新型配電弧光保護(hù)裝置的研究和應(yīng)用

摘要：根據(jù)繼電保護(hù)快速性的要求，提出了通過光纖探頭采集配網(wǎng)開關(guān)柜故障時(shí)產(chǎn)生的弧光放電，再通過保護(hù)單元來實(shí)現(xiàn)快速的切除開關(guān)柜內(nèi)部故障這一切入點(diǎn)，研究快速切除開關(guān)柜柜內(nèi)短路故障的新型配電弧光保護(hù)裝置，可以保護(hù)配網(wǎng)運(yùn)維人員人身和開關(guān)柜及柜內(nèi)設(shè)備的安全，當(dāng)現(xiàn)場柜體中因短路故障產(chǎn)生弧光時(shí)，能夠做到快速判斷、切斷電源，減少停電范圍，提高供電效率，降低現(xiàn)場調(diào)試及維護(hù)工作量，縮短設(shè)備檢修及恢復(fù)供電時(shí)間，提高供電可靠性。

.       導(dǎo)言

長期以來，人們對(duì)中低壓母線的保護(hù)一直不夠重視，沒有專用保護(hù)來快速切除配電站所內(nèi)部發(fā)生的故障，往往使故障發(fā)展擴(kuò)大造成開關(guān)設(shè)備被嚴(yán)重?zé)龤В械纳踔涟l(fā)展成“火燒連營"的事故。同時(shí)，變電站的變壓器由于遭受外部短路電流沖擊造成內(nèi)部損傷的事故也逐年增加，這些配網(wǎng)事故如果處理不當(dāng)易被擴(kuò)大發(fā)展為輸電網(wǎng)或變電設(shè)備事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。究其原因大多是因?yàn)榕潆娬舅鶝]有裝設(shè)專用的中低壓母線保護(hù)，不能快速切除故障造成的。所以，為了保證上級(jí)變電站主變及配網(wǎng)開關(guān)柜母線開關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行，根據(jù)繼電保護(hù)快速性的要求，迫切需要研發(fā)快速切除配電開關(guān)柜柜內(nèi)故障的快速保護(hù)技術(shù)。

.       研究內(nèi)容

2.1總體思路

為有效減少電弧損傷，國外對(duì)各種燃弧持續(xù)時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)并得出對(duì)設(shè)備造成的損害程度，開關(guān)柜可以承受的電弧燃燒時(shí)間為100ms，電弧光產(chǎn)生后，其危害程度取決于電弧電流及切除時(shí)間，電弧產(chǎn)生的能量與I2t成指數(shù)規(guī)律快速上升。由于弧光故障在斷路器動(dòng)作前，故障短路電弧是一直在燃燒的，只有在短時(shí)間內(nèi)切除故障才能使設(shè)備不遭受損害。若總切除時(shí)間大于100ms，輕則設(shè)備局部燒損，重則造成開關(guān)柜爆炸以及人員傷亡。

目前，國內(nèi)尚無用于配電開關(guān)柜母線的專用保護(hù)裝置，而用于變電站中、低壓母線的保護(hù)主要有三種，一種為變壓器后備過流保護(hù)，典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間1.2s～2.0s；一種為采用饋線過流保護(hù)閉鎖變壓器過流保護(hù)，典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為300ms～500ms；另一種為采用環(huán)流原理的高阻抗母線差動(dòng)保護(hù)，典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為30ms～50ms，考慮到斷路器的分閘時(shí)間，切除故障時(shí)間大于100ms。均不滿足小于100ms的工作要求。

從實(shí)際應(yīng)用情況來看，現(xiàn)有的保護(hù)方案是顯然不能滿足快速切除母線故障或保護(hù)覆蓋范圍要求的，變壓器后備過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間過長，不能起到有效的保護(hù)作用，高阻抗母線差動(dòng)保護(hù)范圍受CT安裝位置的限制，接線復(fù)雜，CT要求高，不能保護(hù)到發(fā)生故障幾率較高的電纜室電纜接頭處的故障，且總體造價(jià)昂貴。迫切需要采用一種新型中壓母線保護(hù)系統(tǒng)，以解決目前實(shí)際運(yùn)行中由于中低壓母線發(fā)生故障幾率較高、延遲切除故障導(dǎo)致故障發(fā)展、擴(kuò)大，從而造成的巨大的經(jīng)濟(jì)損失的問題。

