光電式電弧光保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

劉 立 彭 靜 譚劍中 應(yīng) 征 羅 杰 陳 雄

湖南省電力公司株洲電業(yè)局

光電式電弧光保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

劉 立 彭 靜 譚劍中 應(yīng) 征 羅 杰 陳 雄

湖南省電力公司株洲電業(yè)局

分析現(xiàn)有的中低壓母線保護(hù)方案及存在的不足，介紹了電弧光保護(hù)系統(tǒng)采用弧光檢測(cè)和過(guò)電流檢測(cè)雙判據(jù)原理以及其保護(hù)動(dòng)作快、可靠性高等特點(diǎn)。該裝置的應(yīng)用，填補(bǔ)了電網(wǎng)中低壓母線沒(méi)有快速保護(hù)的空白，提高了系統(tǒng)安全運(yùn)行水平。

中低壓母線保護(hù)；電弧光保護(hù)；快速；可靠

引言

中、低壓母線在發(fā)生短路故障時(shí)產(chǎn)生的電弧光對(duì)設(shè)備及人員造成極大的危害。但是目前國(guó)內(nèi)中、低壓母線系統(tǒng)中一般不配置專用的快速母線保護(hù)，而是依賴上一級(jí)變壓器的后備過(guò)流保護(hù)來(lái)切除母線短路故障，這樣導(dǎo)致了故障切除時(shí)間的延長(zhǎng)，加大了設(shè)備的損傷程度，該問(wèn)題已經(jīng)引起了業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的高度重視。本母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)采用弧光檢測(cè)和過(guò)電流檢測(cè)雙判據(jù)原理，使保護(hù)動(dòng)作快、可靠性高，填補(bǔ)了中、低壓專用快速母線保護(hù)的空白。

母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)滿足中國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T404-1997（IEC298-1990）的附錄A，按戶內(nèi)交流高壓開關(guān)柜內(nèi)部故障減災(zāi)措施的要求，在跳閘回路里采用了快速繼電器Triac技術(shù)，確保系統(tǒng)出口跳閘動(dòng)作時(shí)間小于1ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的母線保護(hù)，對(duì)開關(guān)柜的內(nèi)部弧光故障總切除時(shí)間可以控制在100ms以內(nèi)。本保護(hù)系統(tǒng)可以確保操作人員安全，將故障損失降到最低，為快速處理故障、恢復(fù)供電創(chuàng)造條件。

1.裝設(shè)電弧光保護(hù)的必要性

1.1 電弧光產(chǎn)生的原因

a.誤入帶電間隔

b.隔離開關(guān)誤操作

c.帶接地線合閘

d.忘記測(cè)量工作區(qū)內(nèi)的電壓

e.設(shè)備故障和帶電設(shè)備的誤操作

f.設(shè)備正常檢修后，遺漏工具在開關(guān)設(shè)備內(nèi)

g.錯(cuò)誤的開關(guān)柜內(nèi)外接線

h.錯(cuò)誤的母線連接

i.絕緣老化和機(jī)械磨損、過(guò)電壓

j.小動(dòng)物（尤其是老鼠）、灰塵、濕度、溫度、腐蝕等環(huán)境因素

1.2 電弧光的危害

a.電弧光中心溫度相當(dāng)于太陽(yáng)表面溫度的2倍，約為20000攝氏度，由于過(guò)熱將導(dǎo)致銅排、鋁排燒毀氣化

b.電纜燒毀，電纜護(hù)套著火

c.過(guò)熱導(dǎo)致壓力上升，使開關(guān)設(shè)備爆炸

d.開關(guān)設(shè)備強(qiáng)烈振動(dòng)，使固定元件松脫

e.高溫?zé)破つw，強(qiáng)光刺傷眼鏡

f.產(chǎn)生大量的有害氣體，傷害呼吸系統(tǒng)

g.爆破音震損耳膜、肺臟

h.碎片飛射，造成人員傷害，甚至死亡

電弧光故障的危害程度取決于電弧電流大小及切除時(shí)間長(zhǎng)短，電弧光產(chǎn)生的能量I2t與電弧故障切除時(shí)間t成指數(shù)規(guī)律快速上升。只有總切除時(shí)間小于100ms，才能使設(shè)備不遭受結(jié)構(gòu)性損害。

