淺談電弧光保護在（3~10kV）廠用系統(tǒng)中低壓母線保護的應(yīng)用

鐘曉鵬

摘要 ：傳統(tǒng)的（3～10kV）中壓、低壓母線保護方案不能快速有效地切除短路故障，降低對人身和設(shè)備安全的危害，本文介紹了一種采用弧光檢測和高速過流檢測雙重判據(jù)的中低壓母線保護方案。

關(guān)鍵詞：發(fā)電廠;開關(guān)柜;母線;電弧光保護

1.概述

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展和電力裝備技術(shù)的進步，中低壓廠用電系統(tǒng)負(fù)荷也越來越大，將中、低壓成套組合開關(guān)柜通過母排硬連接的越來越多，當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生弧光短路故障時，將使連結(jié)在故障母線上的所有設(shè)備解列，還有可能波及其它設(shè)備，造成事故范圍擴大。

在中性點不接地的電力網(wǎng)的運行中，出現(xiàn)單相接地后，允許帶接地點運行的時間一般不超過2小時，這提高了供電的穩(wěn)定性，但非故障相對地電壓升高為線電壓，對系統(tǒng)絕緣不利。高阻抗類型的接地故障能延長接地故障保護的動作時間，導(dǎo)致了弧光能量相當(dāng)大的累積。由于母線短路故障電流大，持續(xù)時間長，后備保護延時長或拒動等原因，導(dǎo)致故障切除時間延長，增加了對設(shè)備和電力系統(tǒng)的危害。

我國現(xiàn)行的繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程，對35 kV及以下的母線一般未配置專門的保護，而是由發(fā)電機或變壓器的后備過流保護來切除母線短路故障，為了保證其選擇性，其動作時限需要按照時間階梯原則配合，即自負(fù)荷側(cè)到電源側(cè)的動作時限逐級拉長，典型的保護動作時間一般為1.2～1.4 s甚至更長達2.0s以上，遠(yuǎn)不能滿足在100ms內(nèi)快速切除故障的要求。

2.中低壓母線短路故障的危害

在開關(guān)柜中發(fā)生故障的直接表現(xiàn)形式是電弧光放電燃燒，弧光發(fā)生點的溫度是35.000°F，為太陽表面溫度的4倍。電弧光形成后可以300m/s的速度爆發(fā)，爆破壓和高溫不僅嚴(yán)重?fù)p壞故障設(shè)備本身，造成開關(guān)柜內(nèi)金屬汽化、電纜熔毀、盤體變形，還可能迅速擴散到相鄰柜體，只要系統(tǒng)中不斷電，燃弧就會一直存在。由于周圍空氣被電離的作用，電阻降低趨近于零，受損的嚴(yán)重程度與故障電流大小及燃弧時間有關(guān)，由于發(fā)生弧光故障在斷路器動作前，故障短路處電弧是一直在燃燒的，保護動作時間加上斷路器動作時間之和，即為電弧燃燒的持續(xù)時間。

國外一般采用IEC298中附錄AA中指定的100ms的內(nèi)部電弧額定時間作為電弧故障防護標(biāo)準(zhǔn)，它指的是開關(guān)柜可以承受的內(nèi)部電弧燃燒時間。如果發(fā)生開關(guān)柜內(nèi)部故障時保護動作切除故障的時間在100ms以內(nèi)的話，對開關(guān)設(shè)備及附近人員的損害可限制到最小。

各種燃弧時間對設(shè)備造成的破壞作用如下：1）35 ms沒有顯著的損壞，一般可以在檢驗絕緣電阻后投入使用;2）100 ms損壞較小，在開關(guān)柜再次投入運行以前需要進行清潔或進行小的修理;3）500 ms設(shè)備損壞很嚴(yán)重，在現(xiàn)場的人員也會受到嚴(yán)重的傷害，必須更換部件后再投入運行。

根據(jù)繼電保護快速性的要求，在開關(guān)柜耐受燃弧時間以內(nèi)快速切除故障，最大限度地限制電弧燃燒釋放的能量，是最有效的限制弧光短路故障損壞開關(guān)設(shè)備及變壓器的防護措施。