配電弧光保護(hù)裝置圓滿的解決了這一問題，該裝置根據(jù)檢測到的電弧光信號(hào)，在短時(shí)間內(nèi)（<7ms保護(hù)動(dòng)作出口）即可切除母線（及饋線）故障，可有效防止35kV和10kV母線和斷路器故障引起主變壓器損壞事故的發(fā)生，保障設(shè)備及人員安全，降低損失，現(xiàn)已應(yīng)用于電力相關(guān)行業(yè)。

2.2裝置構(gòu)成

配電弧光保護(hù)裝置是一種快速可靠的專用中低壓母線保護(hù)裝置，它采用檢測弧光和過流雙判據(jù)原理，具有原理簡單、動(dòng)作可靠迅速、對(duì)變電站一次設(shè)備無特殊要求、適應(yīng)于各種運(yùn)行方式、且在各種運(yùn)行方式下保護(hù)不需要切換等優(yōu)點(diǎn)，為目前發(fā)電廠、變電站、工業(yè)及商業(yè)配電系統(tǒng)380V～35kV中低壓母線保護(hù)理想的解決方案。配電弧光保護(hù)裝置是在長期電氣自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的基礎(chǔ)上，吸收先進(jìn)技術(shù)理念研制的新一代智能型弧光保護(hù)產(chǎn)品。主要包括弧光保護(hù)主單元、弧光采集單元、饋線保護(hù)和弧光傳感器等四個(gè)單元，分別介紹如下：2.2.1弧光保護(hù)主單元

主單元包含有電流檢測和斷路器失靈保護(hù)，它通過檢測短路電流和來自弧光傳感器的動(dòng)作信息，并對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷，發(fā)出跳閘信號(hào)以切除故障。該裝置只要在同時(shí)檢測到弧光和過流時(shí)才發(fā)出跳閘指令。在進(jìn)線斷路器未能動(dòng)作切除故障時(shí)，它將啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)邏輯，發(fā)出跳閘指令給上游斷路器切除故障。此外，主單元根據(jù)采集單元傳送來的弧光傳感器的動(dòng)作信息，提供弧光故障點(diǎn)的定位及報(bào)警信息。主單元接入若干弧光采集單元，并且可以支持RS485、以太網(wǎng)等多種接口方式，支持Profibus、ModBus、CAN、IEC103、IEC104等多種通訊規(guī)約。

2.2.2弧光采集單元

每個(gè)采集單元可接入8個(gè)弧光傳感器。采集單元的地址通過面板進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生弧光故障時(shí)，采集單元收集來自弧光傳感器的動(dòng)作信息并傳送給主單元，在主單元上顯示采集單元和弧光傳感器的地址編號(hào)，有利于及時(shí)檢修和排除故障。

2.2.3饋線采集單元

該單元作為饋線型弧光保護(hù)的單元獨(dú)立使用，每個(gè)單元可提供3個(gè)弧光采集輸入，采用探頭方式采集弧光，當(dāng)饋線柜中發(fā)生弧光時(shí)跳開該饋線柜中的斷路器。

2.2.4弧光傳感器

弧光傳感器安裝在開關(guān)柜各間隔室中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)由簡單到各種復(fù)雜接線中、低壓開關(guān)柜提供有選擇性的保護(hù)。弧光傳感器作為光感應(yīng)元件，將檢測在發(fā)生弧光故障時(shí)突然增加的光強(qiáng)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)傳送給采集單元。

