淺析電弧光保護(hù)在變電站中的應(yīng)用

更新時(shí)間：2023-11-22

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

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

關(guān)鍵詞：電弧光保護(hù)；變電站；安全穩(wěn)定運(yùn)行；燃弧耐受時(shí)間

0引言

在變電站運(yùn)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(yùn)行和維護(hù)等特點(diǎn)，在變電站中大量配置中低壓開關(guān)柜運(yùn)行過程中由于各種原因造成開關(guān)設(shè)備被嚴(yán)重?zé)龤У氖鹿试絹碓蕉�，�?duì)變電站事故的處理不當(dāng)，會(huì)直接影響變電站運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，導(dǎo)致電網(wǎng)事故不斷擴(kuò)大，不僅會(huì)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還可能造成人員傷亡事故。在變電站設(shè)計(jì)過程中，為了保證變壓器、母線、開關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行，都遵照相關(guān)規(guī)范配置保護(hù)裝置，但目前國(guó)內(nèi)35kV及以下的母線一般不配置快速母線保護(hù)，而是由變壓器的后備過流保護(hù)來切除母線故障，由后備保護(hù)動(dòng)作切除故障的時(shí)間至少為0.5s，這樣就加大了對(duì)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(hù)，一旦出現(xiàn)故障，可以及時(shí)將故障切除，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

1中低壓開關(guān)柜設(shè)備運(yùn)行過程中的問題和運(yùn)行要求

1.1開關(guān)柜設(shè)備運(yùn)行過程中的問題

在變電站設(shè)計(jì)過程中，110kV及以上的母線會(huì)設(shè)置母，電壓等級(jí)在35kV及以下的母線系統(tǒng)中一般不配置快速母線保護(hù)，而是依賴上變壓器的后備過流保護(hù)來切除母線短路故障，這樣導(dǎo)致了故障切除時(shí)間的延長(zhǎng)，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(jī)械磨損是必然現(xiàn)象，運(yùn)行條件發(fā)生改變以及人為操作錯(cuò)誤，會(huì)導(dǎo)致母線故障率升高，對(duì)變電站的運(yùn)行存在安全隱患。

1.2開關(guān)柜安全運(yùn)行要求

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

(2)開關(guān)柜弧光故障防護(hù)。除了加強(qiáng)開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)對(duì)母線配置快速保護(hù)，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，對(duì)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(hù)系統(tǒng)

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

2.1主單元

主單元是電弧保護(hù)系統(tǒng)中的主要部分，主要對(duì)短路電流以及來自電弧光傳感器的動(dòng)作信息進(jìn)行檢測(cè)，并且對(duì)收集到的故障信息進(jìn)行處理、判斷，從而發(fā)出故障處理信號(hào)，對(duì)故障進(jìn)行切除。電弧光保護(hù)系統(tǒng)要在同時(shí)檢測(cè)到弧光和過流時(shí)才會(huì)發(fā)出相應(yīng)地切斷閘指令，如果進(jìn)線斷路器沒有及時(shí)動(dòng)作對(duì)故障進(jìn)行切除，則系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)邏輯，發(fā)出跳閘指令跳上級(jí)的斷路器進(jìn)行故障切除。此外，電弧保護(hù)系統(tǒng)的主單元還會(huì)根據(jù)輔助單元傳遞的弧光傳感器的動(dòng)作信息，對(duì)弧光故障點(diǎn)的位置進(jìn)行確定，發(fā)出溫度報(bào)警信息。

2.2輔助單元

電弧保護(hù)系統(tǒng)的輔助單元一般都安裝在開關(guān)柜中，每一個(gè)輔助單元可以與10個(gè)弧光傳感器、1個(gè)溫度傳感器、1個(gè)便攜式弧光傳感器相連。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生弧光故障的時(shí)候輔助單元可以對(duì)弧光傳感器中傳遞來的動(dòng)作信息進(jìn)行收集，并且將其傳遞給主單元，主單元再對(duì)故障進(jìn)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(hào)，有助于及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行解除。

2.3弧光傳感器

弧光傳感器是對(duì)故障進(jìn)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(shí)，光強(qiáng)度大幅度增加，傳感器檢測(cè)光強(qiáng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，并且傳輸給輔助單元。

2.4電流單元

電流單元主要檢測(cè)系統(tǒng)中電流的變量，并且可以將其送到主控單元上，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)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(hù)系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用弧光檢測(cè)和過電流檢測(cè)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)變電站運(yùn)行設(shè)備的雙重檢測(cè)與判斷，如果同時(shí)檢測(cè)到弧光與電流增量信號(hào)，說明設(shè)備和系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，則需要快速啟動(dòng)繼電器，發(fā)出跳閘的指令，當(dāng)系統(tǒng)中只檢測(cè)到其中一個(gè)信號(hào)的時(shí)候，則只需要發(fā)出報(bào)警信號(hào)，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(hù)裝置的設(shè)備和系統(tǒng)具有斷路器失靈保護(hù)功能，即當(dāng)進(jìn)線斷路器發(fā)生拒動(dòng)的時(shí)候，會(huì)發(fā)出越級(jí)跳閘的信號(hào)，從而對(duì)上短路信號(hào)進(jìn)行切斷，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3電弧光保護(hù)在變電站中的應(yīng)用

