弧光保護(hù)技術(shù)及其在電網(wǎng)中的應(yīng)用綜述

朱 鑫，鄭永康，向 博，趙子涵，丁宣文，吳 杰

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院， 四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

在10～35 kV不接地系統(tǒng)中，配電方式常采用開關(guān)柜型式，一般未配置母線保護(hù)。這導(dǎo)致母線故障時(shí)存在保護(hù)動(dòng)作時(shí)間長、接線復(fù)雜、對互感器要求高、經(jīng)濟(jì)性差、不能提供故障定位等問題。相比傳統(tǒng)保護(hù)方法存在的不足[1]，弧光保護(hù)系統(tǒng)具有保護(hù)原理簡單、可靠性高、保護(hù)動(dòng)作時(shí)間快、易實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)定位等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)對當(dāng)前電網(wǎng)投入運(yùn)行的弧光保護(hù)裝置的技術(shù)原理和技術(shù)方案、弧光傳感器以及對不同接地方式適應(yīng)性的研究，總結(jié)了現(xiàn)階段弧光保護(hù)裝置的應(yīng)用情況及存在的問題，并就弧光保護(hù)的配置選型、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)提出了相關(guān)建議。

1 國內(nèi)外弧光保護(hù)技術(shù)應(yīng)用情況

在20世紀(jì)90年代初，美國、瑞典等開始將弧光保護(hù)用于中、低壓開關(guān)柜，作為其內(nèi)部故障時(shí)的保護(hù)。國外一些地區(qū)的配電網(wǎng)中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)小阻抗接地，其弧光保護(hù)主要采用弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理，或采用弧光檢測和零序電流檢測雙判據(jù)原理，當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生相間弧光短路故障，或單相弧光接地故障時(shí)，弧光保護(hù)能夠快速動(dòng)作切除故障，有效減輕電弧光對設(shè)備和人身的傷害。

中國許多地區(qū)都安裝了弧光保護(hù)，但運(yùn)行效果并不理想，主要存在如下問題：1)弧光保護(hù)只采集了母線弧光信號，導(dǎo)致線纜室、斷路器室發(fā)生的弧光故障不能及時(shí)切除；2)弧光保護(hù)采用弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理后，不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相弧光接地時(shí)，故障電流較小，容易發(fā)生拒動(dòng)；3)個(gè)別裝置為解決不接地系統(tǒng)的故障電流檢測靈敏度不足問題，降低了電流定值，并采用可見光波段的弧光傳感器，導(dǎo)致雷電光或者強(qiáng)光手電照射又遇涌流時(shí)發(fā)生誤動(dòng)。

目前，已有廠家研發(fā)了新型的弧光保護(hù)裝置和弧光傳感器，即在原有弧光保護(hù)采用弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理上，增加三相電壓合成零序電壓(或外接零序電壓)判據(jù)，形成弧光檢測和過流或零序電壓判據(jù)原理，可以解決單相接地弧光故障問題。通過采用紫外光波段的弧光傳感器避免強(qiáng)光遇涌流的誤動(dòng)，同時(shí)還增加電纜室弧光故障的選擇性跳閘功能，其技術(shù)路線可以有效解決前述三方面問題。

2 弧光保護(hù)技術(shù)原理

2.1 弧光傳感器類型

電弧是通過電離的氣體(空氣)在帶電體和地之間或帶電體之間形成的短路，通常伴隨產(chǎn)生電光、刺激性聲音，并以電磁波形式輻射[2]，是一個(gè)非常復(fù)雜過程。

目前，可利用對電弧光、紅外等特征的檢測判斷開關(guān)柜內(nèi)是否有電弧產(chǎn)生，進(jìn)而判斷柜內(nèi)是否有故障。在電力系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的電弧檢測方法是通過檢測電弧光來判斷柜內(nèi)的故障情況。當(dāng)前常用的弧光傳感器可分為如圖1所示的3類。

