安科瑞 陳聰

摘要：指出了電弧光產(chǎn)生的因素及危害，以光電式電弧光保護為例介紹電弧光保護系統的組成及特點(diǎn)，結合實(shí)際工程應用分析了電弧光保護的動(dòng)作邏輯及故障時(shí)保護的動(dòng)作過(guò)程，提出了作為一種新型保護裝置，電弧光保護原理簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠且速度較快，可以很好地應用于35kV及以下開(kāi)關(guān)柜保護中。

關(guān)鍵詞：電弧光；故障；保護

0引言

隨著(zhù)我國電力系統的發(fā)展，6～35kV開(kāi)關(guān)柜的應用數量越來(lái)越多，由開(kāi)關(guān)柜弧光短路故障引發(fā)低壓母線(xiàn)故障日益增多，弧光短路嚴重燒毀開(kāi)關(guān)設備的事故時(shí)有發(fā)生，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，這些事故若處理不當甚至會(huì )擴大發(fā)展為輸電網(wǎng)事故，造成重大經(jīng)濟損失。開(kāi)關(guān)柜IEC298標準規定內部燃弧耐受時(shí)間是100Ills，即開(kāi)關(guān)柜可承受的電弧燃燒時(shí)間為100ms。發(fā)生弧光故障，在斷路器動(dòng)作跳閘切斷故障前，短路電弧一直在燃燒，電弧燃燒的持續時(shí)間為保護動(dòng)作時(shí)間加斷路器跳閘時(shí)間之和。從開(kāi)關(guān)柜方面考慮，要求保護動(dòng)作時(shí)問(wèn)應小于100ms切除故障，以防止弧光短路故障進(jìn)一步發(fā)展擴大造成更大的損害。對于變壓器規定110kV及以上電壓等級的變壓器熱穩定允許時(shí)間為2．0S，動(dòng)穩定時(shí)間為0．25S。實(shí)際由于靈敏度等原因，變電站低壓側出口短路依靠主變壓器后備過(guò)流保護切除故障的動(dòng)作時(shí)間往往在2S以上，離0．25S的變壓器動(dòng)穩定時(shí)間相差甚遠，由此造成主變壓器的損壞，同時(shí)危及母線(xiàn)、開(kāi)關(guān)等設備。因此，為保證主變壓器及母線(xiàn)、開(kāi)關(guān)等設備的安全運行，有必要在變電站低壓開(kāi)關(guān)柜裝設快速、可靠的保護裝置。

1電弧光產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)

當兩電*問(wèn)電壓升高時(shí)，在電*最近處空氣中的正負離子被電場(chǎng)加速，在移動(dòng)的過(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”?？諝獗浑婋x的同時(shí)，溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧，這種放電稱(chēng)為電弧光放電。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。它產(chǎn)生的條件是小間隙和大電流，如果增加間隙或減小電流，電弧將會(huì )消失。產(chǎn)品因絕緣損壞、元件老化、過(guò)電壓、污染、腐蝕、柜體結構不合理、維護不到位、人為失誤等因素均可導致故障電弧光的產(chǎn)生。故障電弧發(fā)展迅速、破壞力大、*易傳播，電弧溫度超過(guò)10000℃，弧光的光強度可超過(guò)正常的照明光強2000倍。當發(fā)生電弧光短路故障時(shí)有兩個(gè)顯著(zhù)特征：電流，光強。

2電弧光保護介紹

電弧光保護是根據35kV及以下開(kāi)關(guān)柜故障時(shí)的特征而開(kāi)發(fā)的保護裝置，它采用檢測弧光和過(guò)流雙判據原理，具有原理簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠迅速、對變電站一次設備無(wú)特殊要求、適應各種運行方式、且在各種運行方式下保護不需要切換等優(yōu)點(diǎn)，是變電站低壓開(kāi)關(guān)柜很好的保護配置。本文主要以電弧光保護系統為例來(lái)介紹，該電弧光保護系統使用光纖檢測電弧光信號，配合過(guò)流判據，其快速繼電器(采用可控硅開(kāi)關(guān))出口時(shí)間小于1ms，而常規繼電器出口時(shí)間小于8ms，如果加上斷路器35～6Oms的跳閘時(shí)間，即能夠有效保護主變壓器及母線(xiàn)、開(kāi)關(guān)等設備。