2.3裝置功能

配電弧光保護(hù)裝置是一種快速可靠的專用中低壓母線保護(hù)裝置，它采用檢測弧光和過流雙判據(jù)原理，具有原理簡單、動(dòng)作可靠迅速、對(duì)配電站一次設(shè)備無特殊要求、適應(yīng)于各種運(yùn)行方式、且在各種運(yùn)行方式下保護(hù)不需要切換等優(yōu)點(diǎn)，為目前電力系統(tǒng)380V～35kV中低壓母線保護(hù)提供了理想的解決方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)配網(wǎng)開關(guān)設(shè)備的弧光故障的監(jiān)測與保護(hù)，保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；有效的增強(qiáng)了對(duì)變壓器、配電開關(guān)柜等設(shè)備的防護(hù)措施，消除了弧光產(chǎn)生故障可能對(duì)設(shè)備和人身產(chǎn)生的安全隱患：

1）全數(shù)字化設(shè)計(jì)，整定參數(shù)時(shí)無需撥碼開關(guān)及電位器等機(jī)械元件，精度高，無振動(dòng)、磨損等隱患。

2）弧光信號(hào)可在采集單元之間串行傳輸，從而使監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量可任意增加，且大大減少了傳輸光纖的成本。

3）動(dòng)作判據(jù)可設(shè)，動(dòng)作判據(jù)可設(shè)置為弧光加電流或僅弧光。

4）弧光探頭330度大角度采集弧光信號(hào)，保證動(dòng)作的準(zhǔn)確性和可靠性。

5）定時(shí)發(fā)送光秒脈沖信號(hào)，檢測光纖回路是否有破損及斷開等故障隱患。

3.應(yīng)用情況

基于該研究成果，在石家莊奧北公元小區(qū)開閉所安裝了14套配電弧光保護(hù)裝置，目前該配電弧光保護(hù)裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠。配電站開關(guān)柜弧光保護(hù)系統(tǒng)的投入使用，消除了弧光產(chǎn)生故障可能對(duì)設(shè)備和人身產(chǎn)生的安全隱患，保護(hù)運(yùn)維人員人身和開關(guān)柜及柜內(nèi)設(shè)備的安全，可實(shí)現(xiàn)快速切除開關(guān)柜本體故障，能在開關(guān)柜耐受燃弧時(shí)間以內(nèi)切除故障，從根本上限制故障電弧，將大限度地限制弧光故障對(duì)開關(guān)設(shè)備的損壞，并降低對(duì)配網(wǎng)運(yùn)維人員的傷害。限制開關(guān)設(shè)備的損壞，即阻斷了故障發(fā)展的可能性，從而可避免上級(jí)變電站主變壓器長時(shí)間遭受短路電流的沖擊而損壞。配電弧光保護(hù)裝置有效的限制了弧光短路故障損壞開關(guān)設(shè)備及上級(jí)變壓器，為電力企業(yè)節(jié)省了對(duì)設(shè)備的大量維護(hù)費(fèi)用，各方面提升生產(chǎn)現(xiàn)場的作業(yè)水平，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

4.安科瑞 ARB5系列弧光保護(hù)的原理及系統(tǒng)組成

弧光保護(hù)裝置通過弧光+電流突變量雙重判據(jù)或弧光單判據(jù)啟動(dòng)保護(hù)，其動(dòng)作時(shí)間為

弧光單判據(jù)動(dòng)作時(shí)間≤7ms；

弧光+電流雙判據(jù)時(shí)間≤20ms。

ARB5系列弧光保護(hù)裝置由ARB5-M主控單元、ARB5-E擴(kuò)展單元、ARB5-S弧光探頭、弧光光纖以及尾纖等配件構(gòu)成。

5.結(jié)語

配電弧光保護(hù)裝置為中低壓母線提供了一個(gè)理想的防護(hù)解決方案，可以保護(hù)運(yùn)維人員人身和開關(guān)柜及柜內(nèi)設(shè)備的安全，當(dāng)現(xiàn)場柜體中產(chǎn)生弧光時(shí)，能夠做到快速判斷、切斷電源，減少停電范圍，保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，有效的增強(qiáng)了對(duì)變壓器、配電開關(guān)柜等設(shè)備的防護(hù)措施，提升了安全生產(chǎn)管理水平、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，具備良好的應(yīng)用效果和推廣前景。

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