圖1 常用弧光傳感器分類

不同類型的弧光傳感器有各自的技術(shù)特性，其主要技術(shù)性能對比結(jié)果如表1所示。

表1 弧光傳感器技術(shù)性能對比

2.2 弧光保護(hù)主要技術(shù)原理

弧光作為電弧變化最顯著的特征量，具有變化速度快(以ms為單位)、監(jiān)測最直觀等特征。電弧光保護(hù)通常通過對開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生短路時(shí)產(chǎn)生的弧光進(jìn)行監(jiān)測來判斷柜內(nèi)是否有故障產(chǎn)生。同時(shí)，為防止柜外光線對弧光保護(hù)系統(tǒng)的干擾，各廠家在保護(hù)系統(tǒng)中還以過流元件為閉鎖信號，即只有同時(shí)滿足弧光強(qiáng)度超過警戒值、過流元件動(dòng)作時(shí)，弧光保護(hù)才會(huì)動(dòng)作，既保證了保護(hù)動(dòng)作的快速性，也保證了保護(hù)動(dòng)作可靠性[3]。

按照當(dāng)前弧光保護(hù)主要采用的技術(shù)原理分類，主要有以下3種判據(jù)方式：

1)弧光、過電流檢測雙判據(jù)原理

基于對電力設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)[4]，當(dāng)弧光保護(hù)同時(shí)檢測到弧光信號、過電流(或電流突變量超過定值)時(shí)，弧光保護(hù)會(huì)動(dòng)作并發(fā)出跳閘命令切除故障，通過對電弧光、電流信號的雙判據(jù)，在保證保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的基礎(chǔ)上也提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性。其保護(hù)邏輯如圖2所示。

圖2 弧光、過電流檢測雙判據(jù)弧光保護(hù)邏輯

2)弧光、過電流、零序電流判據(jù)原理

在經(jīng)阻抗接地系統(tǒng)中，若弧光保護(hù)原理僅使用弧光、過電流判據(jù)，單相接地故障的反應(yīng)能力存在不足。需要引入零序電流判據(jù)，形成弧光檢測和過電流檢測或零序電流檢測雙判據(jù)原理，當(dāng)發(fā)生相間弧光短路故障，或單相弧光接地故障時(shí)，弧光保護(hù)能夠快速動(dòng)作，切除故障，有效減輕電弧光對設(shè)備和人身的傷害。其保護(hù)邏輯如圖3所示。

圖3 弧光、過電流、零序電流判據(jù)弧光保護(hù)邏輯

3)弧光、過電流、零序電壓判據(jù)原理

在不接地系統(tǒng)中，可采用弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理判別相間弧光短路故障。單相弧光接地故障時(shí)，接地故障電流較小，對總路電流的影響也較小，對采用弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理的弧光保護(hù)而言，過流元件無法動(dòng)作將導(dǎo)致弧光保護(hù)拒動(dòng)，有必要增加零序電壓(外接或相電壓合成)作判據(jù)，形成弧光檢測和過電流檢測或零序電壓檢測雙判據(jù)原理，可解決單相弧光接地故障問題，其保護(hù)邏輯如圖4所示。

圖4 弧光、過電流、零序電壓判據(jù)弧光保護(hù)邏輯

2.3 不同弧光保護(hù)原理對配電網(wǎng)接地方式的適應(yīng)性

不同原理弧光保護(hù)的差異主要體現(xiàn)在閉鎖量選擇上，不同閉鎖量對不同配電網(wǎng)系統(tǒng)接地方式下弧光接地反應(yīng)能力存在差異。對于相間弧光短路或兩相弧光接地短路故障，相電流變化量較大，引入總路相電流，能起到有效的閉鎖；但對配電網(wǎng)單相弧光接地故障，配電網(wǎng)的接地方式對閉鎖量的影響非常大。不同原理弧光保護(hù)對配電網(wǎng)不同接地方式下單相接地故障的適應(yīng)性如表2所示。

