安科瑞 陳聰

摘要：近年來(lái)，中低壓開(kāi)關(guān)柜的使用越來(lái)越普遍。在此過(guò)程中，確保開(kāi)關(guān)柜平穩運行至關(guān)重要。并在此基礎上，闡述了由此產(chǎn)生的弧光和電弧事故的危險性，引入弧光保護及母線(xiàn)保護的特點(diǎn)必要性分析，闡述了弧光保護系統的原理和結構。工程實(shí)例證明，弧光保護在中弧光中低壓開(kāi)關(guān)柜占重要地位。

關(guān)鍵詞：弧光保護;開(kāi)關(guān)柜;過(guò)流保護;光傳感器

0引言

低壓和中壓開(kāi)關(guān)柜是一種配電基礎設施，每年消耗大量電力。中低壓開(kāi)關(guān)柜中弧光放電是非常嚴重的事故。由于電弧電阻過(guò)高，故障電流無(wú)法達到固定保護值，無(wú)法快速關(guān)閉電源。在某些情況下，延遲可能導致無(wú)法快速切斷故障，弧光故障電流即使達到保護起始值也是如此?；」夥烹姴粌H會(huì )導致斷電，而且還會(huì )對許多設備造成不可逆的傷害和人身傷害，可能導致無(wú)法估量的損壞。

1. 電弧的產(chǎn)生機理

中低壓開(kāi)關(guān)柜是電力和配電的重要基礎設施。近年來(lái)，他們的使用逐漸增加。這對于確保中低壓開(kāi)關(guān)柜的可靠性和安全運行以及減少電氣事故的損壞至關(guān)重要。對于許多類(lèi)型的弧光放電來(lái)說(shuō)，電氣事故是中低壓開(kāi)關(guān)柜的嚴重事故。如果使用了電弧電阻，則不需要調整限制電流來(lái)設置保護值，這是無(wú)法停切斷故障。在某些情況下，即使弧光法的電流與保護的初始值相符，延遲也會(huì )妨礙及時(shí)消除干擾，因此可能會(huì )弧光放電問(wèn)題，在這種情況下，不僅會(huì )導致停電，而且還會(huì )對設備和員工造成嚴重影響，這可能會(huì )對企業(yè)造成嚴重影響。由于放電過(guò)程中兩點(diǎn)之間的電壓大于介質(zhì)的電阻電壓，因此只要有足夠的能量補償熱量損失和溫度合適，電弧就會(huì )保持不變。例如，10kvV系統的弧光放電過(guò)程如圖1所示。當導體之間的絕緣不足時(shí)，產(chǎn)生弧光是分子和原子在特定環(huán)境中游離的過(guò)程。附近的正負電子加速運動(dòng)，并與其他空氣分子和原子碰撞，同時(shí)產(chǎn)生電弧光和高熱量。

圖1 10kV弧光放電的物理機理圖

1. 電弧事故危害

弧光可高達4500℃溫度，內部可高達10000-20000℃?？諝饣」夤β蕿?0mW，弧的強照明強度2000多倍以上。因此，不及時(shí)對電弧產(chǎn)生采取措施可能會(huì )造成損害。

1.人身危險。電弧造成的傷害主要體現在以下幾個(gè)方面:1.熔化金屬粒子進(jìn)入人體皮膚，導致皮膚金屬化；2.弧光強度高可能導致眼睛損傷和角膜脫落。；3.高溫下粉塵和有毒氣體可能會(huì )損害身體的呼吸道；4.當弧光電流人體有一定影響時(shí)，肌肉意外收縮，損害皮膚、血管和神經(jīng)。

2.設備的危險。產(chǎn)生電弧時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量高溫條件氣體，且變形或破碎開(kāi)關(guān)柜。此外，燃燒振動(dòng)波會(huì )導致其劇烈振動(dòng)，緊固件松動(dòng)或脫落。此外，在高溫下可能會(huì )出現電纜燃燒等問(wèn)題，在較大的情況下，開(kāi)關(guān)柜外殼中的金屬可能會(huì )熔化，從而導致火災事故。

3設置弧光保護的必要性

我國開(kāi)關(guān)柜有幾種母線(xiàn)保護方法。

1.變壓器過(guò)流保護:：低成本，保護開(kāi)關(guān)IEC 298不能滿(mǎn)足100 ms的低壓1-2sS時(shí)，母線(xiàn)故障切除。

2.饋線(xiàn)過(guò)流保護閉鎖:：使用高性能工程微米芯片進(jìn)行分析、數據采集和命令執行，運行速度為300-400ms，不符合IEC298中低壓電母線(xiàn)源100ms故障的要求。

3.母差保護:：典型動(dòng)作為35.60ms時(shí)間，一般故障響應時(shí)間隨100ms和基本快速性要求而變化，但也存在一些問(wèn)題，如保護能力較小，復雜接線(xiàn)，較高要求電流互感器，無(wú)法提供關(guān)鍵故障點(diǎn)。母線(xiàn)的保護要求未得到滿(mǎn)足，實(shí)際上電流互感器飽和會(huì )造成保護干擾，不符合裝置范圍的要求，限制了保護的應用。開(kāi)關(guān)柜發(fā)生弧光故障瞬間時(shí)，弧形保護系統可以快速檢測并輸出跳閘信號。瞬間脫扣(（斷路器)），切斷電源，使電弧消失，并減少因弧光故障而造成的損壞。電弧持續時(shí)間小于100ms，無(wú)論是弧光+電流雙判據。傳統電源保護的運行時(shí)間超過(guò)100ms。為此，在開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)保護中促進(jìn)弧光保護很重要。

