浙能阿克蘇熱電6 kV 母線弧光保護(hù)定值整定計(jì)算

厲海斌

（浙能阿克蘇熱電有限公司，新疆 阿克蘇 843000）

運(yùn)行中的電氣設(shè)備，如產(chǎn)生故障電弧是非常危險(xiǎn)的。在實(shí)際工作中，很大一部分電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)故障電弧的產(chǎn)生是由于操作人員的誤操作引起的，還有一部分是由設(shè)備本身出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷或外來物體侵入導(dǎo)致的?；」獗Ｗo(hù)主要保護(hù)范圍是開關(guān)倉或母線柜內(nèi)部的電弧短路故障，當(dāng)故障電弧產(chǎn)生時(shí)，短時(shí)間內(nèi)電弧的能量大，且傳播速度快，尤其是高壓電弧能摧毀其擴(kuò)展途中的任何阻障物質(zhì)，只要沒有徹底切斷提供能量的電源，電弧就會(huì)持續(xù)存在。電弧故障可能致使設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p毀、操作人員受到傷害等后果，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)＜叭藛T生命[1-2]。為了能最大限度地減少故障電弧的危害，迫切需要一種能快速高效切除故障電弧的保護(hù)裝置[3]，電弧光保護(hù)裝置因此應(yīng)運(yùn)而生。其能在故障電弧發(fā)生時(shí)通過快速判別，迅速切除故障點(diǎn)電弧。目前最快的電弧光保護(hù)裝置能在4 ms 以內(nèi)切除故障電流熄滅電弧，明顯減少了故障電弧的持續(xù)時(shí)間，可有效降低設(shè)備損壞及人員受傷害程度[4]。

1 弧光產(chǎn)生的原因及其危害

1.1 故障電弧產(chǎn)生的原因

有很多原因可能引起開關(guān)柜弧光短路故障，主要可以概括為人為誤操作、外部物體影響、載流回路故障、絕緣故障及系統(tǒng)原因等5 個(gè)方面。

（1）人為誤操作。主要指由于操作人員操作失誤，如走錯(cuò)間隔、帶地線或接地閘刀合閘、未對(duì)工作設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)電而造成帶電合接地閘刀或掛接地線等。

（2）外部物體影響。主要指外部的其他物體進(jìn)入開關(guān)柜，影響其正常運(yùn)行。如操作人員將維修工具遺落在開關(guān)柜內(nèi)，開關(guān)試驗(yàn)后試驗(yàn)接線沒有拆除，或者有老鼠等動(dòng)物進(jìn)入開關(guān)柜內(nèi)部等。

（3）載流回路故障。主要指發(fā)生在載流回路中大電流流過時(shí)引起的發(fā)熱、冒火，從而引起相間或相對(duì)地?fù)舸┑?。這主要是由一些接頭的通流截面不夠、手車式開關(guān)觸頭接觸不良或者緊固螺栓發(fā)生松動(dòng)導(dǎo)致的。

（4）絕緣故障。在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下開關(guān)柜中絕緣材料自身缺陷，且運(yùn)行使用年限較長，柜中絕緣可能會(huì)發(fā)生老化甚至損毀，從而導(dǎo)致故障。此外，開關(guān)柜中絕緣材料劣化，絕緣距離不夠，未能滿足加強(qiáng)絕緣要求，或處在臟污或濕度較高的環(huán)境下使用等情況，均有可能導(dǎo)致絕緣故障的發(fā)生。

（5）系統(tǒng)原因。系統(tǒng)問題產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，電氣系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行方式或設(shè)備容量的變化，如系統(tǒng)接地方式變化產(chǎn)生的影響，隨著設(shè)備增加系統(tǒng)應(yīng)用電纜亦隨之增多后的影響，保護(hù)配置不當(dāng)如保護(hù)選型、參數(shù)設(shè)置、級(jí)差配合不合理等影響，系統(tǒng)操作過電壓，設(shè)備選型或系統(tǒng)配置不合理產(chǎn)生的諧振過電壓影響等，都會(huì)有導(dǎo)致開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生弧光短路故障的可能。

