胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

摘要：指出了電弧光產(chǎn)生的因素及危害，以光電式電弧光保護(hù)為例介紹電弧光保護(hù)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用分析了電弧光保護(hù)的動(dòng)作邏輯及故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作過程，提出了作為一種新型保護(hù)裝置，電弧光保護(hù)原理簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠且速度較快，可以很好地應(yīng)用于35kV及以下開關(guān)柜保護(hù)中。

關(guān)鍵詞：電弧光；保護(hù)；故障

引言

隨著我國電力系統(tǒng)的發(fā)展，6～35kV開關(guān)柜的應(yīng)用數(shù)量越來越多，由開關(guān)柜弧光短路故障引發(fā)低壓母線故障日益增多，弧光短路嚴(yán)重?zé)龤ч_關(guān)設(shè)備的事故時(shí)有發(fā)生，主變壓器由于遭受外部短路電流沖擊損壞的事故也逐年增加，這些事故若處理不當(dāng)甚至?xí)U(kuò)大發(fā)展為輸電網(wǎng)事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。開關(guān)柜IEC298標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)部燃弧耐受時(shí)間是100Ills，即開關(guān)柜可承受的電弧燃燒時(shí)間為100ms。發(fā)生弧光故障，在斷路器動(dòng)作跳閘切斷故障前，短路電弧一直在燃燒，電弧燃燒的持續(xù)時(shí)間為保護(hù)動(dòng)作時(shí)間加斷路器跳閘時(shí)間之和。從開關(guān)柜方面考慮，要求保護(hù)動(dòng)作時(shí)問應(yīng)小于100ms切除故障，以防止弧光短路故障進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大造成更大的損害。對(duì)于變壓器規(guī)定110kV及以上電壓等級(jí)的變壓器熱穩(wěn)定允許時(shí)間為2．0S，動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間為0．25S。實(shí)際由于靈敏度等原因，變電站低壓側(cè)出口短路依靠主變壓器后備過流保護(hù)切除故障的動(dòng)作時(shí)間往往在2S以上，離0．25S的變壓器動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間相差甚遠(yuǎn)，由此造成主變壓器的損壞，同時(shí)危及母線、開關(guān)等設(shè)備。因此，為保證主變壓器及母線、開關(guān)等設(shè)備的安全運(yùn)行，有必要在變電站低壓開關(guān)柜裝設(shè)快速、可靠的保護(hù)裝置。

1電弧光產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)

當(dāng)兩電*問電壓升高時(shí)，在電**近處空氣中的正負(fù)離子被電場(chǎng)加速，在移動(dòng)的過程中與其他空氣分子碰撞產(chǎn)生新的離子，這種離子大量增加的現(xiàn)象稱為“電離"。空氣被電離的同時(shí)，溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧，這種放電稱為電弧光放電。電弧光放電一般不需要很高的電壓，屬于低電壓大電流放電。它產(chǎn)生的條件是小間隙和大電流，如果增加間隙或減小電流，電弧將會(huì)消失。產(chǎn)品因絕緣損壞、元件老化、過電壓、污染、腐蝕、柜體結(jié)構(gòu)不合理、維護(hù)不到位、人為失誤等因素均可導(dǎo)致故障電弧光的產(chǎn)生。故障電弧發(fā)展迅速、破壞力大、*易傳播，電弧溫度超過10000℃，弧光的光強(qiáng)度可超過正常的照明光強(qiáng)2000倍。當(dāng)發(fā)生電弧光短路故障時(shí)有兩個(gè)顯著特征：電流，光強(qiáng)。

