淺析電弧光保護在變電站中的應(yīng)用

李明君

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：電弧光保護在變電站運行過程中具有十分重要的意義，文章對電力系統(tǒng)中的中、低壓設(shè)備的運行問題進行分析，并且提出了電弧光保護方式，迅速切除變電站運行過程中的故障點，保障變電站的安全穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：電弧光保護；變電站；安全穩(wěn)定運行；燃弧耐受時間

0引言

在變電站運行過程中，安全性和穩(wěn)定性是重要因素，近年來在變電站的建設(shè)中，由于戶內(nèi)開關(guān)柜占地面積小，操作集中，方便運行和維護等特點，在變電站中大量配置中低壓開關(guān)柜運行過程中由于各種原因造成開關(guān)設(shè)備被嚴重燒毀的事故越來越多，對變電站事故的處理不當，會直接影響變電站運行的安全性與穩(wěn)定性，導(dǎo)致電網(wǎng)事故不斷擴大，不僅會帶來嚴重的經(jīng)濟損失，還可能造成人員傷亡事故。在變電站設(shè)計過程中，為了保證變壓器、母線、開關(guān)設(shè)備的安全運行，都遵照相關(guān)規(guī)范配置保護裝置，但目前國內(nèi)35kV及以下的母線一般不配置快速母線保護，而是由變壓器的后備過流保護來切除母線故障，由后備保護動作切除故障的時間至少為0.5s，這樣就加大了對設(shè)備的損傷程度。因此，在變電站中低壓開關(guān)柜中配置電弧光保護，一旦出現(xiàn)故障，可以及時將故障切除，防止故障進一步擴大。

1中低壓開關(guān)柜設(shè)備運行過程中的問題和運行要求

1.1開關(guān)柜設(shè)備運行過程中的問題

在變電站設(shè)計過程中，110kV及以上的母線會設(shè)置母，電壓等級在35kV及以下的母線系統(tǒng)中一般不配置快速母線保護，而是依賴上變壓器的后備過流保護來切除母線短路故障，這樣導(dǎo)致了故障切除時間的延長，加大了設(shè)備的損傷程度。

在設(shè)備的使用過程中母線上的操作比較頻繁，設(shè)備絕緣老化、機械磨損是必然現(xiàn)象，運行條件發(fā)生改變以及人為操作錯誤，會導(dǎo)致母線故障率升高，對變電站的運行存在安全隱患。

1.2開關(guān)柜安全運行要求

(1)開關(guān)柜內(nèi)部燃弧耐受時間。根據(jù)IEC298標準，開關(guān)柜內(nèi)部燃弧耐受時間為100ms，當前市面上銷售的開關(guān)柜是按照該標準要求設(shè)計的，開關(guān)柜使用過程中可以承受的電弧燃燒時間為100ms。由于電弧光故障一般都發(fā)生在斷路器動作前，故障短路電弧一直處于燃燒狀態(tài)，保護動作時間與斷路器分閘時間之和為電弧燃燒的持續(xù)時間。因此，從開關(guān)柜保護的角度來講，保護動作應(yīng)該要在100ms內(nèi)迅速做出響應(yīng)，對電弧短路故障進行切除，防止故障進一步擴大而造成更大的危害。

(2)開關(guān)柜弧光故障防護。除了加強開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)對母線配置快速保護，在開關(guān)柜耐受燃弧時間以內(nèi)切除故障，從根本上限制故障電弧，對開關(guān)設(shè)備的損壞和人員安全的危害。

2電弧光母線保護系統(tǒng)

電弧光保護是一種快速、可靠的母線保護系統(tǒng)，根據(jù)檢測弧光和過流雙判據(jù)原理，能夠迅速對變電站中出現(xiàn)的故障進行響應(yīng)，對于各種運行方式都適用，為變電站中低壓的母線保護提供了解決方案。電弧光保護系統(tǒng)主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：