1.2 故障電弧的特性與危害

中性點(diǎn)不接地的電氣系統(tǒng)發(fā)生弧光放電方式接地時(shí)往往伴隨產(chǎn)生弧光過電壓，弧光接地經(jīng)常發(fā)生在電氣系統(tǒng)或電氣設(shè)備的絕緣相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)其中某一相對(duì)地產(chǎn)生弧光放電時(shí)，導(dǎo)致其他兩相的對(duì)地電容不斷通過電源電感對(duì)其進(jìn)行充放電，因此產(chǎn)生過電壓。事實(shí)上，當(dāng)其中某一相導(dǎo)體發(fā)生弧光放電時(shí)，故障點(diǎn)通過的電流僅僅是其他兩相導(dǎo)體的對(duì)地電容電流，通過實(shí)際測(cè)量和試驗(yàn)，維持弧光放電所需電流最大不超過幾十A，所以很大可能不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置動(dòng)作切斷電源。弧光放電使得電氣系統(tǒng)中的參數(shù)如容抗、感抗和阻抗因此發(fā)生明顯變化，很可能造成電氣系統(tǒng)某個(gè)局部或整個(gè)電氣系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓，因而引發(fā)事故。實(shí)際上受到整個(gè)電氣回路參數(shù)的制約，部分弧光放電事故并不一定就能造成較大的危害。因?yàn)?，由于自然滅弧條件不足，電弧不一定會(huì)在通過高頻電流零點(diǎn)時(shí)熄滅，發(fā)弧未必都會(huì)在高頻波的幅值發(fā)生，此外，線路各相導(dǎo)線間還存在相互電容，系統(tǒng)中也還會(huì)有損耗使振蕩衰減及電弧中會(huì)有壓降等，在這些因素的作用下，過電壓在多數(shù)情況下小于3Uxg，這是供電設(shè)施一般都能夠承受的。甚至可能，這種故障都不會(huì)被察覺，比如，如果是充油電纜發(fā)生故障，其在第1 次放弧后即可恢復(fù)絕緣，止住放弧。

1.3 故障電弧的危害及防護(hù)措施

間歇性電弧的主要危害，其一方面會(huì)導(dǎo)致金屬性接地，開關(guān)跳閘；另一方面，會(huì)誘發(fā)諧振，進(jìn)而釀成更大的事故。電弧燃燒是中壓母線故障的直接表現(xiàn)形式，造成設(shè)備的破壞表現(xiàn)有：故障電弧發(fā)生時(shí)肯定會(huì)有大量高溫高壓的氣體伴隨產(chǎn)生，高溫高壓的氣體壓力波在有限空間的開關(guān)柜內(nèi)傳播時(shí)就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，可造成開關(guān)柜的柜體發(fā)生強(qiáng)烈震動(dòng)、固定元件松動(dòng)脫落，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成開關(guān)柜變形、甚至炸裂破碎；高溫環(huán)境下，短時(shí)間內(nèi)就能造成電纜和所有絕緣材料的燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫能使導(dǎo)電銅排或鋁排燒熔、氣化，電纜和絕緣材料燃燒肯定會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害的濃黑煙氣，燃燒后含有大量碳黑甚至氣化金屬的煙氣將以極快的速度在開關(guān)柜內(nèi)迅速擴(kuò)散，甚至擴(kuò)散到整段母線，在相關(guān)一、二次設(shè)備表面造成嚴(yán)重污染，使得設(shè)備絕緣大幅度降低，嚴(yán)重時(shí)可能造成短路，絕緣值為0。對(duì)人員的傷害上來說，電弧光產(chǎn)生的強(qiáng)光會(huì)灼傷人的眼睛，其伴隨的高溫會(huì)對(duì)人的皮膚產(chǎn)生灼傷，感應(yīng)電流會(huì)對(duì)人的肌肉和神經(jīng)產(chǎn)生損害，同時(shí)，高溫高壓氣體產(chǎn)生的壓力波造成的爆破壓力可能會(huì)致使人員墜落或被碎片擊傷，爆破時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大聲響會(huì)使人體耳膜甚至內(nèi)臟因?yàn)榫薮笳饎?dòng)產(chǎn)生損害，而燃燒中產(chǎn)生的有毒氣體還會(huì)對(duì)人體呼吸系統(tǒng)造成傷害。