2電弧光保護(hù)介紹

電弧光保護(hù)是根據(jù)35kV及以下開關(guān)柜故障時(shí)的特征而開發(fā)的保護(hù)裝置，它采用檢測(cè)弧光和過流雙判據(jù)原理，具有原理簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠迅速、對(duì)變電站一次設(shè)備無特殊要求、適應(yīng)各種運(yùn)行方式、且在各種運(yùn)行方式下保護(hù)不需要切換等優(yōu)點(diǎn)，是變電站低壓開關(guān)柜很好的保護(hù)配置。本文主要以電弧光保護(hù)系統(tǒng)為例來介紹，該電弧光保護(hù)系統(tǒng)使用光纖檢測(cè)電弧光信號(hào)，配合過流判據(jù)，其快速繼電器(采用可控硅開關(guān))出口時(shí)間小于1ms，而常規(guī)繼電器出口時(shí)間小于8ms，如果加上斷路器35～6Oms的跳閘時(shí)間，即能夠有效保護(hù)主變壓器及母線、開關(guān)等設(shè)備。

2．1電弧光保護(hù)系統(tǒng)主要特點(diǎn)

a)采用弧光檢測(cè)及過流檢測(cè)雙判據(jù)原理，動(dòng)作可靠。

b)弧光檢測(cè)采用無源弧光探頭，光纖傳輸長(zhǎng)達(dá)100m，抗電磁干擾能力強(qiáng)。

c)采用光纖傳輸跳閘指令，可控硅開關(guān)出口，動(dòng)作時(shí)間小于1ms。

d)顯示故障位置，便于故障處理，提高恢復(fù)供電速度。

2．2系統(tǒng)組成

主要由主控單元、弧光單元、電流單元組成，單元之間用光纜線和數(shù)據(jù)傳輸線連接。電弧光保護(hù)系統(tǒng)采用微處理器控制系統(tǒng)功能，通過編程可匹配不同的運(yùn)行方式。

2．3各單元功能

2．3．1主控單元

管理控制整個(gè)系統(tǒng)，主控單元通過檢測(cè)過電流和弧光動(dòng)作信號(hào)，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷，發(fā)出跳閘信號(hào)以切除故障。系統(tǒng)只有同時(shí)檢測(cè)到弧光和過流時(shí)才發(fā)出跳閘命令。僅有弧光動(dòng)作信號(hào)或者過電流信號(hào)，系統(tǒng)不會(huì)輸出跳閘命令，但是在主控單元上會(huì)顯示報(bào)警信號(hào)。

主控單元具備可編程邏輯功能，可直接操作4個(gè)斷路器。通過快速繼電器能夠同時(shí)操作更多的斷路器。主控單元有4個(gè)數(shù)據(jù)傳輸接口，每個(gè)接口可聯(lián)結(jié)6個(gè)弧光或電流單元，共可接24個(gè)弧光或電流單元。所有接口都能用不同的參數(shù)編程。通過主控單元中的顯示，可以準(zhǔn)確判斷電弧光和過流的位置。

2．3．2弧光單元

通過安裝在開關(guān)柜內(nèi)的弧光傳感器(弧光探頭)，把弧光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出至主控單元，作為保護(hù)動(dòng)作的一個(gè)判據(jù)。

2．3．3電流單元

通過對(duì)進(jìn)線電流的檢測(cè)，把過電流信號(hào)輸出至主控單元，作為保護(hù)動(dòng)作的一個(gè)判據(jù)。

3實(shí)際應(yīng)用分析

3．1某變電站35kV系統(tǒng)電弧光保護(hù)配置如圖1所示。

35kVI段、Ⅱ段各配置一套電弧光保護(hù)裝置BH1和BH2，兩套保護(hù)之間采用光纖通訊聯(lián)系。

圖1電弧光保護(hù)配置圖

兩套保護(hù)裝置分別安裝于1號(hào)及2號(hào)主變35kV開關(guān)柜內(nèi)，電弧光傳感器安裝在各開關(guān)柜母線室內(nèi)，以確保母線室內(nèi)發(fā)生任何弧光故障時(shí)都能感受弧光，發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。

