一起弧光保護(hù)裝置誤動(dòng)導(dǎo)致電氣事故擴(kuò)大的事件分析

張 力

(廣州發(fā)展電力集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510623)

施耐德電氣生產(chǎn)的VAMP系列弧光保護(hù)被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)和發(fā)電廠中壓配電系統(tǒng)，改進(jìn)前的VAMP221型弧光保護(hù)由于其探頭在配電柜的安裝位置，并不能真實(shí)反映配電系統(tǒng)發(fā)生的電氣故障，容易造成保護(hù)誤動(dòng)。以下通過一起發(fā)電廠6 kV中壓配電系統(tǒng)因弧光保護(hù)誤動(dòng)導(dǎo)致電氣事故擴(kuò)大事件的分析，論述對VAMP221型弧光保護(hù)進(jìn)行整改升級的必要性。

1 設(shè)備概況

佛山恒益電廠6 kV廠用配電系統(tǒng)有廠用6 kV 1A、1B、2A、2B段，6 kV脫硫A、B段，6 kV輸煤A、B段，共8段廠用分支母線。母線上6 kV/380 V廠用變壓器配置的電氣綜保裝置為金智科技(WDZ-5242)型綜保裝置。其針對變壓器出現(xiàn)的接地、短路等電氣故障，投入了“過流一段”保護(hù)。該保護(hù)的動(dòng)作邏輯是根據(jù)故障發(fā)生時(shí)的電流大小與作用時(shí)間來設(shè)置的，屬于電量型保護(hù)。其動(dòng)作時(shí)間為0.9 s[1]，動(dòng)作二次電流為4.16 A[1]。

另外，每段分支母線均配置有VAMP221型弧光保護(hù)[2]裝置。該套裝置是一個(gè)模塊化系統(tǒng)，包括主單元、 I/O 單元(VAM4C)、弧光傳感器，主單元安裝在工作電源進(jìn)線開關(guān)柜，I/O 單元安裝在備用電源進(jìn)線開關(guān)柜，主單元可顯示、查詢開關(guān)柜運(yùn)行和故障信息。恒益電廠6 kV系統(tǒng)安裝的是配套ABB VD4型真空斷路器的UniGear-Zs1型中壓配電柜。上述8段廠用分支母線的每個(gè)UniGear-Zs1型配電柜均裝設(shè)了弧光傳感器。傳感器通過 I/O 單元連接到主單元上，每個(gè)I/O單元最多接 10 個(gè)弧光傳感器。當(dāng)6 kV母線電流大于弧光保護(hù)整定電流，且弧光傳感器探頭檢測到有足夠亮度的弧光時(shí)，弧光保護(hù)動(dòng)作會(huì)發(fā)出跳閘信號(hào)，跳開母線電源進(jìn)線開關(guān)，避免事故擴(kuò)大?；」獗Ｗo(hù)主機(jī)顯示屏上會(huì)顯示該段母線產(chǎn)生弧光的開關(guān)柜編號(hào)，便于快速定位故障位置。6 kV輸煤A、B段只有工作電源進(jìn)線開關(guān)，沒有備用電源進(jìn)線開關(guān)，通過輸煤母聯(lián)開關(guān)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，因此只在母線工作電源進(jìn)線開關(guān)柜安裝了弧光保護(hù)主單元。恒益電廠輸煤電氣一次系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 恒益電廠輸煤電氣一次系統(tǒng)圖

2 弧光保護(hù)介紹

電弧產(chǎn)生的現(xiàn)象原因及特點(diǎn)：電弧屬于氣體放電的一種形式，氣體放電又分為自持放電與非自持放電兩大類。電弧屬于氣體自持放電中的弧光放電，弧光由發(fā)生相間短路或接地短路時(shí)的空氣電離形成。弧光能通過絕緣物傳播，空氣會(huì)在3 000 ℃時(shí)成為導(dǎo)體，而電弧光中的溫度能瞬間達(dá)20 000 ℃；弧光產(chǎn)生時(shí)瞬時(shí)功率可達(dá)40 MW，電弧光光強(qiáng)度是普通照明光的2 000倍。高溫電弧會(huì)燒壞設(shè)備，從而造成嚴(yán)重事故，所以必須采取措施，迅速熄滅電弧。

