淺談電弧光保護裝置在中壓母線中應用方案

安科瑞 陳聰

摘要：中低壓系統一直未裝設母線保護，但運行情況表明，中低壓母線故障會嚴重影響到變壓器及母線開關設備的安全運行。因此，中低壓母線保護需要得到足夠的重視，找到一種快速的保護裝置是當前一項迫切的任務。電弧光保護系統就是在這種情況下應運而生，該裝置已在電力系統中得到了的應用。

關鍵詞：中低壓母線;電弧光保護;中低壓母線

0引言

在電力系統中，35kV及以下電壓等級的母線由于沒有穩定問題，一般未裝設母線保護。然而，由于中低壓母線上的出線多，操作頻繁，三相導體線間距離與大地的距離比較近，容易受小動物危害，設備制造質量比高壓設備差，設備絕緣老化和機械磨損，運行條件惡劣，系統運行條件改變，人為和操作錯誤等原因，中低壓母線的故障幾率比高壓、壓母線高得多。但長期以來，人們對中低壓母線的保護一直不夠重視，大多采用帶有較大延時的后備保護來切除母線上的故障，往往使故障發展、擴大，從而造成巨大的經濟損失。

近年來，由于各種原因開關設備被嚴重燒毀，并導致相關設備一并損壞的事故時有發生。而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，這些配網事故處理不當會被擴大發展為輸電網事故，造成重大的經濟損失，已引起電力部門的廣泛關注。究其原因大多是因為沒有裝設中低壓母線保護，未能快速切除故障造成的。所以，為了保證變壓器及母線 開關設備的安全運行，根據繼電保護快速性的要求，迫切需要配置專用中低壓母線保護。

1開關柜電弧耐受時間

IEC298標準規定，開關柜可以承受的電弧燃燒時間為100ms。從保護開關柜方面考慮，保護動作應在小于100ms 的時間內切除故障，以防止弧光短路故障 進一步發展擴大造成更大的危害。表1為各種電弧燃燒時間下進行試驗得出的結論。

表1各電弧燃燒時間下設備的損壞情況

2弧光短路故障的防護措施

2.1防護措施。

采用這種措施的目的是限制故障電弧產生的各種效應，如加強開關柜的結構，密封隔離各單元室、設置釋放板和泄壓通道等。采用這種措施在一定程度上能減少損壞程度；另一方面，如果要采用通過加強結構的方式來較大地提高開關柜的燃弧耐受時間的話，則需要增加很大的設備費用。表2為國外對增加開關柜內部燃弧耐受時間和相應增加成本進行評估的結果。

表2電弧耐受時間和增加成本的評估

2.2防護措施。

采用高速專用中壓母線保護切除故障以限制故障電弧的持續時間，從根本上限制故障電弧，其各種效應對設備和人員的危害。如果中低壓母線保護能在開關柜耐受燃弧時間以內切除故障的話，將地限制弧光故障對開關設備的損壞；從另一方面看，限制開關設備的損壞，即阻斷了故障發展的可能性，從而可避免主變壓器長時間遭受短路電流的沖擊而損壞。這也是目前迫切需要的限制因弧光短路故障損壞開關設備及變壓器的防護措施。

3現有的中壓母線保護

目前普遍采用的中壓母線保護方案包括：變壓器后備過流保護方案、饋線過流保護閉鎖變壓器過流保護方案、采用環流原理的高阻抗母線保護方案。

3.1變壓器后備過流保護方案。

這是目前國內應用廣泛的中壓母線保護方案。由于考慮到與饋線和母線分段開關的配合，保護跳閘時間一般整定為1.0~1.4s,有的甚至更長，達2.0s以上。這一動作速度遠遠不能滿足快速切除中壓母線故障的要求。

3.2饋線過流保護閉鎖變壓器過流保護方案。

近年來，微機過流保護在中壓饋線廣泛應用，國外提出利用饋線過流元件閉鎖變壓器過流保護的方案，該方案與變壓器后備過流保護方案相比其動作速度有了一定的提高，典型動作時間為300~400ms。但對于要求100ms 以內切除故障仍不能滿足要求。

3.3采用環流原理的高阻抗母線保護方案。

國外某些重要工程曾采用專用中壓母線保護方案，保護動作時間一般為35~60ms。這種方案接線復雜、對TA的要求高，安裝在6/35kV母線上有很多困難，也很不經濟。此外，由于其保護范圍受到TA 安裝位置的限制，不能避免發生故障幾率較高的電纜接頭處的故障，并且也不能提供故障定位。因此也不適合中壓母線保護應用。

