中低压母线弧光保护系统

国网河南省电力公司许昌供电公司 胥俊岩



中低压母线弧光保护系统

国网河南省电力公司许昌供电公司 胥俊岩

【摘要】中低压母线短路故障仅依靠上一级保护装置的后备保护，无法在电弧燃烧危害扩大前切断故障，造成严重损失。弧光保护系统通过弧光检测和过电流检测双判据原理，从弧光故障到出口报警跳闸时间小于4ms，为开关柜、母线和各种变流设备提供全面、快速的保护。

【关键词】弧光保护；中低压母线；快速保护；弧光传感器

0　引言

随着电网容量的不断扩大，中低压配电系统的规模也随之变大，中压母线短路容量愈来愈高，而中低压系统多使用封闭式的中置柜以电缆引出，操作频繁，运行电流大，故障过电压高，设备制造质量和安全距离比高压设备差，容易发生绝缘事故。近几年常有开关柜或母线因绝缘损坏、操作失误、设备老化等原因产生弧光而被烧毁的事故发生，甚至造成重大的经济损失和人员伤害。

继电保护领域微机保护技术的飞跃发展，使得110kV及以上电压等级的供电系统已有比较成熟的保护措施，对于中低压(35kV及以下电压等级)配电系统，因母线不存在稳定问题，一般不装设差动保护，在目前的保护方案中，中低压母线母线故障均靠上一级保护装置的后备保护来切除。而弧光短路作为中、低压开关柜内部最严重的故障之一，由于电弧电阻的原因，短路电流往往达不到过流、速断整定值而不能快速动作切断故障，导致电弧持续燃烧释放出巨大的能量，造成严重的损失。因此，一种中压母线的快速保护方案非常必要。

为解决这个问题，国内外一些专家学者根据弧光短路时产生的大电流和高强度弧光两个特性，提出了电弧光保护。南京弘毅电气自动化有限公司研制的DPR360ARC系列弧光保护系统，采用弧光检测和过电流检测双判据原理，综合弧光保护和高速通信网络技术，吸收弧光保护、失灵保护、电流保护的特点，从光纤弧光传感器检测到故障电弧光，到出口报警跳闸的时间小于4ms，远远快于传统的继电保护装置[1,2]。

1　电弧产生的原因及危害

1.1电弧产生的原因

电弧光产生的原因主要有以下几方面：

(1)误入带电间隔，隔离开关误操作，母线接线错误，设备正常检修后，遗漏工器具在开关设备内等人为原因；

(2)中低压开关柜无母线保护，出线多，操作频繁，绝缘材料爬距不足，达不到加强绝缘要求，设备故障，绝缘老化，机械磨损；

(3)小动物(尤其是老鼠)、灰尘、温度、湿度及腐蚀等环境因素；

(4)系统容量增大，接地方式改变，雷电袭击，装置配置不当引起谐振过电压。

1.2电弧产生的危害

电弧的产生通常伴随着巨大的光能和热能释放，造成开关设备中压力和温度迅速增加，如不及时切除、将造成重大危害。

电弧中心温度约为20000℃，高温导致电缆熔毁，电缆护套着火，铜排、铝排等器件迅速气化；空气过热膨胀，产生巨大压力，其压力波使设备变形、破碎、爆炸，若冲击波波及站内直流系统将造成全站直流失电；爆破带来开关设备的剧烈振动，使固定元件松脱；开关柜内电弧持续燃烧，产生大量高温金属气体会造成两相短路和三相短路；没有灭弧保护的情况下，往往熔毁开关柜或一整套机组，使其无法修复，损失巨大。

弧光短路释放巨大的能量还会对附近的工作人员造成严重的伤害。高温会灼伤皮肤；强光刺伤眼睛造成暂时性失明；感应电流会侵害肌肉、神经；高温使金属熔化、蒸发并渗透到人体皮肤表层；燃烧产生的有毒气体会伤害呼吸系统；爆破音会震伤耳膜、内脏等；爆破碎片飞射造成人员伤亡。

电弧光故障的危害程度取决于电弧光电流的大小及切除时间长短，电弧光产生的能量I2t与切除时间T成指数规律快速上升(如图1)。

从图1可以看出，要保证设备不受结构性损伤，必须尽量缩短切除时间，当切除时间控制在100ms以内时，可以防止危害继续扩大，减少损失。

1.3中低压母线保护现状

(1)变压器后备过电流保护，典型保护动作时间为1.2s-2.0s，时间过长；

(2)馈线电流保护闭锁式母线保护，典型保护动作时间为300ms-500ms，但需更换原有馈线保护，并且仍不能在设备受到严重损害前切除故障；

(3)母线差动保护，典型保护动作时间为15ms，但保护范围受CT安装位置的限制，接线复杂，成本高施工困难；

(4)传统弧光保护，典型保护动作时间为8-15ms，但只检测母线室的弧光信号，回避了最常发生故障的开关柜开关室和电缆室，不能形成对开关柜的全覆盖保护[3,4]。

2　弧光保护系统

2.1弧光保护系统组成

DPR360ARC弧光保护系统是一个模块化系统，包括主控单元、电流单元、弧光单元和弧光传感器，系统组成示意图如图2：

图1　电弧燃烧能量与时间关系曲线

图2　弧光保护系统组成示意图

(1)主控单元：系统核心部件，负责输入量的采集、计算及逻辑判断，实现系统的各项保护逻辑、与站内监控系统通信、自检及其他辅助功能。主控单元包含电流检测和断路器失灵保护，对短路电流和弧光传感器动作信息进行处理、判断，当同时检测到弧光和过流时，发出跳闸指令切断故障点。如果进线断路器未能动作切除故障，断路器失灵保护逻辑启动，发出跳闸指令给上级断路器切除故障。主控单元还根据辅助单元传送的弧光传感器动作信息和温度传感器测量的温度，提供弧光故障点的定位信息。

