任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

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(jī)理及主要影響因素，指出電弧光保護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)、構(gòu)成、作用以及電弧光保護(hù)的實(shí)際應(yīng)用情況。應(yīng)用結(jié)果表明：電弧光保護(hù)裝置運(yùn)行可靠，模擬試驗(yàn)動(dòng)作正確。

關(guān)鍵詞：弧光短路；電孤光保護(hù)；廠用電系統(tǒng)

弧光短路是配電網(wǎng)中嚴(yán)重的故障。尤其是發(fā)生在中、低壓開關(guān)柜內(nèi)部時(shí)，由于電弧電阻原因，短路電流往往無法達(dá)到過流速斷整定值，因而不能動(dòng)作決速切斷故障，電弧持續(xù)燃燒釋放巨大能量，將造成開關(guān)柜被嚴(yán)重?zé)龤У臑?zāi)難性后果。開關(guān)柜的弧光短路故障，往往由于未得到及時(shí)消除，將發(fā)展為母線故障，其危害是非常嚴(yán)重的，可能造成發(fā)電廠廠用電瓦解、重要用戶停電，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致多組開關(guān)柜同時(shí)燒毀的“火燒連營"事故等。近年來，因母線故障造成巨大短路電流沖擊導(dǎo)致變壓器損壞也不少見，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.1弧光放電發(fā)生的機(jī)理當(dāng)兩電間電壓升高時(shí)，電近處空氣中的正負(fù)離子被電場(chǎng)加速，并在移動(dòng)過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(xiàn)象稱為電離。當(dāng)空氣被電離時(shí)，溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧，這種放電稱為弧光放電。弧光放電一般不需要很高的電壓，屬于低電壓大電流放電。

1.2中低壓開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生弧光短路的主要因素

(1)使用了性能不良的導(dǎo)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)操作過程中的失誤或者設(shè)計(jì)、安裝錯(cuò)誤。

(5)元件損壞，沒有良好的維修和保養(yǎng)設(shè)備。

(6)過電壓。

1.3不同燃弧時(shí)間與設(shè)備損壞程度的關(guān)系

根據(jù)搜集到的國外資料，不同燃弧時(shí)問對(duì)設(shè)備造成的損壞程度如下：

(1)35ms：沒有顯著的損壞，一般可在檢驗(yàn)絕緣電阻合格后投入使用；

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

(3)500Iris：設(shè)備損壞很嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)人員也受到嚴(yán)重傷害，更換部分設(shè)備才可再投入運(yùn)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(hù)系統(tǒng)才能提供更有效的保護(hù)，在弧光短路故障時(shí)保護(hù)人和設(shè)備的。

2.1電弧光保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展

近年來，隨著國內(nèi)電力工業(yè)的高速發(fā)展，中、低壓開關(guān)柜的應(yīng)用數(shù)量越來越多，因開關(guān)柜弧光短路故障而引發(fā)的中、低壓母線故障日益增多。鑒于用戶對(duì)供電可靠性的要求越來越高，國內(nèi)專家一直強(qiáng)調(diào)裝設(shè)專用中、低壓母線保護(hù)的重要性，用戶也希望能提供一種造價(jià)較低、原理簡(jiǎn)單、適用于6—35kV的母線保護(hù)，以大地減少母線故障對(duì)設(shè)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(hù)系統(tǒng)在我國電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

2.2電弧光保護(hù)的作用

(1)保護(hù)附近工作人員免受電弧短路故障造成的傷害。

(2)保護(hù)中、低壓開關(guān)設(shè)備免受嚴(yán)重?fù)p壞，防止火災(zāi)事故的發(fā)生。

(3)保護(hù)昂貴的主變壓器或廠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(tǒng)，避免造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

(5)大地減少用戶的停電時(shí)間，將用戶的停電恢復(fù)時(shí)問由原來的2天至3個(gè)星期減少到幾個(gè)小時(shí)。

(6)延長(zhǎng)現(xiàn)有開關(guān)設(shè)備的使用壽命，推遲更換開關(guān)設(shè)備的時(shí)間。

某廠6kV開關(guān)柜采用RIZNEREagleEye光電式電弧光保護(hù)系統(tǒng)，其工作原理是：采用電弧光傳感器監(jiān)測(cè)電弧光信號(hào)，配合過流判斷故障，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(hù)開關(guān)設(shè)備。

3.1電弧光保護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)采用電弧光及過流雙判據(jù)原理。

(2)連續(xù)的自我檢測(cè)。

(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(jié)合，動(dòng)作時(shí)間小于8ms。

(4)主輔元件分離，單系統(tǒng)可以保護(hù)256個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

(5)輸入輸出均可編程，配置靈活，適合任何復(fù)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(fù)速度。