從表2可知，弧光+相過流判據(jù)對非直接接地系統(tǒng)的單相弧光接地故障適用性最差，可能造成保護(hù)拒動(dòng)；弧光+零序過流判據(jù)不適用于不接地系統(tǒng)，主要原因?yàn)榱阈螂娏鳠o法采集總的接地電流，若用總路電流合成，誤差會(huì)比較大，也不能代表總的接地電流；弧光+零序過壓判據(jù)相對前面兩種判據(jù)來說，適用性最強(qiáng)，靈敏度也更高。

表2 不同原理弧光保護(hù)對配電網(wǎng)不同接地方式下單相接地故障的適應(yīng)性

3 弧光保護(hù)技術(shù)方案

3.1 弧光保護(hù)系統(tǒng)功能配置

弧光傳感器的安裝位置決定了弧光保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)范圍。目前，根據(jù)弧光保護(hù)的主要保護(hù)范圍形成了兩種不同的功能配置方案：1)弧光保護(hù)系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)母線保護(hù)功能；2)弧光保護(hù)系統(tǒng)在母線保護(hù)功能的基礎(chǔ)上，增加出線電纜室弧光保護(hù)功能[5]。

1)母線弧光保護(hù)

母線弧光保護(hù)配置方案是在每一段母線安裝一條光纖環(huán)型弧光傳感器(包括間隔的斷路器室)，或者在每個(gè)間隔母線室和斷路器室安裝一只弧光傳感器，同時(shí)采集進(jìn)線間隔電流，實(shí)現(xiàn)對整條母線的保護(hù)。弧光保護(hù)裝置跳閘出口作用于進(jìn)線斷路器和母聯(lián)斷路器。對于采用點(diǎn)測型弧光傳感器，弧光保護(hù)裝置可顯示出故障發(fā)生的實(shí)際位置。對于采用光纖環(huán)型弧光傳感器，故障位置需要在檢查整條母線后才能確定。

2)母線弧光保護(hù)+出線電纜室弧光保護(hù)

根據(jù)對開關(guān)柜故障位置分布情況的統(tǒng)計(jì)，開關(guān)柜電纜室的電纜連接處等部位是最易發(fā)生單相接地故障的部位，通常會(huì)產(chǎn)生電弧光。單相對地?fù)舸┮装l(fā)展成兩相或三相對地短路，產(chǎn)生更為嚴(yán)重的電弧光。發(fā)展為相間故障時(shí)，間隔過電流保護(hù)雖可動(dòng)作，但此時(shí)設(shè)備已經(jīng)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的損壞。

該方案一般采用點(diǎn)測型弧光傳感器，安裝于母線室、斷路器室和線纜室，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)柜的故障點(diǎn)全面監(jiān)測。在母線室或斷路器室發(fā)生弧光故障時(shí)，弧光保護(hù)作用于進(jìn)線斷路器或母聯(lián)斷路器。當(dāng)線纜室發(fā)生弧光故障時(shí)，弧光保護(hù)作用于該饋線斷路器。由于采用點(diǎn)測型弧光傳感器，弧光保護(hù)裝置可顯示出故障發(fā)生的實(shí)際位置。

3.2 弧光保護(hù)系統(tǒng)功能集成方式

弧光保護(hù)功能集成有3種，分別是集中式弧光保護(hù)、分布式弧光保護(hù)、線路保護(hù)集成弧光保護(hù)功能，各自的技術(shù)特點(diǎn)如下：

1)集中式弧光保護(hù)

集中式弧光保護(hù)裝置采集多條進(jìn)線電流，接入所有弧光傳感器到一條弧光保護(hù)裝置上。其具有只需安裝一臺裝置、管理方便的優(yōu)點(diǎn)，但也有現(xiàn)場施工困難、技改工程難度高等缺點(diǎn)。若配置線纜室弧光傳感器，則跳閘需出口至每臺饋線柜，對集中式弧光保護(hù)裝置跳閘出口數(shù)量提出較高的要求，集中式弧光保護(hù)只適用于間隔比較少的母線。

