淺談電弧光保護裝置在6KV廠(chǎng)用電系統中的應用與選型

摘要：闡述弧光短路在配電網(wǎng)中的危害性，介紹弧光短路的發(fā)生機理及主要影響因素，指出電弧光保護系統的特點(diǎn)、構成、作用以及電弧光保護的實(shí)際應用情況。應用結果表明：電弧光保護裝置運行可靠，模擬試驗動(dòng)作正確。

關(guān)鍵詞：弧光短路；電孤光保護；廠(chǎng)用電系統

       弧光短路是配電網(wǎng)中嚴重的故障。尤其是發(fā)生在中、低壓開(kāi)關(guān)柜內部時(shí)，由于電弧電阻原因，短路電流往往無(wú)法達到過(guò)流速斷整定值，因而不能動(dòng)作決速切斷故障，電弧持續燃燒釋放巨大能量，將造成開(kāi)關(guān)柜被嚴重燒毀的災難性后果。開(kāi)關(guān)柜的弧光短路故障，往往由于未得到及時(shí)消除，將發(fā)展為母線(xiàn)故障，其危害是非常嚴重的，可能造成發(fā)電廠(chǎng)廠(chǎng)用電瓦解、重要用戶(hù)停電，嚴重時(shí)會(huì )導致多組開(kāi)關(guān)柜同時(shí)燒毀的“火燒連營(yíng)"事故等。近年來(lái)，因母線(xiàn)故障造成巨大短路電流沖擊導致變壓器損壞也不少見(jiàn)，造成了重大的經(jīng)濟損失。

1.1弧光放電發(fā)生的機理當兩電間電壓升高時(shí)，電近處空氣中的正負離子被電場(chǎng)加速，并在移動(dòng)過(guò)程中與其他空氣分子碰撞產(chǎn)生新的離子，這種離子大量增加的現象稱(chēng)為電離。當空氣被電離時(shí)，溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧，這種放電稱(chēng)為弧光放電?；」夥烹娨话悴恍枰芨叩碾妷?，屬于低電壓大電流放電。

1.2中低壓開(kāi)關(guān)柜內發(fā)生弧光短路的主要因素

      (1)使用了性能不良的導電體。

      (2)絕緣損壞(包括老化、受潮、裂痕等)。

      (3)人體或其他物品意外接觸到帶電部位。

     (4)操作過(guò)程中的失誤或者設計、安裝錯誤。

     (5)元件損壞，沒(méi)有良好的維修和保養設備。

      (6)過(guò)電壓。

1.3不同燃弧時(shí)間與設備損壞程度的關(guān)系

      根據搜集到的國外資料，不同燃弧時(shí)問(wèn)對設備造成的損壞程度如下：

       (1)35ms：沒(méi)有顯著(zhù)的損壞，一般可在檢驗絕緣電阻合格后投入使用；

      (2)1001TIS：損壞較小，在開(kāi)關(guān)柜再次投入運行前需要進(jìn)行清潔或小修；

      (3)500Iris：設備損壞很?chē)乐?，現場(chǎng)人員也受到嚴重傷害，更換部分設備才可再投入運行。因此，切斷弧光短路故障的時(shí)間非常關(guān)鍵，只有速度更快的保護系統才能提供更有效的保護，在弧光短路故障時(shí)保護人和設備的。 

2.1電弧光保護系統的發(fā)展

        近年來(lái)，隨著(zhù)國內電力工業(yè)的高速發(fā)展，中、低壓開(kāi)關(guān)柜的應用數量越來(lái)越多，因開(kāi)關(guān)柜弧光短路故障而引發(fā)的中、低壓母線(xiàn)故障日益增多。鑒于用戶(hù)對供電可靠性的要求越來(lái)越高，國內專(zhuān)家一直強調裝設專(zhuān)用中、低壓母線(xiàn)保護的重要性，用戶(hù)也希望能提供一種造價(jià)較低、原理簡(jiǎn)單、適用于6—35kV的母線(xiàn)保護，以大地減少母線(xiàn)故障對設備及人員的危害，提高供電可靠性。在這種背景下，電弧光保護系統在我國電力系統中得到了廣泛應用。