圖1 電弧光的危害示意圖

1.3 目前用于中、低壓母線的保護(hù)方式及其局限性

目前用于中、低壓母線系統(tǒng)中常用的保護(hù)方式有以下三種：

1）變壓器后備過(guò)流保護(hù)（典型的動(dòng)作時(shí)間為1.2s～2.0s）。

2）采用饋線速斷保護(hù)閉鎖的變壓器后備過(guò)流保護(hù)（典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為300ms～500ms）。

3高阻抗母線差動(dòng)保護(hù)（典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為30ms～55ms）

由圖1可知：1和2兩種保護(hù)對(duì)總切除時(shí)間小于100ms的要求來(lái)講，時(shí)間太長(zhǎng)；而3保護(hù)范圍受CT安裝位置的限制，接線復(fù)雜，CT要求高，且價(jià)格昂貴。

2．工作原理及其優(yōu)點(diǎn)

2.1 原理介紹

電弧光保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為故障時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)條件：弧光和過(guò)電流。當(dāng)同時(shí)檢測(cè)到弧光和電流增量時(shí)發(fā)出跳閘指令信號(hào)；當(dāng)只檢測(cè)到弧光或者電流增量時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并不會(huì)發(fā)出跳閘指令，如圖2所示。

圖3 變電站弧光保護(hù)原理接線圖

2.2 弧光保護(hù)優(yōu)點(diǎn)

動(dòng)作迅速可靠：跳閘回路里采用了快速繼電器Triac技術(shù)，確保保護(hù)系統(tǒng)在1ms內(nèi)發(fā)出跳閘信號(hào)，使開關(guān)柜內(nèi)部電弧光故障總切除時(shí)間控制在100ms以內(nèi)，而且在外觀上無(wú)明顯損壞。

故障點(diǎn)定位功能：根據(jù)弧光傳感器的實(shí)際安裝位置可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)保護(hù)的功能，弧光傳感器可以安裝在開關(guān)設(shè)備的任何位置（一般裝在母線室內(nèi)，以檢測(cè)母線故障），并在主控單元上顯示故障發(fā)生的位置，此功能可以減少故障處理時(shí)間，快速恢復(fù)供電。

抗干擾能力強(qiáng)：電弧光保護(hù)系統(tǒng)采用無(wú)源弧光傳感器探測(cè)弧光，系統(tǒng)主控單元、弧光單元、電流單元及弧光傳感器采用了光纖星形及傳輸技術(shù)，且裝置完全滿足電磁兼容EMC的標(biāo)準(zhǔn)，確保了整個(gè)弧光保護(hù)系統(tǒng)的可靠性及高強(qiáng)的抗干擾能力。

配置靈活、適應(yīng)性強(qiáng)：系統(tǒng)使用先進(jìn)的處理器技術(shù)，通過(guò)對(duì)弧光和過(guò)電流動(dòng)作信號(hào)的靈活編程，可對(duì)各段母線提供選擇性保護(hù)，適用于不同類型的接線和運(yùn)行方式。

3.楊家?guī)X變電站的應(yīng)用

變電站母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)主要由主控單元、電源模塊、電流單元、弧光單元、弧光傳感器及連接各部件之間的光纖和數(shù)據(jù)線組成，如圖3所示。