設(shè)備生產(chǎn)廠家為了降低開關(guān)柜弧光短路故障時(shí)產(chǎn)生的危害程度，一般選擇采取加強(qiáng)開關(guān)柜整體結(jié)構(gòu)，或通過設(shè)置專門的釋放孔板和泄壓通道等措施進(jìn)行防護(hù)。這些措施的采用一定程度上能夠起到減少電弧短路故障時(shí)造成的損害程度，但增加了設(shè)備生產(chǎn)廠家的制造成本，使得電力企業(yè)采購和使用成本也隨之增加。

除了上述這些防護(hù)性措施，如果要從根本上解決開關(guān)柜弧光短路故障，從而減少其對(duì)工作人員和設(shè)備裝置產(chǎn)生的不良影響和危害，可以考慮從以下2 方面入手，采取更為積極的防護(hù)措施。一是在故障電弧產(chǎn)生時(shí)應(yīng)設(shè)法降低開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備的損壞程度，有效減少連鎖效應(yīng)，防止其他設(shè)備受到大的牽累損壞；二是在開關(guān)柜內(nèi)故障電弧產(chǎn)生時(shí)能有專用的保護(hù)快速有效切除故障，可使開關(guān)設(shè)備最大程度上降低損壞，減少損失。這種積極性防護(hù)措施不但極大地減少開關(guān)設(shè)備損壞而產(chǎn)生的維修費(fèi)用，并且可以保護(hù)附近工作人員免受電弧故障效應(yīng)的傷害，此外還能降低設(shè)備維修難度和減少維修時(shí)間，可盡快恢復(fù)正常生產(chǎn)，最大限度地減少設(shè)備停電時(shí)間，降低影響。另外對(duì)一些投運(yùn)時(shí)間較長，可能急需更新改造的開關(guān)柜，在其開關(guān)柜內(nèi)采用電弧光保護(hù)配置后，可以進(jìn)一步延長其有效使用壽命，降低改造成本，節(jié)約費(fèi)用。

2 浙能阿克蘇熱電6 kV 母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

浙能阿克蘇熱電有限公司是浙江省迄今為止最大的產(chǎn)業(yè)援疆項(xiàng)目，位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇市紡織工業(yè)城東北部，項(xiàng)目總投資34 億元，于2017 年5 月24 日全面建成2 臺(tái)35 萬kW 超臨界熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組并投入商業(yè)運(yùn)行。每臺(tái)機(jī)組分別配有2 段6 kV 母線，2臺(tái)機(jī)組共配有2 段公用6 kV 輸煤段母線。

阿電公司6 kV 母線電弧光保護(hù)采用的是杭州瑞勝生產(chǎn)的RIZNER APSII 型電弧光保護(hù)裝置，為確保保護(hù)裝置動(dòng)作的正確可靠，電弧光保護(hù)動(dòng)作由電弧光強(qiáng)度判據(jù)和電流判據(jù)2 個(gè)條件組成，當(dāng)這2 個(gè)條件同時(shí)均滿足時(shí)才會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，快速切除對(duì)應(yīng)電源開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)。6 kV 1A/1B 段、2A/2B 段母線分別配置1 套電弧光保護(hù)，出口跳對(duì)應(yīng)段的電源開關(guān)且閉鎖對(duì)應(yīng)段的快切功能；6 kV 輸煤A/B 段母線共用1 套電弧光保護(hù)，內(nèi)部邏輯及跳閘出口是分開的，出口分別跳對(duì)應(yīng)段的電源開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)。電弧光保護(hù)主控單元安裝在電源開關(guān)柜面板上，每個(gè)開關(guān)柜及電纜倉內(nèi)均安裝有弧光傳感器單元。