3.2電弧光保護(hù)系統(tǒng)的組成

電弧光保護(hù)系統(tǒng)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關(guān)柜母線室內(nèi)，確保母線室內(nèi)發(fā)生弧光短路故障時(shí)能探測(cè)到弧光。信號(hào)通過光纖和數(shù)據(jù)線傳輸?shù)街骺貑卧?，主控單元依?jù)設(shè)定邏輯，判斷是否發(fā)出跳閘指令。弧光單元安裝在某個(gè)選定的開關(guān)柜中，選擇原則是保證該單元與主控單元和各個(gè)開關(guān)柜里裝設(shè)的電弧光傳感器的連接線距離較短。

3.3電弧光保護(hù)的邏輯

(1)6kV段任一開關(guān)柜的母線室產(chǎn)生弧光(現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)用手電筒光源模擬)，主控單元都能發(fā)出光報(bào)警(綠燈變紅燈閃爍)，并能顯示相應(yīng)正確的地址，但不發(fā)送跳閘信號(hào)。

(2)6kV段工作電源進(jìn)線柜或備用電源進(jìn)線柜三相電流中的任何一相出現(xiàn)過流情況(現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用繼電保護(hù)測(cè)試儀給電流的方式模擬)，主控單元都能發(fā)出過流報(bào)警(綠燈變紅燈閃爍)，并能顯示相應(yīng)正確的地址，但不發(fā)送跳閘信號(hào)。

(3)6kV段任一開關(guān)柜的母線室產(chǎn)生弧光，同時(shí)工作電源進(jìn)線柜或備用電源進(jìn)線柜三相電流中的任一相出現(xiàn)過流情況(試驗(yàn)?zāi)M方法同上)，主控單元都能發(fā)出光報(bào)警和過流報(bào)警，并能顯示相應(yīng)正確的地址，同時(shí)送出相應(yīng)的跳閘信號(hào)。

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

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

3.4電弧光保護(hù)實(shí)際應(yīng)用情況

該廠機(jī)組6kV廠用電系統(tǒng)共有4段母線，每段母線均配有該電弧光保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)2010年投入運(yùn)行以來，其6kV廠用電系統(tǒng)未發(fā)生過電弧光短路事故；但從機(jī)組大修時(shí)的檢測(cè)報(bào)告來看，電弧光保護(hù)裝置均能正確動(dòng)作。目前，該廠已將電弧光傳感器的檢查以及整套裝置的試驗(yàn)列為大修中停母線檢修的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，以確保裝置能夠正常運(yùn)行。

4.1概述

中低壓母線發(fā)生短路故障時(shí)，所產(chǎn)生的電弧光對(duì)設(shè)備及人員會(huì)造成很大的傷害。在電力系統(tǒng)中，由于設(shè)備故障、人為地錯(cuò)誤操作或錯(cuò)誤接線、絕緣材料老化和機(jī)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、過電壓、其他原因如動(dòng)物鼠害等可能在開關(guān)設(shè)備內(nèi)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(shù)規(guī)律快速上升。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，重則造成柜爆炸以及人員傷亡，有的可能引發(fā)火災(zāi)。

安科瑞ARB5系列弧光保護(hù)裝置外觀時(shí)尚、大屏幕液晶顯示，圖形化多語言菜單，操作快捷方便;具有強(qiáng)大的功能集成:集保、測(cè)量、控制、監(jiān)測(cè)、通訊、故障錄波、事件記錄等多種功能于一體,準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)弧光信號(hào)，保護(hù)電流，適用于中低級(jí)電網(wǎng)的弧光故障迅速切除裝置。

4.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于石油化工、數(shù)據(jù)、電網(wǎng)電廠、機(jī)場(chǎng)軌道交通、醫(yī)療公共設(shè)施等行業(yè)。

4.3安科瑞ARB5弧光保護(hù)產(chǎn)品選型說明

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、等配件構(gòu)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(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。

4.4安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品功能和技術(shù)參數(shù)

4.5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：

現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展，配電網(wǎng)容量的逐漸增加，中低壓母線故障對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響越來越嚴(yán)重。它不僅使中壓開關(guān)設(shè)備嚴(yán)重?zé)龤?，造成“火燒連營"事故；而且可能損壞昂貴的變壓器，造成十分嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此非常有必要安裝電弧光保護(hù)。此外，電弧光保護(hù)的應(yīng)用不能按照國外初設(shè)計(jì)模式，僅僅保護(hù)母線橋自身弧光短路，應(yīng)用實(shí)踐中要積改進(jìn)，既作為中低壓母線保護(hù)又成為饋線側(cè)弧光短路的快速保護(hù)神。

參考文獻(xiàn)

[1]許震，丁鑫.電弧光保護(hù)及其在6kV廠用電系統(tǒng)的應(yīng)用[J].2016（3）：18.

[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版.

作者介紹：

任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹械蛪汗╇娤到y(tǒng)繼電保護(hù)和弧光保護(hù)。