中低壓母線弧光保護(hù)系統(tǒng)

國(guó)網(wǎng)河南省電力公司許昌供電公司 胥俊巖

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中低壓母線弧光保護(hù)系統(tǒng)

國(guó)網(wǎng)河南省電力公司許昌供電公司 胥俊巖

【摘要】中低壓母線短路故障僅依靠上一級(jí)保護(hù)裝置的后備保護(hù)，無法在電弧燃燒危害擴(kuò)大前切斷故障，造成嚴(yán)重?fù)p失?；」獗Ｗo(hù)系統(tǒng)通過弧光檢測(cè)和過電流檢測(cè)雙判據(jù)原理，從弧光故障到出口報(bào)警跳閘時(shí)間小于4ms，為開關(guān)柜、母線和各種變流設(shè)備提供全面、快速的保護(hù)。

【關(guān)鍵詞】弧光保護(hù)；中低壓母線；快速保護(hù)；弧光傳感器

0　引言

隨著電網(wǎng)容量的不斷擴(kuò)大，中低壓配電系統(tǒng)的規(guī)模也隨之變大，中壓母線短路容量愈來愈高，而中低壓系統(tǒng)多使用封閉式的中置柜以電纜引出，操作頻繁，運(yùn)行電流大，故障過電壓高，設(shè)備制造質(zhì)量和安全距離比高壓設(shè)備差，容易發(fā)生絕緣事故。近幾年常有開關(guān)柜或母線因絕緣損壞、操作失誤、設(shè)備老化等原因產(chǎn)生弧光而被燒毀的事故發(fā)生，甚至造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害。

繼電保護(hù)領(lǐng)域微機(jī)保護(hù)技術(shù)的飛躍發(fā)展，使得110kV及以上電壓等級(jí)的供電系統(tǒng)已有比較成熟的保護(hù)措施，對(duì)于中低壓(35kV及以下電壓等級(jí))配電系統(tǒng)，因母線不存在穩(wěn)定問題，一般不裝設(shè)差動(dòng)保護(hù)，在目前的保護(hù)方案中，中低壓母線母線故障均靠上一級(jí)保護(hù)裝置的后備保護(hù)來切除。而弧光短路作為中、低壓開關(guān)柜內(nèi)部最嚴(yán)重的故障之一，由于電弧電阻的原因，短路電流往往達(dá)不到過流、速斷整定值而不能快速動(dòng)作切斷故障，導(dǎo)致電弧持續(xù)燃燒釋放出巨大的能量，造成嚴(yán)重的損失。因此，一種中壓母線的快速保護(hù)方案非常必要。

為解決這個(gè)問題，國(guó)內(nèi)外一些專家學(xué)者根據(jù)弧光短路時(shí)產(chǎn)生的大電流和高強(qiáng)度弧光兩個(gè)特性，提出了電弧光保護(hù)。南京弘毅電氣自動(dòng)化有限公司研制的DPR360ARC系列弧光保護(hù)系統(tǒng)，采用弧光檢測(cè)和過電流檢測(cè)雙判據(jù)原理，綜合弧光保護(hù)和高速通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，吸收弧光保護(hù)、失靈保護(hù)、電流保護(hù)的特點(diǎn)，從光纖弧光傳感器檢測(cè)到故障電弧光，到出口報(bào)警跳閘的時(shí)間小于4ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置[1,2]。

1　電弧產(chǎn)生的原因及危害

1.1電弧產(chǎn)生的原因

電弧光產(chǎn)生的原因主要有以下幾方面：

(1)誤入帶電間隔，隔離開關(guān)誤操作，母線接線錯(cuò)誤，設(shè)備正常檢修后，遺漏工器具在開關(guān)設(shè)備內(nèi)等人為原因；

(2)中低壓開關(guān)柜無母線保護(hù)，出線多，操作頻繁，絕緣材料爬距不足，達(dá)不到加強(qiáng)絕緣要求，設(shè)備故障，絕緣老化，機(jī)械磨損；

(3)小動(dòng)物(尤其是老鼠)、灰塵、溫度、濕度及腐蝕等環(huán)境因素；

(4)系統(tǒng)容量增大，接地方式改變，雷電襲擊，裝置配置不當(dāng)引起諧振過電壓。

1.2電弧產(chǎn)生的危害

電弧的產(chǎn)生通常伴隨著巨大的光能和熱能釋放，造成開關(guān)設(shè)備中壓力和溫度迅速增加，如不及時(shí)切除、將造成重大危害。

電弧中心溫度約為20000℃，高溫導(dǎo)致電纜熔毀，電纜護(hù)套著火，銅排、鋁排等器件迅速氣化；空氣過熱膨脹，產(chǎn)生巨大壓力，其壓力波使設(shè)備變形、破碎、爆炸，若沖擊波波及站內(nèi)直流系統(tǒng)將造成全站直流失電；爆破帶來開關(guān)設(shè)備的劇烈振動(dòng)，使固定元件松脫；開關(guān)柜內(nèi)電弧持續(xù)燃燒，產(chǎn)生大量高溫金屬氣體會(huì)造成兩相短路和三相短路；沒有滅弧保護(hù)的情況下，往往熔毀開關(guān)柜或一整套機(jī)組，使其無法修復(fù)，損失巨大。