2)分布式弧光保護(hù)

分布式弧光保護(hù)采用主控單元加擴(kuò)展單元的布置方式。主控單元負(fù)責(zé)采集進(jìn)線電流及母線電壓信號、部分母線室和斷路器的弧光信號，剩余的母線室、斷路器室等母線故障跳閘進(jìn)線斷路器或母聯(lián)斷路器弧光信號由擴(kuò)展單元采集，擴(kuò)展單元還負(fù)責(zé)采集線纜室弧光信號。結(jié)合主控單元采集的進(jìn)線過電流信號或零序電壓信號，跳閘饋線柜斷路器。每臺擴(kuò)展單元可管理多條饋線柜的弧光故障，實(shí)現(xiàn)弧光保護(hù)功能。這種方式的保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)場施工簡單、線纜較短、易于維護(hù)[6]。

3)線路保護(hù)集成弧光保護(hù)功能

在常規(guī)線路保護(hù)裝置上增加弧光采集模塊，結(jié)合采集的弧光信號與過電流信號，實(shí)現(xiàn)弧光保護(hù)功能。這類集成弧光保護(hù)對線纜室的弧光故障具有良好的保護(hù)性能，但CT一般安裝在斷路器室和線纜室間的隔板上，因此無法隔離間隔母線室、斷路器室的弧光故障。

鑒于線路保護(hù)集成弧光保護(hù)功能的不足，有必要完善其母線弧光保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)對母線弧光故障的保護(hù)。可采用兩種功能完善方式：1)母線弧光保護(hù)與線路保護(hù)集成的弧光保護(hù)在功能上完全分開，母線室、斷路器室的弧光信號全部接入母線弧光保護(hù)，線纜室的弧光信號接入集成了弧光保護(hù)的線路保護(hù)裝置，此種方式下，母線保護(hù)、線路保護(hù)功能明確，能實(shí)現(xiàn)對開關(guān)柜的完整保護(hù)；2)母線弧光保護(hù)與線路保護(hù)集成的弧光保護(hù)在采集功能上不分開，母線弧光保護(hù)僅單獨(dú)采用閉鎖電量，所有的弧光信號由線路保護(hù)裝置的采集，母線弧光保護(hù)與集成了弧光保護(hù)功能的線路保護(hù)裝置需要建立快速通信機(jī)制，或采用開入開出節(jié)點(diǎn)方式，實(shí)施難度以及現(xiàn)場施工難度大。因此，線路保護(hù)集成的弧光保護(hù)功能只能作為線路保護(hù)的功能完善，不宜作為母線保護(hù)使用。

3.3 弧光母線保護(hù)與其他母線保護(hù)性能對比

1)母線差動(dòng)保護(hù)

母線差動(dòng)保護(hù)是利用母線上所有支路電流相量實(shí)現(xiàn)區(qū)分母線內(nèi)外故障及故障母線選擇。母線差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間在 10～20 ms ，能適用于各種運(yùn)行方式，保護(hù)原理成熟、可靠性高[7]。

2)簡易母線保護(hù)

簡易母線保護(hù)基于間隔復(fù)壓閉鎖三段式過流保護(hù)，通過接入總路電流、分段電流和該段母線上饋線保護(hù)跳閘接點(diǎn)，利用電流和母線電壓判別是否有故障，再通過該段母線上饋線保護(hù)跳閘接點(diǎn)開入來判斷是否為母線故障。簡易母線保護(hù)能縮短中低壓母線故障時(shí)低壓總路跳閘時(shí)間，且安裝較為簡單，可與主變壓器后備保護(hù)共用CT繞組，無需對一次設(shè)備進(jìn)行改造。

3)保護(hù)性能對比

(1)動(dòng)作時(shí)間：母線差動(dòng)保護(hù)和弧光保護(hù)動(dòng)作時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于簡易母線保護(hù)。