2.2電弧光保護的作用

     (1)保護附近工作人員免受電弧短路故障造成的傷害。

     (2)保護中、低壓開(kāi)關(guān)設備免受?chē)乐負p壞，防止火災事故的發(fā)生。

     (3)保護昂貴的主變壓器或廠(chǎng)用變壓器免受短路電流沖擊而損壞。

     (4)防止波及站用直流系統，避免造成巨大的經(jīng)濟損失。

      (5)大地減少用戶(hù)的停電時(shí)間，將用戶(hù)的停電恢復時(shí)問(wèn)由原來(lái)的2天至3個(gè)星期減少到幾個(gè)小時(shí)。

      (6)延長(cháng)現有開(kāi)關(guān)設備的使用壽命，推遲更換開(kāi)關(guān)設備的時(shí)間。

       某廠(chǎng)6kV開(kāi)關(guān)柜采用RIZNEREagleEye光電式電弧光保護系統，其工作原理是：采用電弧光傳感器監測電弧光信號，配合過(guò)流判斷故障，其可控硅出口小于lms，快速繼電器出口小于8ms以及斷路器3560ms的跳閘時(shí)間，從而有效保護開(kāi)關(guān)設備。

3.1電弧光保護系統的特點(diǎn)

      (1)采用電弧光及過(guò)流雙判據原理。

      (2)連續的自我檢測。

      (3)采用光纖傳輸跳閘指令，可控硅高速出口和快速繼電器出口相結合，動(dòng)作時(shí)間小于8ms。

      (4)主輔元件分離，單系統可以保護256個(gè)監測點(diǎn)。

      (5)輸入輸出均可編程，配置靈活，適合任何復雜工況。

      (6)顯示故障位置，便于故障處理，大地提高了供電恢復速度。

3.2電弧光保護系統的組成

       電弧光保護系統由1個(gè)電弧光主控單元、1個(gè)電源模塊、2個(gè)電流輔助單元、1個(gè)弧光單元和若干電弧光傳感器(按間隔量配置)組成。將電弧光傳感器安裝在開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)室內，確保母線(xiàn)室內發(fā)生弧光短路故障時(shí)能探測到弧光。信號通過(guò)光纖和數據線(xiàn)傳輸到主控單元，主控單元依據設定邏輯，判斷是否發(fā)出跳閘指令?；」鈫卧惭b在某個(gè)選定的開(kāi)關(guān)柜中，選擇原則是保證該單元與主控單元和各個(gè)開(kāi)關(guān)柜里裝設的電弧光傳感器的連接線(xiàn)距離較短。

3.3電弧光保護的邏輯

       (1)6kV段任一開(kāi)關(guān)柜的母線(xiàn)室產(chǎn)生弧光(現場(chǎng)試驗用手電筒光源模擬)，主控單元都能發(fā)出光報警(綠燈變紅燈閃爍)，并能顯示相應正確的地址，但不發(fā)送跳閘信號。

       (2)6kV段工作電源進(jìn)線(xiàn)柜或備用電源進(jìn)線(xiàn)柜三相電流中的任何一相出現過(guò)流情況(現場(chǎng)試驗采用繼電保護測試儀給電流的方式模擬)，主控單元都能發(fā)出過(guò)流報警(綠燈變紅燈閃爍)，并能顯示相應正確的地址，但不發(fā)送跳閘信號。

       (3)6kV段任一開(kāi)關(guān)柜的母線(xiàn)室產(chǎn)生弧光，同時(shí)工作電源進(jìn)線(xiàn)柜或備用電源進(jìn)線(xiàn)柜三相電流中的任一相出現過(guò)流情況(試驗模擬方法同上)，主控單元都能發(fā)出光報警和過(guò)流報警，并能顯示相應正確的地址，同時(shí)送出相應的跳閘信號。

       (4)工作電源進(jìn)線(xiàn)柜任何一相給過(guò)流信號并同時(shí)在任一個(gè)弧光通道給弧光信號時(shí)，主控單元發(fā)跳閘信號給工作電源進(jìn)線(xiàn)柜跳閘出口及閉鎖快切出口繼電器。