2．1電弧光保護系統主要特點(diǎn)

a)采用弧光檢測及過(guò)流檢測雙判據原理，動(dòng)作可靠。

b)弧光檢測采用無(wú)源弧光探頭，光纖傳輸長(cháng)達100m，抗電磁干擾能力強。

c)采用光纖傳輸跳閘指令，可控硅開(kāi)關(guān)出口，動(dòng)作時(shí)間小于1ms。

d)顯示故障位置，便于故障處理，提高恢復供電速度。

2．2系統組成

主要由主控單元、弧光單元、電流單元組成，單元之間用光纜線(xiàn)和數據傳輸線(xiàn)連接。電弧光保護系統采用微處理器控制系統功能，通過(guò)編程可匹配不同的運行方式。

2．3各單元功能

2．3．1主控單元

管理控制整個(gè)系統，主控單元通過(guò)檢測過(guò)電流和弧光動(dòng)作信號，對收集的數據進(jìn)行處理、判斷，發(fā)出跳閘信號以切除故障。系統只有同時(shí)檢測到弧光和過(guò)流時(shí)才發(fā)出跳閘命令。僅有弧光動(dòng)作信號或者過(guò)電流信號，系統不會(huì )輸出跳閘命令，但是在主控單元上會(huì )顯示報警信號。

主控單元具備可編程邏輯功能，可直接操作4個(gè)斷路器。通過(guò)快速繼電器能夠同時(shí)操作更多的斷路器。主控單元有4個(gè)數據傳輸接口，每個(gè)接口可聯(lián)結6個(gè)弧光或電流單元，共可接24個(gè)弧光或電流單元。所有接口都能用不同的參數編程。通過(guò)主控單元中的顯示，可以準確判斷電弧光和過(guò)流的位置。

2．3．2弧光單元

通過(guò)安裝在開(kāi)關(guān)柜內的弧光傳感器(弧光探頭)，把弧光信號轉換為電信號輸出至主控單元，作為保護動(dòng)作的一個(gè)判據。

2．3．3電流單元

通過(guò)對進(jìn)線(xiàn)電流的檢測，把過(guò)電流信號輸出至主控單元，作為保護動(dòng)作的一個(gè)判據。

3實(shí)際應用分析

3．1某變電站35kV系統電弧光保護配置如圖1所示。

35kVI段、Ⅱ段各配置一套電弧光保護裝置BH1和BH2，兩套保護之間采用光纖通訊聯(lián)系。

圖1電弧光保護配置圖

兩套保護裝置分別安裝于1號及2號主變35kV開(kāi)關(guān)柜內，電弧光傳感器安裝在各開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)室內，以確保母線(xiàn)室內發(fā)生任何弧光故障時(shí)都能感受弧光，發(fā)出動(dòng)作信號。

3．2電弧光保護動(dòng)作邏輯分析

圖2為一臺電弧光保護裝置邏輯圖，對側另一臺弧光保護裝置邏輯圖與此相同。

圖2電弧光保護裝置邏輯圖

動(dòng)作分析如下。本側弧光信號動(dòng)作，H1動(dòng)作，同時(shí)本側過(guò)流起動(dòng)，Y2動(dòng)作，通過(guò)快速接點(diǎn)(可控硅開(kāi)關(guān))跳進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)。對側弧光信號動(dòng)作輸入本裝置，同時(shí)本側過(guò)流起動(dòng)，Y1動(dòng)作，通過(guò)快速接點(diǎn)(可控硅開(kāi)關(guān))跳分段開(kāi)關(guān)。本側弧光信號動(dòng)作、對側弧光信號動(dòng)作、本側

過(guò)流起動(dòng)任一條件滿(mǎn)足，H2動(dòng)作，裝置發(fā)弧光或過(guò)流報警信號。本側弧光信號動(dòng)作，H1動(dòng)作，經(jīng)SC1把該信號通過(guò)光纖傳至對側弧光保護裝囂，作為對側弧光保護動(dòng)作的一個(gè)判據。