VAMP221型弧光保護(hù)主要依據(jù)配電柜內(nèi)電氣設(shè)備發(fā)生短路時(shí)，產(chǎn)生的短路電流大小及電弧光光照強(qiáng)度，來實(shí)現(xiàn)快速故障切除。該保護(hù)啟動(dòng)時(shí)間為7 ms ；啟動(dòng)二次電流為1 A；電弧光照度定值為6 000～7 000 lx。因此，從弧光保護(hù)啟動(dòng)到開關(guān)跳閘所用的時(shí)間為7 ms(光信號(hào)1 ms+過流判斷1 ms+輸出節(jié)點(diǎn)閉合5 ms)+35 ms(VD4型斷路器跳閘機(jī)械特性所需時(shí)間)=42 ms。而綜保裝置“過流保護(hù)”從啟動(dòng)到開關(guān)跳閘所用的時(shí)間為900 ms(采樣判斷時(shí)間20 ms+輸出節(jié)點(diǎn)閉合時(shí)間5 ms+延時(shí)設(shè)定875 ms)+35 ms=935 ms。據(jù)研究分析，中壓配電柜出現(xiàn)電氣故障產(chǎn)生電弧后，開關(guān)跳閘時(shí)間≥100 ms時(shí)動(dòng)力電纜便會(huì)燃燒，開關(guān)跳閘時(shí)間≥200 ms時(shí)會(huì)導(dǎo)致柜體燃燒及爆炸。因此當(dāng)中壓配電裝置出現(xiàn)電弧后，開關(guān)跳閘時(shí)間必須控制在100 ms以內(nèi)。

由于弧光傳感器能夠快速捕捉故障時(shí)產(chǎn)生的電弧光，因此動(dòng)作時(shí)間比“過流保護(hù)”要快，動(dòng)作電流比“過流保護(hù)”要小。但是弧光傳感器的安裝位置及弧光探頭對光照敏感程度的差異，導(dǎo)致故障切除的準(zhǔn)確性存在誤差。以下通過一起中壓配電柜電氣事故，對存在的問題進(jìn)行深入分析。

3 故障現(xiàn)象

2022年3月2日19:00，恒益電廠1#機(jī)組停運(yùn)檢修，6 kV廠用電由啟備變供電，6 kV 輸煤A段母線正常運(yùn)行，1#輸煤變掛 6 kV 輸煤A段母線運(yùn)行，6 kV 輸煤B段母線正常運(yùn)行，2#輸煤變掛 6 kV 輸煤 B 段母線運(yùn)行(見圖 1 )。6 kV 輸煤A、B段上動(dòng)力負(fù)荷此時(shí)均處在備用狀態(tài)。

19:07發(fā)生以下事件：輸煤6 kV A段進(jìn)線開關(guān)61SM11弧光保護(hù)動(dòng)作跳閘；輸煤6 kV A段母線PT低電壓一、二段報(bào)警；1#輸煤變高壓側(cè)開關(guān)6SA11過流一段動(dòng)作跳閘，開關(guān)柜下方有燒焦痕跡；1#輸煤變高壓側(cè)開關(guān)6SA11及電纜接線室冒煙。同一時(shí)間1#機(jī)組主機(jī)盤車、EH油備用油泵、主油箱排煙風(fēng)機(jī)電機(jī)B、密封油防爆風(fēng)機(jī)B跳閘，化環(huán)水處理系統(tǒng)1#除鹽水泵A、1#二級清水泵、1#除碳風(fēng)機(jī)跳閘。