(2)設(shè)備及附件可靠性：母線差動(dòng)保護(hù)優(yōu)于簡易母線保護(hù)，簡易母線保護(hù)優(yōu)于弧光保護(hù)。

(3)保護(hù)范圍：弧光保護(hù)大于母線差動(dòng)保護(hù)，母線差動(dòng)保護(hù)大于簡易母線保護(hù)。

(4)故障定位：點(diǎn)測型弧光保護(hù)可以實(shí)現(xiàn)定位，其余兩種保護(hù)不能進(jìn)行故障定位。

(5)運(yùn)行方式適應(yīng)性：母線差動(dòng)保護(hù)和弧光保護(hù)能適應(yīng)各種運(yùn)行方式，簡易母線保護(hù)適應(yīng)性較差。

4 結(jié) 論

根據(jù)對當(dāng)前主要應(yīng)用的弧光保護(hù)技術(shù)原理、技術(shù)方案以及主流弧光保護(hù)裝置的調(diào)研，弧光保護(hù)裝置及其應(yīng)用情況總結(jié)如下：

1)弧光保護(hù)動(dòng)作速度快，對于CT改造困難、同時(shí)需要快速切除母線故障的變電站低壓母線，將弧光保護(hù)作為母線保護(hù)使用，實(shí)現(xiàn)母線保護(hù)功能，是一種提升母線故障切除速度的有效技術(shù)手段。

2)為防止弧光保護(hù)誤動(dòng)，目前的弧光保護(hù)大多增加電量閉鎖，以主變壓器低壓側(cè)的相電流閉鎖為主，適用于相間和三相弧光短路、兩相和三相弧光接地短路故障。

3)若考慮母線單相弧光接地跳閘，相電流閉鎖原理對不接地、消弧線圈接地、小電阻接地等配電系統(tǒng)不適應(yīng)。目前，僅小部分弧光保護(hù)裝置考慮了配電網(wǎng)接地方式對保護(hù)靈敏度的影響，增加了零序電流、零序電壓判據(jù)，有利于提高單相弧光接地故障的反應(yīng)能力。

4)弧光保護(hù)弧光采集模式有3種形式，分別是電流型、光纖點(diǎn)測型、光纖帶狀型。從提高保護(hù)裝置可靠性出發(fā)，光纖形式的采集裝置遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源，有利于提高裝置的可靠性。從故障定位需求看，點(diǎn)測型優(yōu)于帶狀型，可以定位到產(chǎn)生弧光的具體位置。

5)弧光保護(hù)集成方式可分為分布式和集中式。分布式的優(yōu)勢主要是便于擴(kuò)展，對于有擴(kuò)建需求的改造站，可以有效縮短施工作業(yè)停電時(shí)間。

通過對弧光保護(hù)應(yīng)用情況、技術(shù)原理及技術(shù)方案的梳理，提出以下建議：

1)目前各型號弧光保護(hù)的電量閉鎖條件差異較大，在開展弧光保護(hù)的配置、選型時(shí)應(yīng)合理選擇。

2)現(xiàn)階段弧光保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、檢測標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，弧光保護(hù)裝置檢驗(yàn)僅有型式試驗(yàn)和廠內(nèi)檢測。電力企業(yè)應(yīng)對弧光保護(hù)裝置開展功能及性能摸底測試，完善弧光保護(hù)裝置配置方案，制定弧光保護(hù)技術(shù)規(guī)范，提出或推進(jìn)相關(guān)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的修訂。

3)在電力企業(yè)中，弧光保護(hù)已試運(yùn)行多年，因產(chǎn)品適應(yīng)性、質(zhì)量問題、現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)能力等原因，弧光保護(hù)裝置發(fā)生過誤動(dòng)、異常告警等問題，相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)進(jìn)一步提升弧光保護(hù)的現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)方法，研制實(shí)用的檢測裝置，制定現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)檢修的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高母線故障的正確切除率。