主控單元：主控單元用于管理、控制整套電弧光保護(hù)系統(tǒng)。它檢測(cè)故障電流和弧光信號(hào)，并對(duì)收到的兩種信號(hào)進(jìn)行處理、判斷，在滿足跳閘條件時(shí)，發(fā)出跳閘指令以切除故障。主控單元通常安裝在母線系統(tǒng)電源進(jìn)線柜或電源進(jìn)線柜旁邊開關(guān)柜的二次控制門板上。主控單元有4個(gè)數(shù)據(jù)輸入接口，共可接24個(gè)弧光單元或電流單元；輸出接口包括4路快速跳閘輸出和6路常規(guī)繼電器跳閘輸出；共有4+16個(gè)弧光檢測(cè)接口。當(dāng)弧光信號(hào)輸入超過(guò)16個(gè)小時(shí)，推薦采用弧光單元。此外，主控單元根據(jù)弧光單元或者弧光傳感器輸送的信號(hào)，能準(zhǔn)確地判斷故障點(diǎn)位置。主控單元的邏輯編程操作方便，可根據(jù)用戶不同接線和運(yùn)行方式選擇跳閘邏輯。

電流單元：電流單元用于檢測(cè)過(guò)電流信號(hào)，A、B、C三相電流均可檢測(cè)。同時(shí)可匹配5A、2A和1A的電流互感器，其中電流的整定可以通過(guò)面板上的電位計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)，整定范圍從50%至500%。電流單元檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)光纖和數(shù)據(jù)線傳輸?shù)街骺貑卧?，主控單元依?jù)已設(shè)定的邏輯判斷是否發(fā)出跳閘指令。

弧光單元：主控單元自帶的弧光檢測(cè)接口（由弧光傳感器輸入）有16個(gè)，若母線系統(tǒng)要求的檢測(cè)點(diǎn)超過(guò)此數(shù)值，推薦采用弧光單元，其地址可以通過(guò)撥碼開關(guān)來(lái)設(shè)定。每個(gè)弧光單元包含10個(gè)弧光檢測(cè)接口，這些接口均為光纖接口，用于連接弧光傳感器?；」鈧鞲衅鞯母泄鈴?qiáng)度則可以通過(guò)弧光單元面板上的電位計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)設(shè)定，可以從10Klux調(diào)節(jié)至50Klux?；」鈫卧獧z測(cè)到的信號(hào)通過(guò)光纖和數(shù)據(jù)線傳輸?shù)街骺貑卧?，主控單元依?jù)設(shè)定的邏輯，判斷是否發(fā)出跳閘指令?；」鈫卧ㄟ^(guò)安裝在選定的某個(gè)開關(guān)柜中，選擇的原則是保證該單元相關(guān)光纖使用量較少。

弧光傳感器：專用于母線保護(hù)的無(wú)源弧光傳感器安裝在開關(guān)柜的母線室內(nèi)，是檢測(cè)弧光的光感應(yīng)元件。當(dāng)發(fā)生電弧光故障時(shí)，光強(qiáng)度大幅度增加，弧光傳感器直接將光信號(hào)傳送給主控單元或者弧光單元。

光纖三工器：電弧光保護(hù)系統(tǒng)光纖三工器可以在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量的保護(hù)通道不足的情況下，非常方便地?cái)U(kuò)展保護(hù)點(diǎn)，并且節(jié)省相應(yīng)費(fèi)用。在不影響電弧光保護(hù)系統(tǒng)功能的情況下，滿足了用戶擴(kuò)展保護(hù)點(diǎn)的要求，給用戶帶來(lái)了極大方便。

4.結(jié)語(yǔ)

電弧光保護(hù)能快速切除中低壓母線故障，保證輸配電網(wǎng)的安全運(yùn)行。目前，株洲電業(yè)局楊家?guī)X變電站10 kV母線已安裝了RIZNER-EagleEye光電式電弧光保護(hù)，運(yùn)行效果良好，并可作為參考，廣泛地應(yīng)用在其他中低壓母線上,發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

[1]陳新．預(yù)防主變壓器因外部短路引起損壞事故的對(duì)策田．電力安全技術(shù).2002，(12)

[2]易永輝，趙志華，薛玉龍等．一種新型的繼電保護(hù)軟硬件平臺(tái)[J].繼電器.2002，30(6)：26．28

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.013