現(xiàn)場查看保護(hù)動(dòng)作情況如下：

1)1#輸煤變高壓側(cè)開關(guān) 6SA11 “過流一段”保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作電流A相為16.65 A(對應(yīng)一次電流3 300 A)，B相為28.44 A(對應(yīng)一次電流5 668 A)，C相電流為16.16 A(對應(yīng)一次電流為3 232 A)，AB 相線電壓為9.2 V(對應(yīng)一次電壓0.552 kV)，BC 相線電壓為8.53 V(對應(yīng)一次電壓0.53 kV)，AC相線電壓為16.83 V(對應(yīng)一次電壓1.01 kV)。根據(jù)1#機(jī)組故障錄波裝置錄波信息顯示，故障發(fā)生時(shí)最大故障電流A相為21.8 kA，B相為20.8 kA，C相為21.5 kA。由故障錄波及保護(hù)動(dòng)作的信息顯示，1#輸煤變高壓側(cè)開關(guān)6SA11 出線發(fā)生了三相短路，繼電保護(hù)動(dòng)作正確。

2)6 kV輸煤A段進(jìn)線開關(guān)61SM11弧光保護(hù)動(dòng)作。由于故障點(diǎn)位于1#輸煤變高壓側(cè)開關(guān)6SA11出線部位，不在6 kV母線上，推測弧光保護(hù)探頭必然感應(yīng)到了出線部位短路產(chǎn)生的弧光，且事件發(fā)生時(shí)電流已超過動(dòng)作值，因此弧光保護(hù)動(dòng)作。

3)6 kV輸煤A段母線PT報(bào)“低電壓告警”，保護(hù)動(dòng)作正確。

4 案例分析

恒益電廠6 kV系統(tǒng)UniGear-Zs1型配電柜中，一次設(shè)備主要分布在柜內(nèi)3個(gè)位置：1)電纜出線室(位于配電柜下部)，主要為設(shè)備出線動(dòng)力電纜；2)開關(guān)室(位于配電柜中部)，主要為VD4型斷路器本體；3)6 kV母線室(位于配電柜中部),主要為6 kV三相母線排。母線室與開關(guān)室及電纜出線室有隔板進(jìn)行分隔，但開關(guān)室與電纜出線室是連通的。VAMP221型弧光保護(hù)的弧光傳感器安裝在配電柜上部的母線室與出線室分隔的擋板部位，采用壁掛嵌入式固定，感光部位主要是弧光探頭。

從保護(hù)動(dòng)作信息及現(xiàn)場檢查情況發(fā)現(xiàn)，事件發(fā)生的直接原因是6SA11 開關(guān)柜封堵不嚴(yán)，老鼠進(jìn)入電氣設(shè)備內(nèi)，從而導(dǎo)致1#輸煤變高壓側(cè)開關(guān) 6SA11 電纜出線部位發(fā)生了三相短路。繼續(xù)進(jìn)行深入分析后發(fā)現(xiàn)，開關(guān)室和母線室的隔板并非密封分隔，存在漏光現(xiàn)象。因此，當(dāng)電纜出線室發(fā)生三相短路故障時(shí)，產(chǎn)生的電弧光照會(huì)通過隔板間隙映射進(jìn)入母線室，若光照度足夠強(qiáng)，便有可能被弧光傳感器探頭檢測到，從而使弧光保護(hù)動(dòng)作。

因此，弧光保護(hù)動(dòng)作的原因：1#輸煤變高壓側(cè)開關(guān) 6SA11 出線短路產(chǎn)生的電弧光通過電纜出線室孔隙及較透明的探頭固定支架外罩被弧光探頭感應(yīng)，事件發(fā)生時(shí)電流已超過動(dòng)作值，故弧光保護(hù)動(dòng)作跳閘6 kV 輸煤A段進(jìn)線開關(guān) 61SM11。6 kV 輸煤A段母線失電后，啟備變供電電壓發(fā)生波動(dòng)，導(dǎo)致部分運(yùn)行中的380 V負(fù)荷(接觸器控制)跳閘。

事件暴露了1#輸煤變6 kV配電柜弧光保護(hù)裝置存在問題：弧光探頭安裝位置不合理，固定探頭處存在透光。由于故障點(diǎn)位于1#輸煤變高壓側(cè)開關(guān) 6SA11 出線部位，不在 6 kV 母線上，從原理上分析弧光保護(hù)不應(yīng)該動(dòng)作，但由于固定探頭處透光，探頭安裝位置又位于母線室與開關(guān)室接壤處，因此弧光保護(hù)才動(dòng)作。舉一反三，恒益電廠6 kV其余分支母線同類型配電柜弧光保護(hù)裝置探頭安裝也存在同樣問題。