2.1主單元

主單元是電弧保護系統(tǒng)中的主要部分，主要對短路電流以及來自電弧光傳感器的動作信息進行檢測，并且對收集到的故障信息進行處理、判斷，從而發(fā)出故障處理信號，對故障進行切除。電弧光保護系統(tǒng)要在同時檢測到弧光和過流時才會發(fā)出相應(yīng)地切斷閘指令，如果進線斷路器沒有及時動作對故障進行切除，則系統(tǒng)會啟動斷路器失靈保護邏輯，發(fā)出跳閘指令跳上級的斷路器進行故障切除。此外，電弧保護系統(tǒng)的主單元還會根據(jù)輔助單元傳遞的弧光傳感器的動作信息，對弧光故障點的位置進行確定，發(fā)出溫度報警信息。

2.2輔助單元

電弧保護系統(tǒng)的輔助單元一般都安裝在開關(guān)柜中，每一個輔助單元可以與10個弧光傳感器、1個溫度傳感器、1個便攜式弧光傳感器相連。當系統(tǒng)發(fā)生弧光故障的時候輔助單元可以對弧光傳感器中傳遞來的動作信息進行收集，并且將其傳遞給主單元，主單元再對故障進行分析和響應(yīng)。在主單元中可以顯示輔助單元和弧光傳感器的地址編號，有助于及時對故障進行解除。

2.3弧光傳感器

弧光傳感器是對故障進行感應(yīng)的主要部件，安裝在開關(guān)柜的各間隔室中，弧光傳感器是光感應(yīng)元件，如果出現(xiàn)弧光故障時，光強度大幅度增加，傳感器檢測光強，將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并且傳輸給輔助單元。

2.4電流單元

電流單元主要檢測系統(tǒng)中電流的變量，并且可以將其送到主控單元上，對這些數(shù)據(jù)進行分析和處理，然后將處理結(jié)果作為判斷系統(tǒng)電流情況的依據(jù)。

2.5電弧光保護系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用弧光檢測和過電流檢測的方式，實現(xiàn)對整個變電站運行設(shè)備的雙重檢測與判斷，如果同時檢測到弧光與電流增量信號，說明設(shè)備和系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，則需要快速啟動繼電器，發(fā)出跳閘的指令，當系統(tǒng)中只檢測到其中一個信號的時候，則只需要發(fā)出報警信號，通知技術(shù)人員系統(tǒng)出現(xiàn)故障即可。

安裝了電弧光保護裝置的設(shè)備和系統(tǒng)具有斷路器失靈保護功能，即當進線斷路器發(fā)生拒動的時候，會發(fā)出越級跳閘的信號，從而對上短路信號進行切斷，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

3電弧光保護在變電站中的應(yīng)用

本文以某變電站為例，對電弧光保護在變電站中的應(yīng)用進行分析與探討。

某變電站安裝應(yīng)用了ARB5型弧光保護系統(tǒng)，幾年來系統(tǒng)的運行十分穩(wěn)定可靠，在保護母線方面發(fā)揮了重要作用。本工程的接線方式為2條電源進線，單母分段，一共有14面開關(guān)柜和2個母線橋。弧光保護配置的方式主要是：一臺ARB5主控單元，16個光探頭、300米光纖。將主控單元安裝在10kV進線柜的面板上，光探頭安裝在14面柜以及兩個母線槽中。在對本工程進行安裝的時候，是在處于運行過程中的變電站上加裝弧光設(shè)備，所以由于停電的時間較短，為了保證能夠完成安裝調(diào)試工作，要提前做好準備。安裝的步驟主要為以下幾個方面：（1）根據(jù)變電站加裝弧光系統(tǒng)的實際情況，由弧光系統(tǒng)設(shè)備廠家的設(shè)計人員對電氣安裝圖紙進行設(shè)計，將圖紙?zhí)峁┙o變電站相關(guān)技術(shù)人員審核，結(jié)合變電站的實際情況進行改進，直到圖紙符合要求。（2）對安裝所需要的輔材以及輔件進行準備，變電站要根據(jù)設(shè)計人員提供的圖紙，提前在開關(guān)柜上開好裝置以及壓板安裝孔，為安裝做好準備。（3）當變電站確定停電時間之后，要提前通知廠家，由廠家安排技術(shù)人員到現(xiàn)場進行配合安裝。變電站停電時要考慮綜合因素，確定具體時間。（4）在停電的前一天需要將主控制裝置安裝完畢，停電之后，變電站技術(shù)人員要安排弧光設(shè)備常見的技術(shù)人員，打開開關(guān)柜的柜門，在安裝完畢之后及時關(guān)閉柜門。（5）電源的進線、母線以及總控單元之間的CT線可以由變電站技術(shù)人員輔助敷設(shè)完成，弧光保護出口所跳開關(guān)也應(yīng)該由變電站敷設(shè)。（6）具體的安裝和調(diào)試過程應(yīng)該由廠家技術(shù)人員完成。（7）所有的裝置調(diào)試完畢之后，由廠家的技術(shù)人員對變電站的技術(shù)人員進行培訓(xùn)。培訓(xùn)之后要進行測試，測試驗收合格之后即完成整個項目。