(2)电流单元：用于检测三相电流信号，安装在进线电源开关柜中，可就地采集3路电流信息，配置2路快速继电器、3路常规继电器用于系统就地跳闸或就近跳闸。通过光缆与主控单元高速通信，将就地采集的进线电源电流信息实时传送至主控单元，主控单元依据设定的逻辑判断是否发出跳闸命令。每个主控单元最多可以连接6个电流单元，提高了系统的扩展性和适用性。

(3)弧光单元：安装在需要保护的位置附近，收集弧光探头的动作信息并传送给主控单元，在主控单元上显示弧光单元和弧光探头的地址编号，有利于及时检修和排除故障。主控单元自带16个弧光专用检测口，不够用时可使用弧光单元，每个主控可连接2个弧光扩展器，每个弧光扩展器可接入8个弧光单元，每个弧光单元可接入16个弧光传感器。

(4)弧光传感器：光感应元件，在发生弧光故障时检测突然增加的光强，并通过专用光纤将光信号传送给弧光单元或主控单元。

系统配置模块化，可组成只有一个主控单元的简单系统，或包含多个单元能用于选择性电弧光保护的复杂系统，满足了不同场合的弧光保护需求[3,4]。

2.2系统工作原理

(1)主控单元保护逻辑。母线配置的弧光探头直接接入主控单元，主控单元收到弧光继电器已动作信号后，若弧光继电器所属区域电源点相电流判据满足或零序电压判据满足并且母线弧光传感器动作，则主控单元根据整定的逻辑跳主变低压侧开关、分段开关，只检测到弧光信号时发报警信号。

(2)弧光继电器保护逻辑。电缆室、开关室弧光传感器直接接至弧光继电器，当弧光继电器检测到本装置检测的弧光传感器动作，且满足电流判据时，快速动作出口跳本断路器，并发送该弧光继电器动作信号至主控单元，作为主控单元逻辑判断的辅助判据，若只有弧光传感器动作，则发告警信号。

3　典型配置

对于2条电源进线、2台主变、两段母线、单母线分段结构的系统。主控单元采集2台主变低压侧电流，母联开关电流共3组电流；每个馈出开关的电缆室、开关室各装1个弧光传感器，接至本馈出开关的弧光继电器，弧光继电器通过弧光继电器扩展器接至主控单元，弧光继电器根据馈出开关所属母线，在主控单元中分别配置关联至至1#、2#主变低压侧电流，母联开关电流关联所有弧光继电器。

弧光继电器动作出口时跳本开关，若开关跳开后弧光继电器关联的电流模块故障电流仍然存在，则启动主控单元的失灵保护逻辑，跳开弧光继电器关联的电流模块的开关。跳闸时可以选择使用主控单元中6组出口继电器，也可选择各个开关处的电流单元上的出口继电器就近跳开关。

由于弧光传感器关联至与传感器安装位置设备直接关联的电流采集模块，所以无论在系统分列运行、系统由单主变供电或者系统合环运行，均能够保证发生故障时主控单元有选择性的切除主变低压侧开关和母联开关，提高系统运行的可靠性[5]。

4　总结

弧光保护作为中低压母线及开关柜开关室、电缆室的主保护，可以全面保护母线及开关，做到整个系统无保护死区，同时采用了保护选择性技术，实现馈线中置柜的电缆室、开关室、母线室等不同位置发生弧光故障时的选择性跳闸，避免停电范围的扩大化，缩小停电范围，避免不必要的设备损毁和人身安全事故。

弧光保护在电力行业应用广泛，比如：开关柜内中低压母线保护、馈线开关柜弧光保护、箱式变电站弧光保护等方面，并可以在楼宇、飞机、轮船、制造业等领域推广。

参考文献

[1]张喜玲,杨慧霞,蒋冠前.弧光保护关键技术研究[J].电力系统保护与控制,2013.7, 41(14):130-135.

[2]张大勇.电弧光保护的应用及其整定[J].贵州电力技术,2015.11,18(11): 44-46.

[3]李从飞,陈凡,鲁雅斌,田伟. DPR360ARC弧光保护系统设计[J].电力系统保护与控制,2010,38 (12):125-128.

[4]吴英俊,陈琳灿,章广清,陈成优,范宏.应用于中低压母线侧的弧光保护系统[J].上海电力学院学报,2013.2,29(1):25-29.

[5]丁北平,陈东海,严浩军,王 磊,姜子庠.变电所中置柜短路故障分析及解决方案研究[J].电气技术,2013(10):57-60.

胥俊岩（1975—），男，河南许昌人，大学本科，高级工程师，国网河南省电力公司许昌供电公司，主要研究方向：电力系统自动化，继电保护。

作者简介：