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浅聊电弧光保护系统在中压保护母线中应用方案
2024-10-18 阅读(286)
张继冬
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：中低压系统一直未装设母线保护，但运行情况表明，中低压母线故障会严重影响到变压器及母线开关设备的安全运行。因此，中低压母线保护需要得到足够的重视，找到一种快速的保护装置是当前一项迫切的任务。电弧光保护系统就是在这种情况下应运而生，该装置已在电力系统中得到了的应用。
关键词：中低压母线电弧光保护
0引言
在电力系统中，35kV及以下电压等级的母线由于没有稳定问题，一般未装设母线保护。然而，由于中低压母线上的出线多，操作频繁，三相导体线间距离与大地的距离比较近，容易受小动物危害，设备制造质量比高压设备差，设备绝缘老化和机械磨损，运行条件恶劣，系统运行条件改变，人为和操作错误等原因，中低压母线的故障几率比高压、压母线高得多。但长期以来，人们对中低压母线的保护一直不够重视，大多采用带有较大延时的后备保护来切除母线上的故障，往往使故障发展、扩大，从而造成巨大的经济损失。
近年来，由于各种原因开关设备被严重烧毁，并导致相关设备一并损坏的事故时有发生。而主变压器由于遭受外部短路电流冲击损坏的事故也逐年增加，这些配网事故处理不当会被扩大发展为输电网事故，造成重大的经济损失，已引起电力部门的广泛关注。究其原因大多是因为没有装设中低压母线保护，未能快速切除故障造成的。所以，为了保证变压器及母线 开关设备的安全运行，根据继电保护快速性的要求，迫切需要配置专用中低压母线保护。
1开关柜电弧耐受时间
IEC298标准规定，开关柜可以承受的电弧燃烧时间为100ms。从保护开关柜方面考虑，保护动作应在小于100ms 的时间内切除故障，以防止弧光短路故障 进一步发展扩大造成更大的危害。表1为各种电弧燃烧时间下进行试验得出的结论。
表1各电弧燃烧时间下设备的损坏情况
2弧光短路故障的防护措施
2.1防护措施。
采用这种措施的目的是限制故障电弧产生的各种效应，如加强开关柜的结构，密封隔离各单元室、设置释放板和泄压通道等。采用这种措施在一定程度上能减少损坏程度；另一方面，如果要采用通过加强结构的方式来较大地提高开关柜的燃弧耐受时间的话，则需要增加很大的设备费用。表2为国外对增加开关柜内部燃弧耐受时间和相应增加成本进行评估的结果。
表2电弧耐受时间和增加成本的评估
2.2防护措施。
采用高速专用中压母线保护切除故障以限制故障电弧的持续时间，从根本上限制故障电弧，其各种效应对设备和人员的危害。如果中低压母线保护能在开关柜耐受燃弧时间以内切除故障的话，将地限制弧光故障对开关设备的损坏；从另一方面看，限制开关设备的损坏，即阻断了故障发展的可能性，从而可避免主变压器长时间遭受短路电流的冲击而损坏。这也是目前迫切需要的限制因弧光短路故障损坏开关设备及变压器的防护措施。
3现有的中压母线保护
目前普遍采用的中压母线保护方案包括：变压器后备过流保护方案、馈线过流保护闭锁变压器过流保护方案、采用环流原理的高阻抗母线保护方案。
3.1变压器后备过流保护方案。
这是目前国内应用广泛的中压母线保护方案。由于考虑到与馈线和母线分段开关的配合，保护跳闸时间一般整定为1.0~1.4s,有的甚至更长，达2.0s以上。这一动作速度远远不能满足快速切除中压母线故障的要求。
3.2馈线过流保护闭锁变压器过流保护方案。
近年来，微机过流保护在中压馈线广泛应用，国外提出利用馈线过流元件闭锁变压器过流保护的方案，该方案与变压器后备过流保护方案相比其动作速度有了一定的提高，典型动作时间为300~400ms。但对于要求100ms 以内切除故障仍不能满足要求。
3.3采用环流原理的高阻抗母线保护方案。
国外某些重要工程曾采用专用中压母线保护方案，保护动作时间一般为35~60ms。这种方案接线复杂、对TA的要求高，安装在6/35kV母线上有很多困难，也很不经济。此外，由于其保护范围受到TA 安装位置的限制，不能避免发生故障几率较高的电缆接头处的故障，并且也不能提供故障定位。因此也不适合中压母线保护应用。
从实际应用情况来看，现有的保护方案是显然不 能满足快速切除母线故障的要求。因此，迫切需要采用一种新型中低压母线保护系统，以解决目前运行中由于中低压母线发生故障几率较高、延迟切除故障导致故障发展、扩大，从而造成巨大经济损失的问题。
4新型电弧光保护系统构成