本文以某變電站為例，對(duì)電弧光保護(hù)在變電站中的應(yīng)用進(jìn)行分析與探討。

某變電站安裝應(yīng)用了ARB5型弧光保護(hù)系統(tǒng)，幾年來系統(tǒng)的運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，在保護(hù)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(jìn)線，單母分段，一共有14面開關(guān)柜和2個(gè)母線橋。弧光保護(hù)配置的方式主要是：一臺(tái)ARB5主控單元，16個(gè)光探頭、300米光纖。將主控單元安裝在10kV進(jìn)線柜的面板上，光探頭安裝在14面柜以及兩個(gè)母線槽中。在對(duì)本工程進(jìn)行安裝的時(shí)候，是在處于運(yùn)行過程中的變電站上加裝弧光設(shè)備，所以由于停電的時(shí)間較短，為了保證能夠完成安裝調(diào)試工作，要提前做好準(zhǔn)備。安裝的步驟主要為以下幾個(gè)方面：（1）根據(jù)變電站加裝弧光系統(tǒng)的實(shí)際情況，由弧光系統(tǒng)設(shè)備廠家的設(shè)計(jì)人員對(duì)電氣安裝圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)，直到圖紙符合要求。（2）對(duì)安裝所需要的輔材以及輔件進(jìn)行準(zhǔn)備，變電站要根據(jù)設(shè)計(jì)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(zhǔn)備。（3）當(dāng)變電站確定停電時(shí)間之后，要提前通知廠家，由廠家安排技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行配合安裝。變電站停電時(shí)要考慮綜合因素，確定具體時(shí)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(shí)關(guān)閉柜門。（5）電源的進(jìn)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(hù)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(duì)變電站的技術(shù)人員進(jìn)行培訓(xùn)。培訓(xùn)之后要進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試驗(yàn)收合格之后即完成整個(gè)項(xiàng)目。

在本項(xiàng)目中，電弧光保護(hù)系統(tǒng)要針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)際情況，在技術(shù)方面，電弧光保護(hù)裝置應(yīng)該能夠提供“故障報(bào)警信號(hào)"、“故障動(dòng)作信號(hào)"到計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，有助于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)變電站設(shè)備運(yùn)行過程中的故障與問題，提高解決效率，減少對(duì)電力傳輸?shù)挠绊�。同時(shí)，電弧光保護(hù)的出口跳閘繼電器應(yīng)該要滿足啟動(dòng)功率不小于5W、動(dòng)作電壓介于55-70之間、動(dòng)作時(shí)間不小于10ms的要求。

對(duì)弧光保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行安裝的時(shí)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(shí)候應(yīng)該要按照保護(hù)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(jìn)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(cè)到柜內(nèi)的弧光是否滿足要求。對(duì)于本項(xiàng)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(gè)弧光傳感器，如果是10kV，如果母線與母線側(cè)隔離刀閘同時(shí)在一室，則只需要安裝一個(gè)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(shí)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(shí)檢測(cè)到柜子內(nèi)的弧光。（3）為了避免電弧光保護(hù)的無選擇性跳閘情況出現(xiàn)，應(yīng)該要進(jìn)一步簡(jiǎn)化二次回路，變電站中的35kV和10kV母線要采用分列運(yùn)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(hù)裝置，運(yùn)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(hù)裝置。

4安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品選型說明

ARB5-弧光主控單元

技術(shù)參數(shù)代碼	代碼說明
弧光主控板數(shù)
0	0塊主控板，可接0塊采集板信號(hào)
1	1塊主控板，可接6塊采集板信號(hào)
2	2塊主控板，可接12塊采集板信號(hào)
3	3塊主控板，可接18塊采集板信號(hào)
4	4塊主控板，可接24塊采集板信號(hào)
弧光采集板數(shù)
0	0塊采集板，可直接采集0個(gè)弧光探頭信號(hào)
1	1塊采集板，可直接采集5個(gè)弧光探頭信號(hào)
2	2塊采集板，可直接采集10個(gè)弧光探頭信號(hào)
3	3塊采集板，可直接采集15個(gè)弧光探頭信號(hào)
4	4塊采集板，可直接采集20個(gè)弧光探頭信號(hào)
電流輸入
1	1A
5
電源
1	裝置電源為DC110V，開入電源DC110V
2	裝置電源為DC220V，開入電源DC220V
3	裝置電源為AC110V，開入電源DC24V（裝置自帶）
4	裝置電源為AC220V，開入電源DC24V（裝置自帶）
電源
0	不需要
1	支持MMS
2	支持MMS，GOOSE

（1）＊表示可選附件，需要另外增加費(fèi)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(zhǎng)度不能超過20米。

（4）如有特殊要求，請(qǐng)?zhí)貏e注明。

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

6安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)安裝

弧光保護(hù)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(hù)系統(tǒng)對(duì)變電站進(jìn)行保護(hù)，其動(dòng)作時(shí)間為5-7ms，可以迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yùn)行的安全性和運(yùn)行效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 唐成靜.電弧光保護(hù)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(hù)系統(tǒng)[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（12）.

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

作者簡(jiǎn)介：

吳柯霓，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究中低壓綜合保護(hù)及絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)