3．2電弧光保護(hù)動(dòng)作邏輯分析

圖2為一臺(tái)電弧光保護(hù)裝置邏輯圖，對(duì)側(cè)另一臺(tái)弧光保護(hù)裝置邏輯圖與此相同。

圖2電弧光保護(hù)裝置邏輯圖

動(dòng)作分析如下。本側(cè)弧光信號(hào)動(dòng)作，H1動(dòng)作，同時(shí)本側(cè)過流起動(dòng)，Y2動(dòng)作，通過快速接點(diǎn)(可控硅開關(guān))跳進(jìn)線開關(guān)。對(duì)側(cè)弧光信號(hào)動(dòng)作輸入本裝置，同時(shí)本側(cè)過流起動(dòng)，Y1動(dòng)作，通過快速接點(diǎn)(可控硅開關(guān))跳分段開關(guān)。本側(cè)弧光信號(hào)動(dòng)作、對(duì)側(cè)弧光信號(hào)動(dòng)作、本側(cè)

過流起動(dòng)任一條件滿足，H2動(dòng)作，裝置發(fā)弧光或過流報(bào)警信號(hào)。本側(cè)弧光信號(hào)動(dòng)作，H1動(dòng)作，經(jīng)SC1把該信號(hào)通過光纖傳至對(duì)側(cè)弧光保護(hù)裝囂，作為對(duì)側(cè)弧光保護(hù)動(dòng)作的一個(gè)判據(jù)。

3．3不同運(yùn)行方式下保護(hù)動(dòng)作分析

如圖3所示。

圖3電弧光保護(hù)裝置動(dòng)作示意圖

3．3．1運(yùn)行方式一

1DI3DI合位，2DI分位，由1號(hào)變帶I、Ⅱ段母線。如故障發(fā)生在K2處，l號(hào)保護(hù)裝置BH1收到2號(hào)保護(hù)裝置BH2發(fā)來的Ⅱ段弧光動(dòng)作信號(hào)，同時(shí)本側(cè)過流起動(dòng)，保護(hù)跳3DI切除故障。BH2由于本側(cè)電流不起動(dòng)，保護(hù)不動(dòng)作。動(dòng)作結(jié)果是切除Ⅱ段母線，l段正常供電。如故障發(fā)生在K1處，l號(hào)保護(hù)裝置BH1收到本側(cè)發(fā)的I段弧光動(dòng)作信號(hào)，同時(shí)本側(cè)過流起動(dòng)，保護(hù)跳1DI切除故障。BH2由于本側(cè)電流不起動(dòng)，保護(hù)不動(dòng)作。動(dòng)作結(jié)果是切除I、JI段母線。

3．3.2運(yùn)行方式二

2DI、3DI合位，11)L分位，由2號(hào)變帶I、Ⅱ段母線。如果故障發(fā)生在K1處，2號(hào)保護(hù)裝置BH2收到1號(hào)保護(hù)裝置BH1發(fā)來的I段弧光動(dòng)作信號(hào)，同時(shí)本側(cè)過流起動(dòng)，保護(hù)跳3DL切除故障。BHJ由于本側(cè)電流不起動(dòng)，保護(hù)不動(dòng)作。動(dòng)作結(jié)果是切除I段母線，Ⅱ段正常供電。如果故障發(fā)生在K2處，2號(hào)保護(hù)裝置BH2收到本側(cè)發(fā)的Ⅱ段弧光動(dòng)作信號(hào)，同時(shí)本側(cè)過流起動(dòng)，保護(hù)跳2DI切除故障。BH1由于本側(cè)電流不起動(dòng)，保護(hù)不動(dòng)作。動(dòng)作結(jié)果是切除l、Ⅱ段母線。