3.電弧光中低壓母線保護系統(tǒng)

電弧光保護作為一種針對中低壓母線系統(tǒng)運行特點開發(fā)的系統(tǒng)，可以在開關(guān)柜發(fā)生弧光故障的時候，迅速動作，最大限度地減少弧光的危害。

1）電弧光保護的原理

開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生短路故障時，燃弧伴隨著多種物理特性，通過檢測這些特征量的變化，來判斷是否發(fā)生故障。電弧光保護是基于檢測內(nèi)部故障時發(fā)出的弧光為主，在實際應(yīng)用中為了防止誤動作還引入了過流信號閉鎖條件。采用這種新原理的保護所提供動作時間為5 ～ 7ms，加上斷路器的固有動作時間，對于開關(guān)柜各單元室的故障總清除時間可保證在100ms以內(nèi)，并留有一定的裕度。

電弧光保護由三部分組成：保護主單元、I/O輔助單元、弧光傳感器。保護主要判定依據(jù)為故障產(chǎn)生的兩個不同因素：弧光及電流增量。

主單元作為控制中心包含有電流檢測和斷路器失靈保護功能，它通過檢測支路電流和來自弧光傳感器的動作信息，對收集的數(shù)據(jù)進行處理、判斷，在滿足跳閘條件時發(fā)指令以切除故障。主單元一般安裝在電源進線柜中，每個主單元可接入多個輔助單元，它與輔助單元采用總線通信，以實現(xiàn)有選擇性的切除母線故障。

安裝在開關(guān)柜中的輔助單元可接入多個弧光傳感器，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，輔助單元收集來自弧光傳感器的動作信息并傳送給主單元，在主單元上顯示輔助單元和弧光傳感器的地址編號，有利于及時準(zhǔn)確地定位故障開關(guān)柜，為檢修提供信息。

傳感器安裝在開關(guān)柜的母線室內(nèi)，它作為光感應(yīng)元件，將檢測在發(fā)生弧光故障時突然增加的光強，并將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號傳送給輔助單元。通過弧光傳感器實現(xiàn)對保護分區(qū)的覆蓋，交換弧光和過流動作信息，可向各段母線提供有選擇性的保護，適用于各種運行方式。

2）電弧光保護的作用

保護附近工作人員免受電弧故障物理效應(yīng)的傷害;限制燃弧時間，令元器件損壞程度降低至最小;減少開關(guān)柜的維修費用，延長設(shè)備壽命;定位故障點，最大限度地減少停電時間，盡快恢復(fù)生產(chǎn);保護變壓器免受長期短路沖擊電流而損壞，避免事故擴大;

3）電弧光保護對比傳統(tǒng)保護方案配置：

電弧光保護切除故障總時間為80～100 ms，并且不會給開關(guān)設(shè)備外觀上造成明顯損壞，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于變壓器后備過流保護的保護動作時間，在發(fā)生電弧光故障的開關(guān)柜內(nèi)的設(shè)備嚴(yán)重受損之前，就可以及時切除供給的短路電流，使損失降到最小。電弧光保護裝置是針對中低壓母線運行方式的保護裝置，饋線回路數(shù)量可擴充，動作時間較快，誤動的可能性較小，可靠性高，并且具有故障定位功能。而變壓器后備過流保護并不具備故障定位功能。由于變壓器后備過流保護不需要單獨裝置，已包括在發(fā)變組保護裝置中，而電弧光保護需要專門配置，現(xiàn)場工作量較大。

4.結(jié)語

電弧光保護作為一種針對中壓開關(guān)柜故障特性開發(fā)的中低壓母線保護系統(tǒng)，具有原理簡單、靈敏度高、動作可靠迅速、對一次設(shè)備無特殊要求、適應(yīng)于各種運行方式等優(yōu)點，限制了短路故障弧光所造成的危害，提高了故障處理速度，將事故的損失降到最低，保證了設(shè)備的可靠運行和供電的連續(xù)性，滿足廠用電系統(tǒng)的安全及經(jīng)濟運行的要求。

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（四川省水利規(guī)劃研究院，四川 成都 610072）