一種新型弧光保護裝置

蔣平

摘 要：隨著工業(yè)用電和居民用電的需求不斷加強，電網(wǎng)容量不斷提升，中低壓變電站的數(shù)量不斷增加，而變電站內(nèi)開關(guān)柜的繼電保護越發(fā)重要。傳統(tǒng)繼電保護設(shè)備在面對弧光故障時，往往只能采取被動式保護，通過速度較慢的斷路器斷開故障回路來進行保護，保護效果非常有限，對電力設(shè)備和運維人員的人身安全造成嚴重威脅。本文在分析如何有效提高弧光故障保護速度的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型弧光保護系統(tǒng)，技術(shù)成熟度較高，易于安裝，可同時滿足舊變電站弧光保護適應(yīng)性改造和新變電站聯(lián)網(wǎng)運行，能夠大大增強中低壓開關(guān)柜的可靠性和安全性。

關(guān)鍵詞：繼電保護；快速滅弧器；電子檢控裝置；快速接地開關(guān)

0 引言

傳統(tǒng)的弧光保護裝置，即使檢測到了弧光故障，也無法快速消除，原因在于其采取的是“故障檢測”—“斷路器跳閘”的工作方式，而主流的斷路器，跳閘動作時間約為80ms，而弧光故障往往在弧光產(chǎn)生后10ms就會對電力設(shè)施設(shè)備造成實質(zhì)性破壞，并隨時間呈幾何級數(shù)增長，因此無法形成有效保護。隨著電網(wǎng)不斷擴容并朝著智能化方向發(fā)展，配電系統(tǒng)越來越復(fù)雜，產(chǎn)生弧光故障的幾率越來越大，迫切需要一款能夠充分發(fā)揮保護功能，降低、甚至完全消除弧光故障對人員、設(shè)備帶來實質(zhì)性破壞的新型弧光保護裝置。

1 新型弧光保護裝置

1.1 概述

快速滅弧器是一種新型中低壓弧光保護裝置，主要包括電子檢控裝置DTU和快速接地開關(guān)PSE。DTU通過電弧光傳感器、電流互感器來實時監(jiān)測保護區(qū)域的弧光信號和保護線路上的電流信號，出現(xiàn)故障時判斷迅速且可靠，同時向PSE發(fā)出動作信號。PSE包含三組高壓接地開關(guān)，開關(guān)的一端分別接入輸電線路的A、B、C三相線路上，另一端接大地，在接收到DTU的保護動作信號后，立即閉合。由于三相金屬性接地短路阻抗遠遠低于電弧故障點的弧阻，大部分故障電流將流向短路點，故障點的弧壓急劇降低，電弧無法持續(xù)而立即熄滅，最后通過斷路器來切除相應(yīng)故障回路。快速滅弧器的保護時間不超過5ms，能快速有效的消除電弧光故障，是目前繼電保護設(shè)備中消除電弧故障的最佳解決方案。

1.2 電子檢控裝置DTU

DTU作為快速滅弧器弧光故障檢測的核心部件，其主要功能通過安裝在保護區(qū)域各個位置的弧光探頭和連接在母線上的電流互感器，對所保護區(qū)域的弧光信號和電流信號進行實時檢測，當(dāng)信號閾值超過故障門限時，輸出點火信號，驅(qū)動快速接地開關(guān)PSE閉合，同時向上一級發(fā)出斷路器跳閘指示信號；DTU同時需要進行事件記錄和錄波、顯示并反饋用戶需要了解的關(guān)鍵信息，并將各類信息通過聯(lián)網(wǎng)傳輸至上一級系統(tǒng)。