RIZNER-APSII 電弧光保護(hù)系統(tǒng)由主控單元、電源模塊、弧光傳感器及光纖等組成。其中主控單元是電弧光保護(hù)系統(tǒng)的核心部件。保護(hù)裝置電流元件和弧光傳感器檢測(cè)到的故障電流和弧光信號(hào)通過保護(hù)裝置的主控單元進(jìn)行判斷、分析和處理，在滿足保護(hù)邏輯判斷時(shí)，觸發(fā)跳閘指令快速啟動(dòng)保護(hù)裝置動(dòng)作出口，迅速切除故障。

3 電弧光保護(hù)裝置定值設(shè)定要求和定值設(shè)定原則

3.1 電弧光保護(hù)裝置定值設(shè)定要求

電弧光保護(hù)裝置是近些年來專門針對(duì)中壓開關(guān)弧光短路故障而研發(fā)的，我國關(guān)于電弧光保護(hù)裝置主要有以下3 個(gè)推薦標(biāo)準(zhǔn)，均是2016 年頒布的，分別為：DL/T1504—2016《弧光保護(hù)裝置通用技術(shù)條件》，NB/T42076—2016《弧光保護(hù)裝置選用導(dǎo)則》，GB/T14598.302—2016《弧光保護(hù)裝置技術(shù)要求》。在《弧光保護(hù)裝置選用導(dǎo)則》及《弧光保護(hù)裝置技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)中均沒有對(duì)電流判據(jù)作出具體要求。只有在《弧光保護(hù)裝置通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)的附錄D（整定原則建議及運(yùn)行維護(hù)說明）中，對(duì)弧光保護(hù)整定原則作了推薦性要求，具體描述如下：弧光保護(hù)要求必須接入電源開關(guān)電流或母聯(lián)開關(guān)電流作為判斷依據(jù)，弧光保護(hù)動(dòng)作電流整定值應(yīng)按躲過系統(tǒng)運(yùn)行中最大負(fù)荷電流In來進(jìn)行計(jì)算，建議設(shè)置值在1.1 In～1.3 In之間進(jìn)行選擇。

3.2 定值設(shè)定原則

弧光強(qiáng)度和電流這2 個(gè)判據(jù)一般作為電弧光保護(hù)動(dòng)作的必要條件，當(dāng)這2 個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)保護(hù)裝置才能發(fā)出切斷對(duì)應(yīng)開關(guān)的操作指令，保護(hù)裝置僅檢測(cè)到其中任意一個(gè)條件時(shí)只能發(fā)報(bào)警信號(hào)。其中弧光傳感器在每面開關(guān)柜內(nèi)均有安裝，弧光傳感器監(jiān)測(cè)角度要求大于300°，監(jiān)測(cè)死角盡量要小，光照度整定值可在0.63～22.8 KLux 范圍之間調(diào)整，要求能可靠躲過柜外強(qiáng)光手電的照度。電流保護(hù)電流動(dòng)作值，一般有以下2種：一是按當(dāng)時(shí)電氣回路的系統(tǒng)最大負(fù)荷電流來進(jìn)行整定計(jì)算，保護(hù)動(dòng)作整定值要躲過最大負(fù)荷電流；二是按當(dāng)時(shí)電氣回路的系統(tǒng)最小短路電流來進(jìn)行整定計(jì)算，保護(hù)動(dòng)作整定值應(yīng)小于兩相短路電流或小于單相接地短路電流。

4 阿電公司電弧光保護(hù)定值整定

4.1 6 kV 母線參數(shù)

