許守東，張樹培，劉柱揆，丁心志，沈鑫，張麗，韓鈺

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2. 云南電力試驗研究院（集團）有限公司，昆明 650217；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保山供電局，云南 保山 678000）

0 前言

電力系統(tǒng)中，按目前的保護方案[1]，35 kV及以下電壓等級的母線，無論其出線條數(shù)多少、復(fù)雜程度如何，一般都均未裝設(shè)專門的母線保護[2-4]。而開關(guān)柜內(nèi)部弧光故障是配電系統(tǒng)中一種非常嚴重的故障，因為故障點容性電流比較大，故障點的故障電弧很難完全熄滅，電弧反復(fù)重燃，由于電弧電阻的原因，短路時故障電流通常未達到過流保護速斷定值，導(dǎo)致不能立即切除故障，同時因為相關(guān)設(shè)備絕緣水平過低，并快速發(fā)展成為相間短路故障，設(shè)備電弧不斷燃燒的結(jié)果將會釋放出巨大的能量，對人身及設(shè)備帶來極大的損害[5-7]。所以，研究并運用三特征量法，提高弧光保護的可靠性，解決系統(tǒng)故障時，弧光產(chǎn)生點能迅速與系統(tǒng)隔離，保證電力系統(tǒng)的安全可靠運行。

基于上述分析，本文采用弧光和電流、電壓相結(jié)合的方式實現(xiàn)對故障電弧的診斷，光譜、電流及電壓的特征，實現(xiàn)故障電弧的有效識別的非電量加電氣量的三特征量弧光保護。

1 電弧光保護系統(tǒng)的原理

1.1 電壓、電流變化量分析

當單相接地故障后，且電流很小，故障電流流過零值時，電弧光將自行熄滅，故障自然消失；而單相接地故障電流大于30安時，將再次產(chǎn)生穩(wěn)定電弧光，形成連續(xù)性電弧光接地故障，導(dǎo)致設(shè)備損壞，同時形成兩相或者三相短路；當接地電流大于10安小于30安時，極有可能產(chǎn)生穩(wěn)定的間歇性故障電弧，當系統(tǒng)中性點不直接接地時，發(fā)生間歇性弧光接地故障時，由于電弧時而熄滅時而重燃，致使系統(tǒng)故障對地電容反復(fù)積累和重新分配。而非故障相的電感電容回路上將產(chǎn)生高頻過電壓，幅值可達3.1至3.5倍相電壓，從而破壞電網(wǎng)的絕緣。以工頻電流過零時熄弧來分析過電壓發(fā)展過程的理論，稱為工頻熄弧理論[8]。

圖1 中性點不接地系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接線圖

當線路較長或者電纜出線比較多時，對地電流會很大，將導(dǎo)致電弧接地不容易消除，并且將出現(xiàn)電弧接地過電壓。仍考慮圖1所示電路，設(shè)三相電源為公式（1）

當A相角度為ωt=π/2，發(fā)生接地故障后，B相和C相對地電壓幅值由-0.5 UM降低-1.5 UM；當在A相電流幅值過零點即ωt=3π/2時，電弧熄滅。同理當ωt=7π/2時，電弧再次熄滅，此時各相電壓與ωt=3π/2時完全相同，其熄弧和再次燃弧與前相同。

依據(jù)工頻熄弧理論分析，故障相與非故障相電壓明顯不同，且故障相和非故障相的最大電壓分別具有相同的極性。所以，發(fā)生電弧故障勢必使得相電流增大。

通過對電弧電壓、電流信號進行檢測，提取電弧電壓的突降信息，電弧電流的突增信息，作為弧光保護電量判據(jù)。

1.2 弧光探測方法

通常弧光保護裝置利用采集到的光強度強弱作為弧光保護邏輯判斷的依據(jù)，只要弧光保護傳感器采集到的光強度大于設(shè)定的光強閾值，認為滿足弧光條件，否則，弧光保護將判斷系統(tǒng)沒有接地故障。盡管弧光保護的光強靈敏度設(shè)置較高，如果用手電筒直接照射的光強度弧光保護依然能動作。

大量試驗表明，系統(tǒng)故障時，產(chǎn)生的電弧光中含有可見光、紫外光和近紅外光三個部分，通過對弧光中的光譜進行分析獲得，紫外光中的波長在230～400 nm之間，其中部分波長在230～280 nm區(qū)間，被稱之為“日盲區(qū)”。所以為了減少電弧放電檢測過程中可見光的干擾[9-10]，可以利用太陽盲區(qū)，采用特定的紫外弧光傳感器，檢測光譜在280 nm的波長以下的紫外光，并將其作為弧光保護的判據(jù)。因此，當故障時利用弧光保護的紫外特征，作為弧光保護的判據(jù)，將大大減少弧光保護的誤動發(fā)生。