弧光短路釋放巨大的能量還會(huì)對(duì)附近的工作人員造成嚴(yán)重的傷害。高溫會(huì)灼傷皮膚；強(qiáng)光刺傷眼睛造成暫時(shí)性失明；感應(yīng)電流會(huì)侵害肌肉、神經(jīng)；高溫使金屬熔化、蒸發(fā)并滲透到人體皮膚表層；燃燒產(chǎn)生的有毒氣體會(huì)傷害呼吸系統(tǒng)；爆破音會(huì)震傷耳膜、內(nèi)臟等；爆破碎片飛射造成人員傷亡。

電弧光故障的危害程度取決于電弧光電流的大小及切除時(shí)間長(zhǎng)短，電弧光產(chǎn)生的能量I2t與切除時(shí)間T成指數(shù)規(guī)律快速上升(如圖1)。

從圖1可以看出，要保證設(shè)備不受結(jié)構(gòu)性損傷，必須盡量縮短切除時(shí)間，當(dāng)切除時(shí)間控制在100ms以內(nèi)時(shí)，可以防止危害繼續(xù)擴(kuò)大，減少損失。

1.3中低壓母線保護(hù)現(xiàn)狀

(1)變壓器后備過電流保護(hù)，典型保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為1.2s-2.0s，時(shí)間過長(zhǎng)；

(2)饋線電流保護(hù)閉鎖式母線保護(hù)，典型保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為300ms-500ms，但需更換原有饋線保護(hù)，并且仍不能在設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p害前切除故障；

(3)母線差動(dòng)保護(hù)，典型保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為15ms，但保護(hù)范圍受CT安裝位置的限制，接線復(fù)雜，成本高施工困難；

(4)傳統(tǒng)弧光保護(hù)，典型保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為8-15ms，但只檢測(cè)母線室的弧光信號(hào)，回避了最常發(fā)生故障的開關(guān)柜開關(guān)室和電纜室，不能形成對(duì)開關(guān)柜的全覆蓋保護(hù)[3,4]。

2　弧光保護(hù)系統(tǒng)

2.1弧光保護(hù)系統(tǒng)組成

DPR360ARC弧光保護(hù)系統(tǒng)是一個(gè)模塊化系統(tǒng)，包括主控單元、電流單元、弧光單元和弧光傳感器，系統(tǒng)組成示意圖如圖2：

圖1　電弧燃燒能量與時(shí)間關(guān)系曲線

圖2　弧光保護(hù)系統(tǒng)組成示意圖

(1)主控單元：系統(tǒng)核心部件，負(fù)責(zé)輸入量的采集、計(jì)算及邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)保護(hù)邏輯、與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)通信、自檢及其他輔助功能。主控單元包含電流檢測(cè)和斷路器失靈保護(hù)，對(duì)短路電流和弧光傳感器動(dòng)作信息進(jìn)行處理、判斷，當(dāng)同時(shí)檢測(cè)到弧光和過流時(shí)，發(fā)出跳閘指令切斷故障點(diǎn)。如果進(jìn)線斷路器未能動(dòng)作切除故障，斷路器失靈保護(hù)邏輯啟動(dòng)，發(fā)出跳閘指令給上級(jí)斷路器切除故障。主控單元還根據(jù)輔助單元傳送的弧光傳感器動(dòng)作信息和溫度傳感器測(cè)量的溫度，提供弧光故障點(diǎn)的定位信息。

(2)電流單元：用于檢測(cè)三相電流信號(hào)，安裝在進(jìn)線電源開關(guān)柜中，可就地采集3路電流信息，配置2路快速繼電器、3路常規(guī)繼電器用于系統(tǒng)就地跳閘或就近跳閘。通過光纜與主控單元高速通信，將就地采集的進(jìn)線電源電流信息實(shí)時(shí)傳送至主控單元，主控單元依據(jù)設(shè)定的邏輯判斷是否發(fā)出跳閘命令。每個(gè)主控單元最多可以連接6個(gè)電流單元，提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和適用性。

(3)弧光單元：安裝在需要保護(hù)的位置附近，收集弧光探頭的動(dòng)作信息并傳送給主控單元，在主控單元上顯示弧光單元和弧光探頭的地址編號(hào)，有利于及時(shí)檢修和排除故障。主控單元自帶16個(gè)弧光專用檢測(cè)口，不夠用時(shí)可使用弧光單元，每個(gè)主控可連接2個(gè)弧光擴(kuò)展器，每個(gè)弧光擴(kuò)展器可接入8個(gè)弧光單元，每個(gè)弧光單元可接入16個(gè)弧光傳感器。