4.1.1 機(jī)組6 kV 母線

表1 展示了機(jī)組6 kV 母線的具體參數(shù)。

表1 機(jī)組6 kV 母線的具體參數(shù)

表2 展示了機(jī)組6 kV 母線的短路電流計(jì)算。

表2 機(jī)組6 kV 母線的短路電流計(jì)算 kA

4.1.2 輸煤6 kV 母線

表3 展示了輸煤6 kV 母線的具體參數(shù)。

表3 輸煤6 kV 母線的具體參數(shù)

表4 展示了輸煤6 kV 母線的短路電流計(jì)算。

表4 輸煤6 kV 母線的短路電流計(jì)算 kA

4.2 弧光保護(hù)原理及整定原則

4.2.1 弧光保護(hù)原理

弧光保護(hù)裝置作為高壓母線的快速保護(hù)，采用弧光強(qiáng)度和電流判據(jù)，2 個(gè)判據(jù)同時(shí)滿足時(shí)發(fā)出跳閘指令，任何一個(gè)滿足時(shí)僅發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4.2.2 整定原則

依據(jù)DL/T 1502-2016《廠用電繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》中第8.4 條說明，當(dāng)火電廠的廠用中壓母線采用弧光保護(hù)作為母線故障的主保護(hù)配置時(shí)，其整定計(jì)算如下。

（1）弧光保護(hù)裝置電流定值的設(shè)置要求按躲過母線正常運(yùn)行時(shí)電源進(jìn)線的最大負(fù)荷電流來進(jìn)行整定計(jì)算

式中：Krel為可靠系數(shù)，取1.1～1.3，本計(jì)算取1.2；If為母線正常運(yùn)行電源進(jìn)線的最大負(fù)荷電流二次值。

（2）弧光保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間的定值整定。弧光保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間無需與其他保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行配合，建議在0～20 ms 之間進(jìn)行選取。

（3）弧光保護(hù)裝置出口動(dòng)作方式。保護(hù)動(dòng)作后跳所接母線電源開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)、有電源快切功能的閉鎖其快切功能。

4.3 弧光保護(hù)電流整定

4.3.1 機(jī)組6 kV 母線

（1）按躲過母線正常運(yùn)行時(shí)電源進(jìn)線的最大負(fù)荷電流整定。

最大負(fù)荷電流按與機(jī)組6 kV 母線上最大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流配合計(jì)算

式中：IE為高廠變低壓側(cè)分支一次額定電流；Kst為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)，取6～8，本計(jì)算取7；IM.N.max為直接啟動(dòng)最大容量電動(dòng)機(jī)的額定電流，引風(fēng)機(jī)396 A；na為機(jī)組6 kV 母線電源進(jìn)線CT 變比4 000/1。

故Iop=1.2If=1.2×1.28=1.53 A，取1.5 A，對(duì)應(yīng)一次值為6 000 A。

（2）弧光保護(hù)中的設(shè)定值是以開關(guān)CT 二次額定值的倍數(shù)來設(shè)定的，主機(jī)6 kV 段進(jìn)線電源開關(guān)CT 變比為4 000/1，CT 二次變比為1 A，故弧光保護(hù)中電流整定倍數(shù)為1.5。

（3）動(dòng)作時(shí)間：采用弧光保護(hù)快速出口接點(diǎn)，無延時(shí)。

（4）動(dòng)作出口：

6 kV 1A 段母線弧光保護(hù)動(dòng)作跳6 kV 1A 段工作電源開關(guān)（6 kV 1A 段備用電源開關(guān)），并閉鎖6 kV 1A 段廠用電快切裝置；

6 kV 1B 段母線弧光保護(hù)動(dòng)作跳6 kV 1B 段工作電源開關(guān)（6 kV 1B 段備用電源開關(guān)），并閉鎖6 kV 1B段廠用電快切裝置；