從實際應用情況來看，現有的保護方案是顯然不 能滿足快速切除母線故障的要求。因此，迫切需要采用一種新型中低壓母線保護系統，以解決目前運行中由于中低壓母線發生故障幾率較高、延遲切除故障導致故障發展、擴大，從而造成巨大經濟損失的問題。

4新型電弧光保護系統構成

新型電弧光保護系統由以下幾個部分構成：主控單元、電流單元、弧光單元、弧光傳感器(探頭)、數據線和光纖。系統的基本原理是：通過測量開關柜中的弧光，弧光傳感器可以連接到主控單元或者弧光單元，電流單元則用于傳輸電流信號。在弧光傳感器檢測到弧光信號的同時，若電流單元檢測到了過流信號，則被判為產生了電弧光故障。一旦檢測到電弧光故障，保護系統會在1ms內發出跳閘指令，達到保護的目的。

4.1主控單元。

主控單元是電弧光保護系統的核心部件，作用是管理、控制整個系統。主控單元有4個數據傳輸接口，每個接口可連接6個弧光或電流單元；輸出接口包括4路快速跳閘輸出和6路常規繼電器跳閘輸出；20個弧光檢測光纖接口，用于連接弧光傳感器。通過主控單元中的現實，可以準確判斷電弧光產生的位置。

一個主控單元能同時保護幾個獨立的開關柜，因此，電弧光保護系統的弧光單元和電流單元可以分散到不同的開關柜內，把檢測到的弧光或電流信號傳送到主控單元，主控單元收集到這些必要的數據，根據實際情況輸出跳閘信號到斷路器。

4.2弧光單元。

弧光單元用于檢測弧光，具有10個弧光檢測光纖接口，用于連接弧光傳感器。弧光單元面板上的電位計用來調整感光的強度，校準好后，把信息傳遞到下一個電流或弧光單元，或者傳到主控單元。通過弧光單元，保護系統始終能準確地識別超過整定的光感定值的弧光傳感器所在地。

4.3電流單元。

傳送至主控單元。電流單元可匹配1A 、2A 、5A的電流互感器，電流的整定可以從面板上的電位計來調節。電流單元檢測到的電流數據通過光纖或數據線傳送到主控單元，主控單元依據設定的邏輯判據決定是否輸出跳閘信號。

4.4弧光傳感器。

弧光傳感器安裝在開關柜內，是探測弧光的光感應元件。發生電弧光故障時，光的強度會大幅度增加，弧光傳感器內的感光元件就會把光信號轉換為電信號傳給弧光單元或者主控單元。電弧光保護系統的感光 范圍靈敏度可在弧光單元和主控單元進行調整。

封閉式母線系統中，在每個開關柜裝設一個弧光傳感器。在開放式母線系統中，弧光傳感器的間隔約為5~6m。

4.5數據線和光纖。

在主控單元和弧光單元或電流單元間的數據傳送是靠光纖和數據傳輸線來完成的。光纖傳輸觸發信號至主控單元，工作電源，報警信號，自控數據信息流的傳送則通過數據傳輸線來完成。

5新型電弧光保護系統構成

這種新型電弧光保護系統是一種原理簡單、動作快速可靠、保護覆蓋范圍廣、安裝維護方便的裝置，目前已有超過數百套該型電弧光保護系統在包括我國在內的近十個國家的400V~20kV 中低壓開關柜中投運，用戶遍及發電廠、變電站以及工業商業用戶等領域。產品運行情況及用戶反饋意見表明，該種電弧光保護系統穩定可靠，能可靠地顯示故障位置、發出跳閘指令。

6安科瑞ARB6產品功能

注：√表示具備此功能，■表示可選功能。

6.1產品選型指標配置

6.2開孔尺寸

6.2.1 ARB6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

6.2.2 ARB-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結論

隨著現代微機和光電子技術的發展，各種新型母線保護原理和裝置不斷出現，為實現中低壓專用母線保護提供了各種解決方案。電弧光保護作為一種針對中壓開關柜故障特性開發的母線保護系統，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、適應于各種運行方式、且在各種運行方式下不需要保護切換等優點，為用戶提供了一個理想的中低壓母線 保護解決方案。

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