1.3 弧光保護的構(gòu)成

弧光保護裝置一般設(shè)計弧光傳感器安裝的物理位置，去實現(xiàn)對低壓開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生故障后，產(chǎn)生的弧光來判斷設(shè)備是否真發(fā)生了故障，通過采集到的弧光強度大小的明顯變化，首先對設(shè)備的故障進行判斷，再把采集到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號后，進一步作為邏輯判據(jù)進行判斷。其覆蓋范圍視其弧光探頭的分布情況而定。通過弧光保護系統(tǒng)的弧光采集器安裝的位置可以進行故障定位，以便更好的進行維護檢修。

為了防止外界光強的干擾，而引起保護的誤動，運用的弧光保護裝置往往還需要加入電流、電壓信號，當弧光保護裝置檢測到弧光信號后，同時檢測到電流、電壓的突變量，通過裝置內(nèi)的保護邏輯判斷后，發(fā)出跳閘命令，切除故障，以保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。其原理如圖2所示。

弧光保護原理簡單，保護動作邏輯判據(jù)由三部分組成，分別是非電氣量判據(jù)弧光信號和電氣量判據(jù)電流、電壓信號。當裝置檢測到的三個特征信號組成“與”的關(guān)系直接出口跳閘，當裝置檢測到的三個特征信號組成“或”的關(guān)系，裝置發(fā)出告警信號。

圖2 電弧光保護原理示意圖

針對中壓開關(guān)柜中多發(fā)的電弧光短路故障，提出以檢測電弧電壓、電弧電流和弧光三種信號作為保護原理的電弧光保護，完成了保護裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其具備安全可靠、快速靈敏和抗干擾等特點，與常規(guī)電弧光保護裝置相比，電壓、電流突變量和電弧光三特征信號的電弧光保護裝置可以避免傳統(tǒng)電弧光保護裝置的光信號干擾產(chǎn)生的誤動情況，提高了保護裝置的可靠性。

電氣量和非電氣量三特征法電弧光保護能很好實現(xiàn)對母線的快速保護，并能滿足保護快速性、靈敏性、選擇性和可靠性要求。

2 三特征量法弧光保護運用

2.1 現(xiàn)場事故的簡要經(jīng)過

某35 kV變電站6 kV出線供電的主井絞車房，開關(guān)為705的主絞I線和開關(guān)為706主絞II線的兩個回路供電，當開關(guān)705主絞I線安裝調(diào)試完弧光保護，某公司安裝調(diào)試完多點測溫傳感器及采集裝置后，將開關(guān)706主絞II線負荷切換至開關(guān)705主絞I線 ，當運行人員合上開關(guān)705主絞I線時，雙回路切換過程中弧光保護瞬時動作。當時開關(guān)705主絞I負荷側(cè)柜門被高溫氣浪沖開，現(xiàn)場有濃煙并伴有強烈刺激性焦臭味。

2.2 事故原因分析

常測溫傳感器有兩種，一種為無線感溫傳感器，可以安裝在高壓室內(nèi)；一種為有線感溫傳感器，只能安裝在低壓室內(nèi)。而現(xiàn)場安裝的感溫傳感器為有線的，錯誤將其安裝在高壓6 kV開關(guān)柜705主絞I線負荷側(cè)母排上。由于測溫裝置及傳感器無法承受如此高電壓導(dǎo)致負載A、B相間被擊穿短路，出現(xiàn)大電流并伴隨高強度弧光導(dǎo)致弧光繼電器保護動作。

2.3 弧光保護動作情況分析

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)動作報告及SOE遙信變位的歷史記錄得知，從開關(guān)合閘到再次跳開共83 ms左右，由弧光保護正確切除故障。當時開關(guān)705主絞I線路為重要負荷線路，該開關(guān)的線路保護裝置的電流速斷投的是限時速斷，延時0.3 s。因事故在83 ms左右即被切除，故開關(guān)705主絞I線路保護故障未超過0.3 s故障已被由電壓、電流、弧光構(gòu)成的保護切除，故過流速斷保護未動作，正確。由于弧光保護動作靈敏、迅速，可靠并將事故瞬時切除，將損失降低至最低。

3 結(jié)束語

通過對電流、電壓及弧光特征量構(gòu)成的弧光保護進行理論分析及現(xiàn)場運用情況表明，將電流、電流信號及各頻段能量譜作為故障電弧的特征量，對故障電弧具有較高的識別率。

由電氣量加非電量構(gòu)成的電弧光保護要在性能上滿足快速保護母線、使用簡單、可靠性、經(jīng)濟性上最優(yōu)化等要求。且與其他保護相互配合，在原有保護或設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加少量輔助設(shè)備既能實現(xiàn)對中低壓母線的保護，又能保持原有的保護功能不丟失，能做到效率高、設(shè)備改造投資費用少，即要滿足最優(yōu)化也要滿足經(jīng)濟性。