在本項目中，電弧光保護系統(tǒng)要針對實際系統(tǒng)的實際情況，在技術(shù)方面，電弧光保護裝置應(yīng)該能夠提供“故障報警信號”、“故障動作信號”到計算機監(jiān)控系統(tǒng)，有助于計算機監(jiān)控系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)變電站設(shè)備運行過程中的故障與問題，提高解決效率，減少對電力傳輸?shù)挠绊憽Ｍ瑫r，電弧光保護的出口跳閘繼電器應(yīng)該要滿足啟動功率不小于5W、動作電壓介于55-70之間、動作時間不小于10ms的要求。

對弧光保護系統(tǒng)進行安裝的時候，應(yīng)該要遵循一定的技術(shù)規(guī)范：（1）KGN柜的安裝。在安裝KGN柜的時候應(yīng)該要按照保護母線隔室、母線側(cè)隔離刀閘室的原則，在柜子上側(cè)中部進行安裝，不僅可以確保有足夠的絕緣距離，還能有足夠的角度檢測到柜內(nèi)的弧光是否滿足要求。對于本項目中35kV的開關(guān)柜來講，應(yīng)該在母線隔室、母線側(cè)隔離刀閘室中各自安裝一個弧光傳感器，如果是10kV，如果母線與母線側(cè)隔離刀閘同時在一室，則只需要安裝一個弧光傳感器，如果母線和母線側(cè)隔離刀閘不在同一室，則需要分別安裝弧光傳感器。（2）KYN柜安裝。安裝KYNN柜的時候只能在母線隔室安裝，在上側(cè)中部安裝不僅可以保證足夠的絕緣距離，還能保證及時檢測到柜子內(nèi)的弧光。（3）為了避免電弧光保護的無選擇性跳閘情況出現(xiàn)，應(yīng)該要進一步簡化二次回路，變電站中的35kV和10kV母線要采用分列運行的方式。（4）新建的變電站在投產(chǎn)之前應(yīng)該要裝設(shè)相應(yīng)的電弧光保護裝置，運行變電站可以結(jié)合開關(guān)柜的大修情況，假裝電弧光保護裝置。

4安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品選型說明

ARB5-弧光主控單元

（1）＊表示可選附件，需要另外增加費用1500元。

（2）主控板和采集板數(shù)量之和不能大于4。

（3）弧光探頭到采集板的長度不能超過20米。

（4）如有特殊要求，請?zhí)貏e注明。

5安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品功能和技術(shù)參數(shù)

6安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品現(xiàn)場安裝

弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下。

7結(jié)束語

綜上所述，采用電弧光保護系統(tǒng)對變電站進行保護，其動作時間為5-7ms，可以迅速實現(xiàn)對故障的響應(yīng)和處理，使變電設(shè)備的損失減到小，大大提高了變電站運行的安全性和運行效率。

參考文獻：

1. 唐成靜.電弧光保護在變電站中的應(yīng)用．

[2] 吳海莉，胡發(fā)明.應(yīng)用于110kV變電站的電弧光保護系統(tǒng)[J].上海電力學(xué)院學(xué)報，2012（12）.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.5（版）.

作者簡介：

李明君，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究中低壓綜合保護及絕緣監(jiān)測系統(tǒng)，