按硬件功能，DTU分為兩大部分，分別是保護模塊和記錄模塊，其中保護模塊由電源、弧光檢測、弧光拓展、電流檢測、綜合決策、點火驅(qū)動、外部反饋7個部分構(gòu)成，記錄模塊則由數(shù)據(jù)采集、顯控中心、MMI（人機交互）3個部分組成，兩者在硬件和功能上均相互獨立，保護模塊能夠在2ms內(nèi)可靠的實現(xiàn)故障信號采集、決策和點火驅(qū)動輸出，而記錄模塊則通過控制CPU、數(shù)據(jù)采集端口和通訊端口，實現(xiàn)DTU工作參數(shù)預(yù)置、自檢，以及參數(shù)和狀態(tài)信息的記錄、顯示、回放和上傳，并實現(xiàn)與智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換。

1.3 快速接地開關(guān)PSE

PSE是一種燃氣推進式的開關(guān)裝置，作為快速滅弧器的執(zhí)行機構(gòu)，其主要功能是在啟動弧光故障保護時，將故障母線回路接地，具有關(guān)合35千伏壓差的能力，并能在一定時間內(nèi)承載高達數(shù)萬安培的短路電流。PSE的設(shè)計充分借鑒了有著幾十年運行經(jīng)驗的真空滅弧室，內(nèi)部通過保持較高的真空度，外部則采用高絕緣度陶瓷來提升開關(guān)的絕緣能力，確保高壓狀態(tài)下不擊穿，而內(nèi)部開關(guān)觸頭則采用低阻抗的高溫耐受材料，短路保護時，能承載一定時間較高的溫度而不發(fā)生明顯變形和氣化。PSE采用燃氣推進活塞、使兩端觸頭閉合的運動方式，能確保在極短的時間內(nèi)（小于3ms）完成閉合動作，這也是快速滅弧器PSE與其他類型開關(guān)，如斷路器等的最大不同之處，也是確保整個保護系統(tǒng)能實現(xiàn)有效保護的關(guān)鍵。

2 設(shè)備安裝及應(yīng)用

隨著繼電保護設(shè)備向就地化、小型化、即插即用為特征的方向發(fā)展，對各種類型的保護設(shè)備也提出了適應(yīng)性要求，尤其是目前大量仍然在服役、不具備弧光防護等級的開關(guān)柜而言，快速滅弧系統(tǒng)可以在不改變現(xiàn)行柜體結(jié)構(gòu)、布局的前提下實現(xiàn)有效配裝。其中弧光探頭覆蓋主要保護區(qū)域，包括斷路器室、電纜室等易發(fā)生弧光故障的部位。PSE通過銅排或電纜連接至系統(tǒng)母線或電纜連接端，盡可能的靠近保護范圍的電源側(cè)。而DTU可以安裝在系統(tǒng)開關(guān)柜低壓室內(nèi)的標準機柜中，也可單獨安裝在低壓室內(nèi)或高壓室的墻上。

3 保護效果

由于目前快速滅弧器這一新興弧光保護裝置還沒有正式投入使用，為驗證其保護效果，在國家認證的XIHARI實驗室進行了系統(tǒng)保護模擬測試，試驗流程為：裝置設(shè)定為弧光/電流雙判據(jù)模式，通過繼電測試裝置施加異變電流信號，弧光標定儀施加模擬弧光信號，PSE母線接線端接入10kV的電壓，當(dāng)外部輸入滿足DTU的故障判斷門限時，PSE有效關(guān)合，此過程中監(jiān)測外部輸入信號電平和PSE兩端的電平，最終的測試結(jié)果為1.54ms，滿足系統(tǒng)要求的10ms保護時間要求。

4 結(jié)論

快速滅弧器保護系統(tǒng)在電流、弧光雙判據(jù)的基礎(chǔ)上，還可以擴展紅外、聲信號、溫度等多種檢測手段，可進一步增加系統(tǒng)的可靠性。通過PSE短路消弧、斷路器斷流的保護模式，不僅能對設(shè)備進行有效保護，相對舊變電站進行弧光保護適應(yīng)性改造也非常簡單，即插即用，能夠大大增強中低壓開關(guān)柜的可靠性和安全性，并可掛網(wǎng)運行，與其他系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)通訊，是未來智能電網(wǎng)繼電保護設(shè)備的重要組成部分。

參考文獻

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