新型电弧光保护系统由以下几个部分构成：主控单元、电流单元、弧光单元、弧光传感器(探头)、数据线和光纤。系统的基本原理是：通过测量开关柜中的弧光，弧光传感器可以连接到主控单元或者弧光单元，电流单元则用于传输电流信号。在弧光传感器检测到弧光信号的同时，若电流单元检测到了过流信号，则被判为产生了电弧光故障。一旦检测到电弧光故障，保护系统会在1ms内发出跳闸指令，达到保护的目的。
4.1主控单元。
主控单元是电弧光保护系统的核心部件，作用是管理、控制整个系统。主控单元有4个数据传输接口，每个接口可连接6个弧光或电流单元；输出接口包括4路快速跳闸输出和6路常规继电器跳闸输出；20个弧光检测光纤接口，用于连接弧光传感器。通过主控单元中的现实，可以准确判断电弧光产生的位置。
一个主控单元能同时保护几个独立的开关柜，因此，电弧光保护系统的弧光单元和电流单元可以分散到不同的开关柜内，把检测到的弧光或电流信号传送到主控单元，主控单元收集到这些必要的数据，根据实际情况输出跳闸信号到断路器。
4.2弧光单元。
弧光单元用于检测弧光，具有10个弧光检测光纤接口，用于连接弧光传感器。弧光单元面板上的电位计用来调整感光的强度，校准好后，把信息传递到下一个电流或弧光单元，或者传到主控单元。通过弧光单元，保护系统始终能准确地识别超过整定的光感定值的弧光传感器所在地。
4.3电流单元。
传送至主控单元。电流单元可匹配1A 、2A 、5A的电流互感器，电流的整定可以从面板上的电位计来调节。电流单元检测到的电流数据通过光纤或数据线传送到主控单元，主控单元依据设定的逻辑判据决定是否输出跳闸信号。
4.4弧光传感器。
弧光传感器安装在开关柜内，是探测弧光的光感应元件。发生电弧光故障时，光的强度会大幅度增加，弧光传感器内的感光元件就会把光信号转换为电信号传给弧光单元或者主控单元。电弧光保护系统的感光 范围灵敏度可在弧光单元和主控单元进行调整。
封闭式母线系统中，在每个开关柜装设一个弧光传感器。在开放式母线系统中，弧光传感器的间隔约为5~6m。
4.5数据线和光纤。
在主控单元和弧光单元或电流单元间的数据传送是靠光纤和数据传输线来完成的。光纤传输触发信号至主控单元，工作电源，报警信号，自控数据信息流的传送则通过数据传输线来完成。
5新型电弧光保护系统构成
这种新型电弧光保护系统是一种原理简单、动作快速可靠、保护覆盖范围广、安装维护方便的装置，目前已有超过数百套该型电弧光保护系统在包括我国在内的近十个国家的400V~20kV 中低压开关柜中投运，用户遍及发电厂、变电站以及工业商业用户等领域。产品运行情况及用户反馈意见表明，该种电弧光保护系统稳定可靠，能可靠地显示故障位置、发出跳闸指令。
6安科瑞ARB6产品功能
6.1产品选型指标配置
6.2开孔尺寸
6.2.1 ARB6弧光保护装置安装位置和开孔尺寸。
ARB6弧光保护装置安装时需考虑开关柜安装空间，与保护范围内电源进线回路的TA回路连接、保护跳闸回路连接，原则上采用就近安装方式，避免TA采集回路、跳闸回路连线过长，一般安装于主变压器中、低压侧进线柜或 TV 柜柜门上，建议采用面板开孔安装。
ARB6弧光保护装置外形和开孔尺寸如下。（尺寸单位：mm）
6.2.2 ARB-S弧光探头固定方式和开孔尺寸
ARB-S弧光探头固定在卡扣支架上，卡扣支架需要开孔安装。卡扣支架的开孔尺寸为20mm（直径）。
6.3 探头安装位置
6.3.1母线室弧光探头安装
6.3.2手车室弧光探头安装
7结论
随着现代微机和光电子技术的发展，各种新型母线保护原理和装置不断出现，为实现中低压专用母线保护提供了各种解决方案。电弧光保护作为一种针对中压开关柜故障特性开发的母线保护系统，具有原理简单、动作可靠迅速、对变电站一次设备无特殊要求、适应于各种运行方式、且在各种运行方式下不需要保护切换等优点，为用户提供了一个理想的中低压母线 保护解决方案。
参考文献：
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[2]段绍辉.10kV高压开关柜事故情况综合分析.广东省电机工程学会，1997
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[4]潘贞存，等.中低压母线加装专用继电保护的必要性和几种方案的探讨，电网技术，2002(9)
[5]张博.电弧光保护系统在中低压母线保护中的应用
[6]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5（版）.
作者简介：
张继冬，男，安科瑞电气股份有限公司