       (5)備用電源進(jìn)線(xiàn)柜任何一相給過(guò)流信號并同時(shí)在任一個(gè)弧光通道給弧光信號時(shí)，主控單元發(fā)跳閘信號給備用電源進(jìn)線(xiàn)柜跳閘出口及閉鎖快切出口繼電器。

3.4電弧光保護實(shí)際應用情況

        該廠(chǎng)機組6kV廠(chǎng)用電系統共有4段母線(xiàn)，每段母線(xiàn)均配有該電弧光保護系統。該系統2010年投入運行以來(lái)，其6kV廠(chǎng)用電系統未發(fā)生過(guò)電弧光短路事故；但從機組大修時(shí)的檢測報告來(lái)看，電弧光保護裝置均能正確動(dòng)作。目前，該廠(chǎng)已將電弧光傳感器的檢查以及整套裝置的試驗列為大修中停母線(xiàn)檢修的標準項目，以確保裝置能夠正常運行。

4.1概述

       中低壓母線(xiàn)發(fā)生短路故障時(shí)，所產(chǎn)生的電弧光對設備及人員會(huì )造成很大的傷害。在電力系統中，由于設備故障、人為地錯誤操作或錯誤接線(xiàn)、絕緣材料老化和機械磨損、灰塵、溫度、濕度、腐蝕等環(huán)境因素、電纜接頭制作不良、過(guò)電壓、其他原因如動(dòng)物鼠害等可能在開(kāi)關(guān)設備內造成短路故障并產(chǎn)生電弧光。

        電弧光一旦產(chǎn)生，其危害程度取決于電弧光電流及切除時(shí)間，電弧產(chǎn)生的能量與12t成指數規律快速上升。只有在短時(shí)間內切除故障才能使設備不遭受損害。若總切除時(shí)間大于100ms，輕則設備局部燒損，重則造成柜爆炸以及人員傷亡，有的可能引發(fā)火災。

        安科瑞ARB5系列弧光保護裝置外觀(guān)時(shí)尚、大屏幕液晶顯示，圖形化多語(yǔ)言菜單，操作快捷方便;具有強大的功能集成:集保、測量、控制、監測、通訊、故障錄波、事件記錄等多種功能于一體,準確實(shí)時(shí)監測弧光信號，保護電流，適用于中低級電網(wǎng)的弧光故障迅速切除裝置。

4.2應用場(chǎng)所

       適用于石油化工、數據、電網(wǎng)電廠(chǎng)、機場(chǎng)軌道交通、醫療公共設施等行業(yè)。

4.3安科瑞ARB5弧光保護產(chǎn)品選型說(shuō)明

      ARB5系列弧光保護裝置由ARB5-M主控單元、ARB5-E擴展單元、ARB5-S弧光探頭、等配件構成。

 

       ARB5-M弧光主控單元

 

注：1、*表示可選附件。

2、主控板和采集板數量之和不能大于4。

3、弧光探頭到采集板的長(cháng)度不能超過(guò)20米。

4、如有特殊要求，請特別注明。

 

4.4安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品功能和技術(shù)參數

 

4.5安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品現場(chǎng)安裝

 

        弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下：

 

 

       現代電力系統的發(fā)展，配電網(wǎng)容量的逐漸增加，中低壓母線(xiàn)故障對電力系統運行的影響越來(lái)越嚴重。它不僅使中壓開(kāi)關(guān)設備嚴重燒毀，造成“火燒連營(yíng)"事故；而且可能損壞昂貴的變壓器，造成十分嚴重的經(jīng)濟損失，因此非常有必要安裝電弧光保護。此外，電弧光保護的應用不能按照國外初設計模式，僅僅保護母線(xiàn)橋自身弧光短路，應用實(shí)踐中要積改進(jìn)，既作為中低壓母線(xiàn)保護又成為饋線(xiàn)側弧光短路的快速保護神。

 

參考文獻

[1]許震，丁鑫.電弧光保護及其在6kV廠(chǎng)用電系統的應用[J].2016（3）：18.

[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.

作者介紹：

柏為為，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為中低壓供電系統繼電保護和弧光保護。