電弧光保護系統在35KV及以下開關柜保護中的應用分析

安科瑞 劉邁

　　摘要：指出了電弧光產生的因素及危害，以光電式電弧光保護為例介紹電弧光保護系統的組成及特點，結合實際工程應用分析了電弧光保護的動作邏輯及故障時保護的動作過程，提出了作為一種新型保護裝置，電弧光保護原理簡單、動作可靠且速度較快，可以很好地應用于35kV及以下開關柜保護中。

　　關鍵詞：電弧光；保護

　　0引言

　　隨著我國電力系統的發展，6～35kV開關柜的應用數量越來越多，由開關柜弧光短路故障引發低壓母線故障日益增多，弧光短路嚴重燒毀開關設備的事故時有發生，主變壓器由于遭受外部短路電流沖擊損壞的事故也逐年增加，這些事故若處理不當甚至會擴大發展為輸電網事故，造成重大經濟損失。開關柜IEC298標準規定內部燃弧耐受時間是100Ills，即開關柜可承受的電弧燃燒時間為100ms。發生弧光故障，在斷路器動作跳閘切斷故障前，短路電弧一直在燃燒，電弧燃燒的持續時間為保護動作時間加斷路器跳閘時間之和。從開關柜方面考慮，要求保護動作時問應小于100ms切除故障，以防止弧光短路故障進一步發展擴大造成更大的損害。對于變壓器規定110kV及以上電壓等級的變壓器熱穩定允許時間為2．0S，動穩定時間為0．25S。實際由于靈敏度等原因，變電站低壓側出口短路依靠主變壓器后備過流保護切除故障的動作時間往往在2S以上，離0．25S的變壓器動穩定時間相差甚遠，由此造成主變壓器的損壞，同時危及母線、開關等設備。因此，為保證主變壓器及母線、開關等設備的安全運行，有必要在變電站低壓開關柜裝設快速、可靠的保護裝置。

　　1電弧光產生的原因及特點

　　當兩電*問電壓升高時，在電**近處空氣中的正負離子被電場加速，在移動的過程中與其他空氣分子碰撞產生新的離子，這種離子大量增加的現象稱為“電離"。空氣被電離的同時，溫度隨之急劇上升產生電弧，這種放電稱為電弧光放電。電弧光放電一般不需要很高的電壓，屬于低電壓大電流放電。它產生的條件是小間隙和大電流，如果增加間隙或減小電流，電弧將會消失。產品因絕緣損壞、元件老化、過電壓、污染、腐蝕、柜體結構不合理、維護不到位、人為失誤等因素均可導致故障電弧光的產生。故障電弧發展迅速、破壞力大、*易傳播，電弧溫度超過10000℃，弧光的光強度可超過正常的照明光強2000倍。當發生電弧光短路故障時有兩個顯著特征：電流，光強。

　　2電弧光保護介紹

　　電弧光保護是根據35kV及以下開關柜故障時的特征而開發的保護裝置，它采用檢測弧光和過流雙判據原理，具有原理簡單、動作可靠迅速、對變電站一次設備無特殊要求、適應各種運行方式、且在各種運行方式下保護不需要切換等優點，是變電站低壓開關柜很好的保護配置。本文主要以電弧光保護系統為例來介紹，該電弧光保護系統使用光纖檢測電弧光信號，配合過流判據，其快速繼電器(采用可控硅開關)出口時間小于1ms，而常規繼電器出口時間小于8ms，如果加上斷路器35～6Oms的跳閘時間，即能夠有效保護主變壓器及母線、開關等設備。

　　2．1電弧光保護系統主要特點

　　a)采用弧光檢測及過流檢測雙判據原理，動作可靠。

　　b)弧光檢測采用無源弧光探頭，光纖傳輸長達100m，抗電磁干擾能力強。

　　c)采用光纖傳輸跳閘指令，可控硅開關出口，動作時間小于1ms。

　　d)顯示故障位置，便于故障處理，提高恢復供電速度。

　　2．2系統組成

　　主要由主控單元、弧光單元、電流單元組成，單元之間用光纜線和數據傳輸線連接。電弧光保護系統采用微處理器控制系統功能，通過編程可匹配不同的運行方式。

　　2．3各單元功能

　　2．3．1主控單元

　　管理控制整個系統，主控單元通過檢測過電流和弧光動作信號，對收集的數據進行處理、判斷，發出跳閘信號以切除故障。系統只有同時檢測到弧光和過流時才發出跳閘命令。僅有弧光動作信號或者過電流信號，系統不會輸出跳閘命令，但是在主控單元上會顯示報警信號。

