復(fù)的時(shí)間就縮短了，這對行車十分有利。

（2）任意2個(gè)隔室有電，另一個(gè)隔室也可以停電檢修，這對不停電檢修十分有利，運(yùn)行的連續(xù)性最高。

（3）由于隔板采用鋼板，具有隔離電磁場的能力，可以有效屏蔽電磁場對二次元件的干擾。

（4）任何操作都是在高壓帶電體被密封的條件下進(jìn)行（IP4X防護(hù)等級(jí)），雖然操作過程是最危險(xiǎn)的時(shí)候，但是，由于設(shè)計(jì)有泄壓通道，完全可以保證人身安全。GB3906-2006中明確規(guī)定：任何時(shí)候人與帶電體之間的防護(hù)等級(jí)不得低于 IP2X，這是網(wǎng)柵式開關(guān)設(shè)備和箱式柜無論如何都達(dá)不到的。

2.2 常規(guī)的弧光保護(hù)應(yīng)用方案及存在的問題

目前變電站鎧裝開關(guān)柜電弧光保護(hù)方案是：在進(jìn)線柜內(nèi)安裝一臺(tái)弧光保護(hù)主單元，在饋線柜內(nèi)安裝一臺(tái)饋線保護(hù)單元，根據(jù)需要再安裝若干臺(tái)弧光采集單元，各個(gè)弧光采集單元再通過光纖串接起來，最后與弧光保護(hù)主單元連接（圖3）。

圖2 鎧裝固定式金屬封閉開關(guān)設(shè)備示意圖

圖3 現(xiàn)有弧光保護(hù)方案示意圖

現(xiàn)有方案存在的主要問題：

（1）所有饋線柜都要安裝饋線保護(hù)單元，增加造價(jià)。

（2）饋線保護(hù)單元都要輸入該回路電流信號(hào)，取增量后與弧光信號(hào)共同判別是否跳閘，接線復(fù)雜，判斷過程也復(fù)雜。

（3）斷路器室發(fā)生弧光啟動(dòng)饋線保護(hù)單元，但該回路短路電流并不通過電流互感器，饋線保護(hù)單元檢測到的電流變化量可能是減量也有可能是增量（取決于負(fù)載性質(zhì)），會(huì)影響判斷的準(zhǔn)確性。如果弧光發(fā)生在斷路器斷口上端，應(yīng)該讓進(jìn)線斷路器跳閘以切除故障，如果發(fā)生在下端，應(yīng)該讓饋線斷路器跳閘。但在一個(gè)室內(nèi)，弧光探頭是無法區(qū)分的，只能讓進(jìn)線斷路器跳閘才可降低風(fēng)險(xiǎn)。

（4）在斷路器與 CT之間發(fā)生弧光短路，饋線保護(hù)單元無法啟動(dòng)跳閘，只能讓進(jìn)線斷路器跳閘，擴(kuò)大了停電范圍。

2.3 理想的弧光保護(hù)應(yīng)用方案

鑒于上述情況，筆者認(rèn)為采取如下方案比較合 理，如圖4所示。

圖4 鎧裝固定柜采取的弧光保護(hù)方案示意圖

該保護(hù)方案工作原理：進(jìn)線柜進(jìn)、出線室（電纜室）弧光探頭動(dòng)作不必再檢測電流增量，直接讓進(jìn)線斷路器（包括變壓器高壓側(cè)斷路器）跳閘，母線室、斷路器室探頭動(dòng)作需再檢測電流增量后讓斷路器跳閘。各饋線柜和PT柜的母線室、斷路器室（包括PT室）探頭動(dòng)作，通過弧光采集單元啟動(dòng)弧光保護(hù)主單元，再檢測進(jìn)線柜電流增量，直接讓進(jìn)線斷路器跳閘。饋線柜電纜室（或出線室）弧光保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)弧光保護(hù)主單元，再檢測進(jìn)線電流增量，最后根據(jù)啟動(dòng)的弧光探頭的位置，通過執(zhí)行裝置只讓該饋線斷路器跳閘，達(dá)到選擇性的目的。這種方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）所有饋線柜都不需要安裝饋線保護(hù)單元，只安裝一個(gè)斷路器執(zhí)行裝置（一般帶遠(yuǎn)動(dòng)控制的開關(guān)柜都有），降低造價(jià)。