(4)弧光傳感器：光感應(yīng)元件，在發(fā)生弧光故障時(shí)檢測(cè)突然增加的光強(qiáng)，并通過專用光纖將光信號(hào)傳送給弧光單元或主控單元。

系統(tǒng)配置模塊化，可組成只有一個(gè)主控單元的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，或包含多個(gè)單元能用于選擇性電弧光保護(hù)的復(fù)雜系統(tǒng)，滿足了不同場(chǎng)合的弧光保護(hù)需求[3,4]。

2.2系統(tǒng)工作原理

(1)主控單元保護(hù)邏輯。母線配置的弧光探頭直接接入主控單元，主控單元收到弧光繼電器已動(dòng)作信號(hào)后，若弧光繼電器所屬區(qū)域電源點(diǎn)相電流判據(jù)滿足或零序電壓判據(jù)滿足并且母線弧光傳感器動(dòng)作，則主控單元根據(jù)整定的邏輯跳主變低壓側(cè)開關(guān)、分段開關(guān)，只檢測(cè)到弧光信號(hào)時(shí)發(fā)報(bào)警信號(hào)。

(2)弧光繼電器保護(hù)邏輯。電纜室、開關(guān)室弧光傳感器直接接至弧光繼電器，當(dāng)弧光繼電器檢測(cè)到本裝置檢測(cè)的弧光傳感器動(dòng)作，且滿足電流判據(jù)時(shí)，快速動(dòng)作出口跳本斷路器，并發(fā)送該弧光繼電器動(dòng)作信號(hào)至主控單元，作為主控單元邏輯判斷的輔助判據(jù)，若只有弧光傳感器動(dòng)作，則發(fā)告警信號(hào)。

3　典型配置

對(duì)于2條電源進(jìn)線、2臺(tái)主變、兩段母線、單母線分段結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。主控單元采集2臺(tái)主變低壓側(cè)電流，母聯(lián)開關(guān)電流共3組電流；每個(gè)饋出開關(guān)的電纜室、開關(guān)室各裝1個(gè)弧光傳感器，接至本饋出開關(guān)的弧光繼電器，弧光繼電器通過弧光繼電器擴(kuò)展器接至主控單元，弧光繼電器根據(jù)饋出開關(guān)所屬母線，在主控單元中分別配置關(guān)聯(lián)至至1#、2#主變低壓側(cè)電流，母聯(lián)開關(guān)電流關(guān)聯(lián)所有弧光繼電器。

弧光繼電器動(dòng)作出口時(shí)跳本開關(guān)，若開關(guān)跳開后弧光繼電器關(guān)聯(lián)的電流模塊故障電流仍然存在，則啟動(dòng)主控單元的失靈保護(hù)邏輯，跳開弧光繼電器關(guān)聯(lián)的電流模塊的開關(guān)。跳閘時(shí)可以選擇使用主控單元中6組出口繼電器，也可選擇各個(gè)開關(guān)處的電流單元上的出口繼電器就近跳開關(guān)。

由于弧光傳感器關(guān)聯(lián)至與傳感器安裝位置設(shè)備直接關(guān)聯(lián)的電流采集模塊，所以無論在系統(tǒng)分列運(yùn)行、系統(tǒng)由單主變供電或者系統(tǒng)合環(huán)運(yùn)行，均能夠保證發(fā)生故障時(shí)主控單元有選擇性的切除主變低壓側(cè)開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[5]。

4　總結(jié)

弧光保護(hù)作為中低壓母線及開關(guān)柜開關(guān)室、電纜室的主保護(hù)，可以全面保護(hù)母線及開關(guān)，做到整個(gè)系統(tǒng)無保護(hù)死區(qū)，同時(shí)采用了保護(hù)選擇性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)饋線中置柜的電纜室、開關(guān)室、母線室等不同位置發(fā)生弧光故障時(shí)的選擇性跳閘，避免停電范圍的擴(kuò)大化，縮小停電范圍，避免不必要的設(shè)備損毀和人身安全事故。

弧光保護(hù)在電力行業(yè)應(yīng)用廣泛，比如：開關(guān)柜內(nèi)中低壓母線保護(hù)、饋線開關(guān)柜弧光保護(hù)、箱式變電站弧光保護(hù)等方面，并可以在樓宇、飛機(jī)、輪船、制造業(yè)等領(lǐng)域推廣。

參考文獻(xiàn)

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胥俊巖（1975—），男，河南許昌人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，國(guó)網(wǎng)河南省電力公司許昌供電公司，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化，繼電保護(hù)。

作者簡(jiǎn)介：