　　主控單元具備可編程邏輯功能，可直接操作4個斷路器。通過快速繼電器能夠同時操作更多的斷路器。主控單元有4個數據傳輸接口，每個接口可聯結6個弧光或電流單元，共可接24個弧光或電流單元。所有接口都能用不同的參數編程。通過主控單元中的顯示，可以準確判斷電弧光和過流的位置。

　　2．3．2弧光單元

　　通過安裝在開關柜內的弧光傳感器(弧光探頭)，把弧光信號轉換為電信號輸出至主控單元，作為保護動作的一個判據。

　　2．3．3電流單元

　　通過對進線電流的檢測，把過電流信號輸出至主控單元，作為保護動作的一個判據。

　　3實際應用分析

　　3．1某變電站35kV系統電弧光保護配置如圖1所示。

　　35kVI段、Ⅱ段各配置一套電弧光保護裝置BH1和BH2，兩套保護之間采用光纖通訊聯系。

圖1電弧光保護配置圖

　　兩套保護裝置分別安裝于1號及2號主變35kV開關柜內，電弧光傳感器安裝在各開關柜母線室內，以確保母線室內發生任何弧光故障時都能感受弧光，發出動作信號。

　　3．2電弧光保護動作邏輯分析

　　圖2為一臺電弧光保護裝置邏輯圖，對側另一臺弧光保護裝置邏輯圖與此相同。

圖2電弧光保護裝置邏輯圖

　　動作分析如下。本側弧光信號動作，H1動作，同時本側過流起動，Y2動作，通過快速接點(可控硅開關)跳進線開關。對側弧光信號動作輸入本裝置，同時本側過流起動，Y1動作，通過快速接點(可控硅開關)跳分段開關。本側弧光信號動作、對側弧光信號動作、本側

　　過流起動任一條件滿足，H2動作，裝置發弧光或過流報警信號。本側弧光信號動作，H1動作，經SC1把該信號通過光纖傳至對側弧光保護裝囂，作為對側弧光保護動作的一個判據。

　　3．3不同運行方式下保護動作分析

　　如圖3所示。

圖3電弧光保護裝置動作示意圖

　　3．3．1運行方式一

　　1DI3DI合位，2DI分位，由1號變帶I、Ⅱ段母線。如故障發生在K2處，l號保護裝置BH1收到2號保護裝置BH2發來的Ⅱ段弧光動作信號，同時本側過流起動，保護跳3DI切除故障。BH2由于本側電流不起動，保護不動作。動作結果是切除Ⅱ段母線，l段正常供電。如故障發生在K1處，l號保護裝置BH1收到本側發的I段弧光動作信號，同時本側過流起動，保護跳1DI切除故障。BH2由于本側電流不起動，保護不動作。動作結果是切除I、JI段母線。

　　3．3.2運行方式二

　　2DI、3DI合位，11)L分位，由2號變帶I、Ⅱ段母線。如果故障發生在K1處，2號保護裝置BH2收到1號保護裝置BH1發來的I段弧光動作信號，同時本側過流起動，保護跳3DL切除故障。BHJ由于本側電流不起動，保護不動作。動作結果是切除I段母線，Ⅱ段正常供電。如果故障發生在K2處，2號保護裝置BH2收到本側發的Ⅱ段弧光動作信號，同時本側過流起動，保護跳2DI切除故障。BH1由于本側電流不起動，保護不動作。動作結果是切除l、Ⅱ段母線。

　　3．3．3運行方式三

　　1DI2DI3DI合位，由1號、2號變同時帶I、Ⅱ段母線。如果故障發生在K1處，2號保護裝置BH2收到】_號保護裝置BH1發來的I段弧光動作信號，同時本側過流起動，保護動作跳3DI；1號保護裝置BH1收到本側發的l段弧光動作信號，同時本側過流起動，保護動作跳1DI。動作結果是切除l段母線，Ⅱ段正常供電。如果故障發生在K2處，1號保護裝置BH1收到2號保護裝置BH2發來的Ⅱ段弧光動作信號，同時本側過流起動，保護動作跳3DI；2號保護裝置BH2收到本側發的I1段弧光動作信號，同時本側過流起動，保護動作跳2DI。動作結果是切除Ⅱ段母線，I段正常供電。可見，在各種運行方式下，電弧光保護裝置具有很好的選擇性，可以快速地切除故障點，同時保證正常母線供電。

　　4電弧光保護的整定及應用注意事項

　　4．1整定本保護裝置有兩個定值，即過電流定值、光強度定值。

　　過電流定值通過裝扳上的電位器整定，整定范圍是(50～500)×J，，為電流互感器二次額定電流值，裝置的額定電流可以設置為5A或1A。低壓側母線發生故障時短路電流可達到幾千乃至上萬安培電流，出廠定值為250×。光強度定值通過裝置面板上的電位器整定，整定范圍是1O～50klux(1ux勒克司，照度單位，為距離一個光強1cd的光源，在1m處接受的照明強度)。當開關柜發生弧光短路時，光強度可達到100klux，出r一定值為30klUX。當對保護裝置進行試驗時，可將定值調為10klux，此時用手電筒近距離照射弧光傳感器探頭，可發出弧光動作信號，試驗完畢應將定值調回。