（2）不再取饋線電流增量信號(hào)，接線簡單，造價(jià)低，判斷過程也簡單、準(zhǔn)確。

（3）由于有可靠的選擇性，饋線斷路器負(fù)載側(cè)發(fā)生故障不會(huì)引起進(jìn)線斷路器跳閘，有效地減少了停電范圍，保證行車安全可靠。

（4）在斷路器室內(nèi)，即使安裝多個(gè)弧光探頭，也很難區(qū)分滅弧室進(jìn)線側(cè)發(fā)生弧光還是出線側(cè)發(fā)生弧光，因?yàn)榛」獍l(fā)生的部位是隨機(jī)的，再加上反射和折射，在一個(gè)金屬封閉的室內(nèi)很難再確定具體位置，容易誤判。另外，即使斷路器出線側(cè)首先發(fā)生弧光，進(jìn)線側(cè)的絕緣件也要受到灼燒，絕緣強(qiáng)度降低，也應(yīng)盡快退出運(yùn)行，保證安全。

3 結(jié)語

綜上所述，弧光保護(hù)既要保證保護(hù)的快速性、準(zhǔn)確性，還要保證選擇性，這才是解決問題的關(guān)鍵。筆者認(rèn)為從以下幾個(gè)方面考慮比較穩(wěn)妥：

（1）要選擇一種設(shè)計(jì)先進(jìn)的開關(guān)柜產(chǎn)品，這是最基本的條件。但弧光保護(hù)只是一種補(bǔ)救手段，例如，現(xiàn)在廣泛使用的XYN-27.5箱型金屬封閉開關(guān)設(shè)備，只有一個(gè)高壓室，安裝弧光保護(hù)裝置后，沒有了選擇性跳閘，這對行車安全反而不利。建議設(shè)計(jì)選型時(shí)選擇鎧裝式結(jié)構(gòu)。

（2）弧光饋線保護(hù)裝置與普通的微機(jī)式保護(hù)裝置重復(fù)設(shè)置，不但造價(jià)高，事故的幾率也高了。建議綜合保護(hù)廠家在裝置上增加弧光保護(hù)功能，縮短出口跳閘繼電器的動(dòng)作時(shí)間（3 ms以內(nèi)），進(jìn)線保護(hù)裝置與饋線保護(hù)裝置直接建立通訊連接縮短跳閘指令傳輸時(shí)間。

（3）對弧光探頭進(jìn)行深度研究，提高其探測范圍的精確性，避免范圍以外的弧光對其產(chǎn)生影響，這樣就可以在斷路器室內(nèi)通過弧光探頭區(qū)分滅弧室進(jìn)線側(cè)還是出線側(cè)發(fā)生的弧光，進(jìn)一步提高其選擇性。

（4）目前，在一些先進(jìn)國家弧光保護(hù)裝置已成為中壓開關(guān)柜的標(biāo)準(zhǔn)配置。我國在2005年后，各地用電部門也強(qiáng)調(diào)了電弧光的危害，同時(shí)在輸配電系統(tǒng)中大量推廣了弧光保護(hù)裝置。建議在電氣化鐵道領(lǐng)域也進(jìn)行合理選用。

[1] 徐國政，張節(jié)容，錢家驪，等. 高壓斷路器原理和應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[2] 王季梅.真空開關(guān)理論及其應(yīng)用[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，1986.

[3] GB3906-2006 3.6 kV～40.5 kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備[S]. 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).

[4] 翟鐵久，涂大石，王燕楠. 電氣化鐵道開關(guān)設(shè)備選型研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012，（8）.

Analyzes the application of arc light protection for switchgear of electrified railway, points out existed problems, proposes improving measures and raises suggestions on fully playing roles of arc light protection, provides references by relative personnel.

Electric railway; switchgear; arc light protection; armored metal-enclosure; box type metal-closure

U226.7

：B

：1007-936X(2015)03-0007-04

2014-08-05

詹廣振.鄭州鐵路局新鄉(xiāng)供電段，高級(jí)工程師，電話：18738582193。