3．3．3運(yùn)行方式三

1DI2DI3DI合位，由1號(hào)、2號(hào)變同時(shí)帶I、Ⅱ段母線。如果故障發(fā)生在K1處，2號(hào)保護(hù)裝置BH2收到】_號(hào)保護(hù)裝置BH1發(fā)來的I段弧光動(dòng)作信號(hào)，同時(shí)本側(cè)過流起動(dòng)，保護(hù)動(dòng)作跳3DI；1號(hào)保護(hù)裝置BH1收到本側(cè)發(fā)的l段弧光動(dòng)作信號(hào)，同時(shí)本側(cè)過流起動(dòng)，保護(hù)動(dòng)作跳1DI。動(dòng)作結(jié)果是切除l段母線，Ⅱ段正常供電。如果故障發(fā)生在K2處，1號(hào)保護(hù)裝置BH1收到2號(hào)保護(hù)裝置BH2發(fā)來的Ⅱ段弧光動(dòng)作信號(hào)，同時(shí)本側(cè)過流起動(dòng)，保護(hù)動(dòng)作跳3DI；2號(hào)保護(hù)裝置BH2收到本側(cè)發(fā)的I1段弧光動(dòng)作信號(hào)，同時(shí)本側(cè)過流起動(dòng)，保護(hù)動(dòng)作跳2DI。動(dòng)作結(jié)果是切除Ⅱ段母線，I段正常供電。可見，在各種運(yùn)行方式下，電弧光保護(hù)裝置具有很好的選擇性，可以快速地切除故障點(diǎn)，同時(shí)保證正常母線供電。

4電弧光保護(hù)的整定及應(yīng)用注意事項(xiàng)

4．1整定本保護(hù)裝置有兩個(gè)定值，即過電流定值、光強(qiáng)度定值。

過電流定值通過裝扳上的電位器整定，整定范圍是(50～500)×J，，為電流互感器二次額定電流值，裝置的額定電流可以設(shè)置為5A或1A。低壓側(cè)母線發(fā)生故障時(shí)短路電流可達(dá)到幾千乃至上萬安培電流，出廠定值為250×。光強(qiáng)度定值通過裝置面板上的電位器整定，整定范圍是1O～50klux(1ux勒克司，照度單位，為距離一個(gè)光強(qiáng)1cd的光源，在1m處接受的照明強(qiáng)度)。當(dāng)開關(guān)柜發(fā)生弧光短路時(shí)，光強(qiáng)度可達(dá)到100klux，出r一定值為30klUX。當(dāng)對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可將定值調(diào)為10klux，此時(shí)手電筒近距離照射弧光傳感器探頭，可發(fā)出弧光動(dòng)作信號(hào)，試驗(yàn)完畢應(yīng)將定值調(diào)回。

4．2應(yīng)用注意事項(xiàng)

光強(qiáng)度定值整定30klux時(shí)，一般的環(huán)境光線甚至手電筒照射也難以啟動(dòng)弧光傳感器，不必?fù)?dān)心弧光傳感器誤動(dòng)作。發(fā)生開關(guān)柜區(qū)外出口附近短路時(shí)，短路電流很大，有可能過流起動(dòng)，但是沒有弧光動(dòng)作信號(hào)，保護(hù)裝置只是發(fā)出過流起動(dòng)信號(hào)而不跳閘出口，運(yùn)行值班人員可以根據(jù)裝置面板上信號(hào)燈進(jìn)行分析判斷。同時(shí)本側(cè)過流起動(dòng)，保護(hù)動(dòng)作跳3DI；1號(hào)保護(hù)裝置BH1收到本側(cè)發(fā)的l段弧光動(dòng)作信號(hào)，同時(shí)本側(cè)過流起動(dòng)，保護(hù)動(dòng)作跳1DI。動(dòng)作結(jié)果是切除l段母線，Ⅱ段正常供電。如果故障發(fā)生在K2處，1號(hào)保護(hù)裝置BH1收到2號(hào)保護(hù)裝置BH2發(fā)來的Ⅱ段弧光動(dòng)作信號(hào)，同時(shí)本側(cè)過流起動(dòng)，保護(hù)動(dòng)作跳3DI；2號(hào)保護(hù)裝置BH2收到本側(cè)發(fā)的I1段弧光動(dòng)作信號(hào)，同時(shí)本側(cè)過流起動(dòng)，保護(hù)動(dòng)作跳2DI。動(dòng)作結(jié)果是切除Ⅱ段母線，I段正常供電。可見，在各種運(yùn)行方式下，電弧光保護(hù)裝置具有很好的選擇性，可以快速地切除故障點(diǎn)，同時(shí)保證正常母線供電。