6 kV 2A 段母線弧光保護(hù)動(dòng)作跳6 kV 2A 段工作電源開關(guān)（6 kV 2A 段備用電源開關(guān)），并閉鎖6 kV 2A 段廠用電快切裝置；

6 kV 2B 段母線弧光保護(hù)動(dòng)作跳6 kV 2B 段工作電源開關(guān)（6 kV 2B 段備用電源開關(guān)），并閉鎖6 kV 2B段廠用電快切裝置。

4.3.2 輸煤6 kV 母線

（1）按躲過母線正常運(yùn)行時(shí)電源進(jìn)線的最大負(fù)荷電流整定。

最大負(fù)荷電流按與輸煤6 kV 母線上最大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流配合計(jì)算

式中：IE為輸煤6 kV 電源進(jìn)線一次額定電流；Kst為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)，取6～8，本計(jì)算取7；IM.N.max為直接啟動(dòng)最大容量電動(dòng)機(jī)的額定電流，考慮2 號(hào)皮帶機(jī)與碎煤機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，總額定電流為57.6+34.5=92.1 A；na為輸煤6 kV 電源進(jìn)線CT 變比800/1。

故Iop=1.2If=1.2×1.44=1.73 A，取1.7 A，對(duì)應(yīng)一次值為1 360 A。

（2）弧光保護(hù)中的設(shè)定值是以開關(guān)CT 二次額定值的倍數(shù)來設(shè)定的，輸煤6 kV 段進(jìn)線電源開關(guān)CT 變比為800/1，CT 二次變比為1 A，故弧光保護(hù)中電流整定倍數(shù)為1.7。

（3）動(dòng)作時(shí)間：采用弧光保護(hù)快速出口接點(diǎn)，無延時(shí)。

（4）動(dòng)作出口：

6 kV 輸煤A 段母線弧光保護(hù)動(dòng)作跳6 kV 輸煤A段電源開關(guān)及6 kV 輸煤A 段、B 段聯(lián)絡(luò)開關(guān)；

6 kV 輸煤B 段母線弧光保護(hù)動(dòng)作跳6 kV 輸煤B段電源開關(guān)及6 kV 輸煤A 段、B 段聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

5 結(jié)束語

火電廠一般配有較多的中壓開關(guān)設(shè)備，近些年來，中壓開關(guān)及中壓母線一般均要求配置弧光保護(hù)裝置作為其故障的主保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作對(duì)象就是短時(shí)內(nèi)有較大能量產(chǎn)生、爆發(fā)速度極快及破壞力驚人的電弧短路故障，只要故障點(diǎn)電源沒有切斷，弧光破壞就會(huì)持續(xù)存在。其釋放的破壞能量與電弧持續(xù)時(shí)間成正比，因此要想最大程度降低損失，時(shí)間是最主要的因素。因此對(duì)弧光保護(hù)裝置而言，其保護(hù)動(dòng)作出口至故障點(diǎn)電源切除的動(dòng)作時(shí)間越短越好，不應(yīng)采用延時(shí)方式。電流是弧光保護(hù)2 個(gè)條件的組成之一，是弧光保護(hù)裝置最主要的判據(jù)，對(duì)其可靠性要求非常高。按電氣回路中系統(tǒng)最小短路電流來對(duì)弧光保護(hù)的電流設(shè)定進(jìn)行整定計(jì)算時(shí)，經(jīng)常因?yàn)殡姎庀到y(tǒng)各回路阻抗計(jì)算較為復(fù)雜，要非常精準(zhǔn)計(jì)算最小短路電流值來進(jìn)行整定相對(duì)比較困難。但是如果按電氣回路中系統(tǒng)最大負(fù)荷來進(jìn)行整定計(jì)算電流，只需按整定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的系數(shù)上限值來進(jìn)行整定計(jì)算就能滿足規(guī)范要求，相對(duì)還是一種比較簡(jiǎn)單、可靠且穩(wěn)妥的方法。