電弧光保護在氧化鋁廠10kV配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

李云雙

摘 要：分析10kV開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生弧光短路故障的原因及危害，并在氧化鋁廠10kV配電系統(tǒng)中采用電弧光保護，以減少電弧光短路故障對開關(guān)柜的破壞作用，從而進一步保證氧化鋁廠供電的可靠性。

關(guān)鍵詞：電弧光保護；配電母線；短路故障

氧化鋁廠10kV配電系統(tǒng)都未裝設(shè)專用的母線保護。當10kV配電母線發(fā)生短路故障時，所產(chǎn)生的電弧光會對開關(guān)柜本體及電氣運行人員產(chǎn)生非常大的傷害，但是目前國標規(guī)范并不要求對10kV配電系統(tǒng)設(shè)置專用的母線保護，而是依靠上一級饋線開關(guān)來切除母線短路故障。由于要考慮上下級饋線開關(guān)之間的配合關(guān)系，上一級饋線開關(guān)保護跳閘時間一般整定為0.5秒以上，這就會導(dǎo)致故障切除時間過長，加大了開關(guān)柜本體的損傷程度，嚴重時可能造成氧化鋁廠大面積停電。該問題已引起氧化鋁廠電力設(shè)計人員的高度重視。

1 電弧光產(chǎn)生的原因

（1）絕緣故障。開關(guān)柜內(nèi)的絕緣材料電氣距離不夠，在積灰嚴重、天氣潮濕時易發(fā)生絕緣故障。另外，運行時間較長的開關(guān)柜在機械磨損、電磁場、溫度、腐蝕等環(huán)境作用下也易造成絕緣老化，從而發(fā)生絕緣故障。

（2）電氣回路接觸不良。開關(guān)柜內(nèi)電氣觸頭接觸不良、緊固螺栓松動，在大電流通過時易產(chǎn)生發(fā)熱狀況，從而引起絕緣擊穿。

（3）外來物體的進入，如設(shè)備正常檢修后工具遺漏在開關(guān)柜內(nèi)或小動物進入開關(guān)柜。

（4）人為操作原因，如誤入帶電間隔、隔離開關(guān)誤操作、帶接地線合閘、忘記測量工作區(qū)內(nèi)電壓。

2 電弧光的危害

（1）電弧光中心溫度極高（約為20000℃）。由于過熱可能導(dǎo)致銅排、鋁排、電纜、銅牌和鋼材熔毀氣化，過熱會導(dǎo)致壓力上升，可能會使開關(guān)柜爆炸。

（2）故障產(chǎn)生的弧光沖擊波可摧毀周圍的用電設(shè)備，若波及直流系統(tǒng)，可造成全所直流失電，將造成無法彌補的重大損失。

（3）高溫灼傷皮膚、爆破音振損傷耳膜、強光刺傷眼睛、爆炸碎片飛射，從而造成人員傷亡。

3 電弧光故障分析

氧化鋁廠10kV配電系統(tǒng)為小電流接地系統(tǒng)，正常狀態(tài)下三相電壓對稱，每相對地電容電流都超前相電壓90o，三相電容之和為零。當系統(tǒng)母線發(fā)生單相接地短路后，中性點對地電壓不再為零，系統(tǒng)出現(xiàn)中性點偏移。當為金屬性接地時，故障相對地電壓為零，非故障相電壓升高為線電壓，非故障相電流增大。當電纜出線較多、較長時，對地電容電流會很大，并會導(dǎo)致電弧接地過電壓，極易產(chǎn)生燃弧現(xiàn)象。IEC298標準規(guī)定開關(guān)柜內(nèi)部燃弧時間是100ms，為保護開關(guān)柜免受電弧短路故障的破壞，保護動作應(yīng)在100ms以內(nèi)切除電弧光故障。

4 QGP322電弧光保護系統(tǒng)

4.1 QGP322電弧光保護原理

QGP322電弧光保護系統(tǒng)采用弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理。當10kV開關(guān)柜發(fā)生短路故障時，會產(chǎn)生弧光，弧光傳感器檢測到弧光后把信號傳遞給輔助單元，輔助單元再把信號傳送至主單元，主單元收到弧光信號后檢測電流。當弧光信號和電流過流信號同時存在時，啟動跳閘出口，發(fā)出跳閘信號。電弧光保護系統(tǒng)動作速度快、可靠性高。