　　4．2應用注意事項

　　光強度定值整定30klux時，一般的環境光線甚至強光手電筒照射也難以啟動弧光傳感器，不必擔心弧光傳感器誤動作。發生開關柜區外出口附近短路時，短路電流很大，有可能過流起動，但是沒有弧光動作信號，保護裝置只是發出過流起動信號而不跳閘出口，運行值班人員可以根據裝置面板上信號燈進行分析判斷。同時本側過流起動，保護動作跳3DI；1號保護裝置BH1收到本側發的l段弧光動作信號，同時本側過流起動，保護動作跳1DI。動作結果是切除l段母線，Ⅱ段正常供電。如果故障發生在K2處，1號保護裝置BH1收到2號保護裝置BH2發來的Ⅱ段弧光動作信號，同時本側過流起動，保護動作跳3DI；2號保護裝置BH2收到本側發的I1段弧光動作信號，同時本側過流起動，保護動作跳2DI。動作結果是切除Ⅱ段母線，I段正常供電。可見，在各種運行方式下，電弧光保護裝置具有很好的選擇性，可以快速地切除故障點，同時保證正常母線供電。

　　5電弧光保護的整定及應用注意事項

　　5．1整定本保護裝置有兩個定值，即過電流定值、光強度定值。

　　過電流定值通過裝扳上的電位器整定，整定范圍是(50～500)×，，為電流互感器二次額定電流值，裝置的額定電流可以設置為5A或1A。低壓側母線發生故障時短路電流可達到幾千乃至上萬安培電流，出廠定值為250×。光強度定值通過裝置面板上的電位器整定，整定范圍是1O～50klux(1ux勒克司，照度單位，為距離一個光強1cd的光源，在1m處接受的照明強度)。當開關柜發生弧光短路時，光強度可達到100klux，出r一定值為30klux。當對保護裝置進行試驗時，可將定值調為10klux，此時用手電筒近距離照射弧光傳感器探頭，可發出弧光動作信號，試驗完畢應將定值調回。

　　5．2應用注意事項

　　光強度定值整定30klux時，一般的環境光線甚至強光手電筒照射也難以啟動弧光傳感器，不必擔心弧光傳感器誤動作。發生開關柜區外出口附近短路時，短路電流很大，有可能過流起動，但是沒有弧光動作信號，保護裝置只是發出過流起動信號而不跳閘出口，運行值班人員可以根據裝置面板上信號燈進行分析判斷。

　　6安科瑞ARB6產品功能

　　6.1產品選型指標配置

　　6.2開孔尺寸

　　6.2.1ARB6弧光保護裝置安裝位置和開孔尺寸。

　　ARB6弧光保護裝置安裝時需考慮開關柜安裝空間，與保護范圍內電源進線回路的TA回路連接、保護跳閘回路連接，原則上采用就近安裝方式，避免TA采集回路、跳閘回路連線過長，一般安裝于主變壓器中、低壓側進線柜或TV柜柜門上，建議采用面板開孔安裝。

　　ARB6弧光保護裝置外形和開孔尺寸如下。（尺寸單位：mm）

左視圖正視圖開孔圖

　　6.2.2ARB-S弧光探頭固定方式和開孔尺寸

　　ARB-S弧光探頭固定在卡扣支架上，卡扣支架需要開孔安裝。卡扣支架的開孔尺寸為20mm（直徑）。

6.3探頭安裝位置

　　6.3.1母線室弧光探頭安裝

6.3.2手車室弧光探頭安裝

6.3.3電纜室弧光探頭安裝

7結束語

　　隨著微機和光電技術的發展，各種新型原理的保護裝置不斷出現，電弧光保護作為一種針對低壓開關柜故障特性開發的保護裝置，原理簡單，動作進行規范完善，并注重工作人員的技術培訓工作。在對行架結構比較復雜的線路進行測溫時，要充分應用技術分析，選擇適當的測溫角度和測溫點，以減小測量誤差。同時要加強操作人員對設備的熟悉掌握程度，使工作人員能夠準確讀取紅外測溫儀上的讀數，確保測溫結果的正確性。

　　參考文獻：

　　[1]高衛東．電弧光保護系統及應用分析．

　　[2]劉萬順．電力系統故 障分析 EM]．北京 ：中國電力出版社，1998： 2060．

　　[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5（版）.