5電弧光保護(hù)的整定及應(yīng)用注意事項(xiàng)

5．1整定本保護(hù)裝置有兩個(gè)定值，即過電流定值、光強(qiáng)度定值。

過電流定值通過裝扳上的電位器整定，整定范圍是(50～500)×，，為電流互感器二次額定電流值，裝置的額定電流可以設(shè)置為5A或1A。低壓側(cè)母線發(fā)生故障時(shí)短路電流可達(dá)到幾千乃至上萬安培電流，出廠定值為250×。光強(qiáng)度定值通過裝置面板上的電位器整定，整定范圍是1O～50klux(1ux勒克司，照度單位，為距離一個(gè)光強(qiáng)1cd的光源，在1m處接受的照明強(qiáng)度)。當(dāng)開關(guān)柜發(fā)生弧光短路時(shí)，光強(qiáng)度可達(dá)到100klux，出r一定值為30klux。當(dāng)對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可將定值調(diào)為10klux，此時(shí)手電筒近距離照射弧光傳感器探頭，可發(fā)出弧光動(dòng)作信號(hào)，試驗(yàn)完畢應(yīng)將定值調(diào)回。

5．2應(yīng)用注意事項(xiàng)

光強(qiáng)度定值整定30klux時(shí)，一般的環(huán)境光線甚至強(qiáng)手電筒照射也難以啟動(dòng)弧光傳感器，不必?fù)?dān)心弧光傳感器誤動(dòng)作。發(fā)生開關(guān)柜區(qū)外出口附近短路時(shí)，短路電流很大，有可能過流起動(dòng)，但是沒有弧光動(dòng)作信號(hào)，保護(hù)裝置只是發(fā)出過流起動(dòng)信號(hào)而不跳閘出口，運(yùn)行值班人員可以根據(jù)裝置面板上信號(hào)燈進(jìn)行分析判斷。

6安科瑞ARB6產(chǎn)品功能

注：√表示具備此功能，■表示可選功能。

6.1產(chǎn)品選型指標(biāo)配置

6.2開孔尺寸

6.2.1ARB6弧光保護(hù)裝置安裝位置和開孔尺寸。

ARB6弧光保護(hù)裝置安裝時(shí)需考慮開關(guān)柜安裝空間，與保護(hù)范圍內(nèi)電源進(jìn)線回路的TA回路連接、保護(hù)跳閘回路連接，原則上采用就近安裝方式，避免TA采集回路、跳閘回路連線過長(zhǎng)，一般安裝于主變壓器中、低壓側(cè)進(jìn)線柜或TV柜柜門上，建議采用面板開孔安裝。

ARB6弧光保護(hù)裝置外形和開孔尺寸如下。（尺寸單位：mm）

左視圖正視圖開孔圖

6.2.2ARB-S弧光探頭固定方式和開孔尺寸

ARB-S弧光探頭固定在卡扣支架上，卡扣支架需要開孔安裝。卡扣支架的開孔尺寸為20mm（直徑）。

6.3探頭安裝位置

6.3.1母線室弧光探頭安裝

6.3.2手車室弧光探頭安裝

6.3.3電纜室弧光探頭安裝

7結(jié)束語

隨著微機(jī)和光電技術(shù)的發(fā)展，各種新型原理的保護(hù)裝置不斷出現(xiàn)，電弧光保護(hù)作為一種針對(duì)低壓開關(guān)柜故障特性開發(fā)的保護(hù)裝置，原理簡(jiǎn)單，動(dòng)作進(jìn)行規(guī)范完善，并注重工作人員的技術(shù)培訓(xùn)工作。在對(duì)行架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的線路進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，要充分應(yīng)用技術(shù)分析，選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)溫角度和測(cè)溫點(diǎn)，以減小測(cè)量誤差。同時(shí)要加強(qiáng)操作人員對(duì)設(shè)備的熟悉掌握程度，使工作人員能夠準(zhǔn)確讀取紅外測(cè)溫儀上的讀數(shù)，確保測(cè)溫結(jié)果的正確性。

參考文獻(xiàn)：

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