5 解決途徑

事件發(fā)生后，從配電柜生產(chǎn)廠家(施耐德電氣)了解到，VAMP221型弧光保護(hù)目前已進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)[3]。新型號(hào)產(chǎn)品分為開關(guān)柜內(nèi)單監(jiān)視點(diǎn)方案(見圖2)及三監(jiān)視點(diǎn)方案(見圖3)。單監(jiān)視點(diǎn)方案改變了原來弧光傳感器在母線室的安裝位置，新位置為在6 kV母排的正對面，杜絕了感應(yīng)漏光現(xiàn)象導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。三監(jiān)視點(diǎn)方案是在配電柜內(nèi)3個(gè)不同位置(母線室、開關(guān)室、出線電纜室)分別安裝弧光傳感器，再通過設(shè)定相關(guān)邏輯來優(yōu)化弧光保護(hù)動(dòng)作的范圍，使弧光保護(hù)動(dòng)作更為準(zhǔn)確。恒益電廠受限于目前的生產(chǎn)及設(shè)備狀況，故單點(diǎn)監(jiān)視方案比較適合，改進(jìn)費(fèi)用及工作量相對合理。

圖2 單監(jiān)視點(diǎn)方案

圖3 三監(jiān)視點(diǎn)方案

根據(jù)配電柜生產(chǎn)廠家(施耐德電氣)及廣東電科院專家建議，采取如下臨時(shí)措施進(jìn)行防范整改，避免弧光保護(hù)產(chǎn)生誤動(dòng)：1)使用黑色機(jī)械密封膠對全部6 kV配電柜母線室的漏光間隙進(jìn)行遮黑封堵；2)采用黑色電工膠布對弧光傳感器透光外殼進(jìn)行包裹，僅漏出弧光探頭嵌入母線室內(nèi)；3)若分支母線裝有快切裝置，弧光保護(hù)動(dòng)作信號(hào)必須接入快切閉鎖，在一次短路故障沒有排除的情況下，避免電氣設(shè)備繼續(xù)發(fā)生二次短路故障；4)對于母線分段聯(lián)絡(luò)開關(guān)不接入弧光保護(hù)動(dòng)作跳閘的邏輯，更正為弧光保護(hù)動(dòng)作，跳閘母線進(jìn)線電源開關(guān)或備用電源開關(guān)，同時(shí)跳閘母線分段聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

6 小結(jié)

弧光保護(hù)測控裝置具有非?？斓膭?dòng)作速度，對各單元故障清除時(shí)間可控制在100 ms以內(nèi)。配置作用于開關(guān)柜內(nèi)母線接地或短路故障跳閘。因此，在發(fā)生配電柜電氣故障，以及柜內(nèi)壓力和溫度急劇增加前[4]，弧光保護(hù)系統(tǒng)就可以發(fā)出跳閘指令切除供給的短路電流，使設(shè)備損壞及人員傷害的程度減到最小。但恒益電廠發(fā)生的1#輸煤變過流跳閘事件卻反映出其存在的問題：當(dāng)小動(dòng)物進(jìn)入中壓配電柜造成出線電纜單相接地后，情況進(jìn)一步發(fā)展為三相短路，本該由變壓器配置的繼電保護(hù)動(dòng)作跳閘變壓器高壓側(cè)開關(guān)來切除的電氣故障，卻由于弧光保護(hù)誤動(dòng)，使母線工作電源進(jìn)線開關(guān)跳閘，進(jìn)而造成6 kV母線失電，事故由此擴(kuò)大。同時(shí)還暴露出VAMP221型弧光保護(hù)在早期實(shí)際使用過程中存在的問題。因此，必須合理配置及安裝弧光傳感器[5]，完善弧光保護(hù)相關(guān)動(dòng)作邏輯及電氣閉鎖功能，這樣才能真正使弧光保護(hù)發(fā)揮最大作用，切實(shí)提高弧光保護(hù)的整體穩(wěn)定性和動(dòng)作可靠性。