4.2 QGP322電弧光系統(tǒng)組成及功能

QGP322電弧光保護系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要由主單元、輔助單元、弧光傳感器組成。

（1）主單元的功能包括判斷電流和弧光同時發(fā)生；弧光探測信號的自動采集、邏輯設(shè)置管理；對所有關(guān)聯(lián)弧光傳感器的持續(xù)監(jiān)視；保護跳閘啟動方案的選擇；故障方位的精確定位；可持續(xù)的系統(tǒng)自檢；故障信息的管理。

（2）輔助單元用于連接電弧光保護主單元和弧光傳感器，每個輔助單元可連接16個弧光傳感器。每一個連接的傳感器都可給出一個獨立的地址信息，用于弧光保護系統(tǒng)的邏輯設(shè)置、監(jiān)視所連接的弧光傳感器的狀態(tài)、裝置故障定位等。輔助單元與主單元之間經(jīng)專用連接電纜實現(xiàn)通訊聯(lián)系，輔助單元之間可用連接電纜實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展功能。

（3）弧光傳感器安裝在開關(guān)柜中，可實現(xiàn)有選擇性的保護?；」鈧鞲衅魇且环N光感應(yīng)元件。當發(fā)生接地或相間短路故障時，因有弧光產(chǎn)生，弧光傳感器內(nèi)電子元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并傳遞給弧光保護的輔助單元。

4.3 QGP322電弧光保護系統(tǒng)在氧化鋁廠10kV配電系統(tǒng)的應(yīng)用

氧化鋁廠各10kV配電系統(tǒng)均采用單母線分段的接線方式，正常時為分列運行方式，兩路進線電源分別引自上級10kV總配電所，各饋出回路為所在生產(chǎn)區(qū)域的10/0.4kV變壓器和10kV電動機供電。

（1）弧光保護的配置。10kV配電系統(tǒng)的弧光保護由主單元QGP322、輔助單元QGP16L和弧光傳感器QGS20和連接電纜組成。在每個10kV饋線柜內(nèi)安裝1個弧光傳感器，在母聯(lián)柜和隔離柜安裝一個弧光傳感器，在電壓互感器柜安裝1個弧光傳感器，通過輔助單元QGP16L把采集的弧光信號傳遞給主單元QGP322。主單元QGP322分別安裝在兩個進線柜上，輔助單元QGP16L安裝在母聯(lián)柜或饋線柜上，輔助單元QGP16L連接弧光傳感器QGS20不能超過16個，超過時需再增加一個輔助單元。

（2）弧光保護整定。當弧光傳感器QGS20采集到弧光信號、主單元QGP322采集到過流信號時，將發(fā)出跳閘命令跳開進線斷路器，同時將動作信號送至后臺監(jiān)控系統(tǒng)。當任意一段母線發(fā)生母線短路時，會跳開該段母線的進線斷路器，另一段母線則保持正常運行。弧光判據(jù)的啟動條件是弧光強度超過8000LX，電流超過正常最大負荷電流。

5 結(jié)語

開關(guān)柜內(nèi)部的電弧光短路故障是一種很嚴重的故障。一旦發(fā)生，會對開關(guān)柜本體及電氣運行人員造成非常大的傷害。電弧光保護系統(tǒng)為氧化鋁廠10kV母線系統(tǒng)提供了可行的解決方案，通過在開關(guān)柜內(nèi)設(shè)置電弧光保護系統(tǒng)，在開關(guān)柜的電弧耐受時間標準以內(nèi)切除電弧光故障，可最大程度地減少弧光短路故障對用電設(shè)備的破壞，從而進一步保證氧化鋁廠供電的可靠性。

參考文獻

[1]韓勝國，楊華.電弧光保護在中低壓母線保護中的應(yīng)用[J].貴州電力技術(shù)，2014，（3）：73-75.

[2]朱根良.淺議中壓開關(guān)柜事故調(diào)查中的故障分析[J].高壓電器，2002，38（5）：62-63.

（作者單位：東北大學(xué)設(shè)計院（有限公司））