4弧光保護原理及系統構成

1.弧光保護原理。是由一個(gè)有缺陷的弓引起的弧光，但從弧光故障到弧光檢測，速度非?？?，不足1ms。電流保護為了提高可靠性，增加故障電流通常還應考慮，發(fā)出跳閘命令。

2.系統結構。如圖2所示，弧光系統主要由輔助單位組成，如主控單元、弧光檢測和連接I/oO?；」鈧鞲衅魑挥陂_(kāi)關(guān)中的任何位置，根據實(shí)際物理位置進(jìn)行保護調節，要查看主單元弧光的誤差位置，請執行操作，從而縮短斷電時(shí)間，實(shí)現電流的快速恢復?；」鈧鞲衅骺梢杂靡环N或多種方式弧光傳感器沿開(kāi)關(guān)設備的不同室分布。電弧傳感器覆蓋一個(gè)或多個(gè)室傳感器為單點(diǎn)或光纖線(xiàn)式。

圖2弧光保護系統示意圖

單個(gè)傳感器只能捕獲小區域中的光，有光電和光單點(diǎn)傳感器。傳感器光電單點(diǎn)于光電管中進(jìn)行光學(xué)轉換。使用這些傳感器時(shí)，應考慮放置傳感器時(shí)的EMI和ESD問(wèn)題。光單點(diǎn)傳感器根據透明材料捕獲光源，并使用光纖將其傳遞給光接收器。傳感器單點(diǎn)式也得激活脈搏。脈搏信號是發(fā)射機發(fā)送給光接收機的光脈沖信號。脈搏信號用于確定光學(xué)接收機是否工作正常，光纖傳感器通常由環(huán)形組成。捕獲光源并將其傳遞給接收器。光纖通道傳感器與單點(diǎn)式相比，在光纖線(xiàn)式傳感器較大區域采集光。此傳感器還具有脈搏功能。理想的光學(xué)傳感器具有較低的傳輸速度和較高的捕獲效率，通常采用POF或玻璃光纖。對于POF和PCS，外層是透明的或被移除的。由于光纖通道傳感器可以檢測單個(gè)設備或多個(gè)設備中的多個(gè)單元，因此可以通過(guò)減少光纖電纜長(cháng)度的傳感器數量來(lái)降低系統保護成本。但是光纖產(chǎn)品的長(cháng)度取決于接收機的靈敏度。由于單點(diǎn)傳感器的主要特點(diǎn)，這兩種傳感器都有缺點(diǎn)，并應用于弧光檢測?！氨徽趽躏L(fēng)險"表示光傳感器是否可能位于開(kāi)關(guān)設備的“被遮擋風(fēng)險"，從而存在傳感器能夠捕獲光的風(fēng)險。由于光纖通道傳感器的范圍很廣，傳感器沒(méi)有被被遮擋危險。單點(diǎn)傳感器用于弧光檢測，比光纖傳感器敏感得多。但是，光纖線(xiàn)式傳感器的靈敏度部分取決于光纖的物理特性。此外，光纖傳感器可以從單個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)中的多個(gè)光纖識別，而不能實(shí)現到單點(diǎn)傳感器。

3.關(guān)鍵性能和特點(diǎn)。（1）電磁兼容符合國家繼電器質(zhì)量監督(EMC)標準。（2）符合繼電保護建設準則。（3）通過(guò)弧光和過(guò)流雙判可靠運行。（4）無(wú)源弧光探頭直接連接到光纖端口，干擾能力強抗電磁。（5）基于實(shí)際電路的可編程性和可擴展性。(6)可根據需要調整弧光感光度和過(guò)流值。(7)故障原因，準確其位置。

5安科瑞 ARB5系列弧光保護的原理及系統組成

弧光保護裝置通過(guò)弧光+電流突變量雙重判據或弧光單判據啟動(dòng)保護，其動(dòng)作時(shí)間為

弧光單判據動(dòng)作時(shí)間≤7ms；

弧光+電流雙判據時(shí)間≤20ms。

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、弧光光纖以及尾纖等配件構成。

6、弧光保護應用案例

A化工廠(chǎng)110/10kV變電站10kvV I類(lèi)具有與Ⅱ段相同的弧光保護，I段母線(xiàn)L1、N線(xiàn)組發(fā)生接地故障，逐漸發(fā)展為L(cháng)1和L2之間的短路。如果確定了弧光保護并且確定了故障電流，則I段母線(xiàn)10kV的線(xiàn)路斷路器將被切斷。當故障得到糾正和驗證時(shí)，弧光保護裝置的決定和保護是正確的，其保護操作及時(shí)執行，供電會(huì )盡快重新恢復。

弧光保護既簡(jiǎn)單又及時(shí)，它對于防止停電和盡量減少傷害和設備損壞以確保電力設備安全可靠地運行至關(guān)重要。為此，有關(guān)技術(shù)人員應加強技術(shù)研究，使他們能夠在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

參考文獻：

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[2] 周怡．電弧光保護作為母線(xiàn)主保護在中低壓開(kāi)關(guān)柜的應用和討論［J]供用電，2019(12).

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