3．3不同運行方式下保護動(dòng)作分析

如圖3所示。

圖3電弧光保護裝置動(dòng)作示意圖

3．3．1運行方式一

1DI3DI合位，2DI分位，由1號變帶I、Ⅱ段母線(xiàn)。如故障發(fā)生在K2處，l號保護裝置BH1收到2號保護裝置BH2發(fā)來(lái)的Ⅱ段弧光動(dòng)作信號，同時(shí)本側過(guò)流起動(dòng)，保護跳3DI切除故障。BH2由于本側電流不起動(dòng)，保護不動(dòng)作。動(dòng)作結果是切除Ⅱ段母線(xiàn)，l段正常供電。如故障發(fā)生在K1處，l號保護裝置BH1收到本側發(fā)的I段弧光動(dòng)作信號，同時(shí)本側過(guò)流起動(dòng)，保護跳1DI切除故障。BH2由于本側電流不起動(dòng)，保護不動(dòng)作。動(dòng)作結果是切除I、JI段母線(xiàn)。

3．3.2運行方式二

2DI、3DI合位，11)L分位，由2號變帶I、Ⅱ段母線(xiàn)。如果故障發(fā)生在K1處，2號保護裝置BH2收到1號保護裝置BH1發(fā)來(lái)的I段弧光動(dòng)作信號，同時(shí)本側過(guò)流起動(dòng)，保護跳3DL切除故障。BHJ由于本側電流不起動(dòng)，保護不動(dòng)作。動(dòng)作結果是切除I段母線(xiàn)，Ⅱ段正常供電。如果故障發(fā)生在K2處，2號保護裝置BH2收到本側發(fā)的Ⅱ段弧光動(dòng)作信號，同時(shí)本側過(guò)流起動(dòng)，保護跳2DI切除故障。BH1由于本側電流不起動(dòng)，保護不動(dòng)作。動(dòng)作結果是切除l、Ⅱ段母線(xiàn)。

3．3．3運行方式三

1DI2DI3DI合位，由1號、2號變同時(shí)帶I、Ⅱ段母線(xiàn)。如果故障發(fā)生在K1處，2號保護裝置BH2收到】_號保護裝置BH1發(fā)來(lái)的I段弧光動(dòng)作信號，同時(shí)本側過(guò)流起動(dòng)，保護動(dòng)作跳3DI；1號保護裝置BH1收到本側發(fā)的l段弧光動(dòng)作信號，同時(shí)本側過(guò)流起動(dòng)，保護動(dòng)作跳1DI。動(dòng)作結果是切除l段母線(xiàn)，Ⅱ段正常供電。如果故障發(fā)生在K2處，1號保護裝置BH1收到2號保護裝置BH2發(fā)來(lái)的Ⅱ段弧光動(dòng)作信號，同時(shí)本側過(guò)流起動(dòng)，保護動(dòng)作跳3DI；2號保護裝置BH2收到本側發(fā)的I1段弧光動(dòng)作信號，同時(shí)本側過(guò)流起動(dòng)，保護動(dòng)作跳2DI。動(dòng)作結果是切除Ⅱ段母線(xiàn)，I段正常供電?？梢?jiàn)，在各種運行方式下，電弧光保護裝置具有很好的選擇性，可以快速地切除故障點(diǎn)，同時(shí)保證正常母線(xiàn)供電。

4電弧光保護的整定及應用注意事項

4．1整定本保護裝置有兩個(gè)定值，即過(guò)電流定值、光強度定值。

過(guò)電流定值通過(guò)裝扳上的電位器整定，整定范圍是(50～500)×J，，為電流互感器二次額定電流值，裝置的額定電流可以設置為5A或1A。低壓側母線(xiàn)發(fā)生故障時(shí)短路電流可達到幾千乃至上萬(wàn)安培電流，出廠(chǎng)定值為250×。光強度定值通過(guò)裝置面板上的電位器整定，整定范圍是1O～50klux(1ux勒克司，照度單位，為距離一個(gè)光強1cd的光源，在1m處接受的照明強度)。當開(kāi)關(guān)柜發(fā)生弧光短路時(shí)，光強度可達到100klux，出r一定值為30klUX。當對保護裝置進(jìn)行試驗時(shí)，可將定值調為10klux，此時(shí)用*光手電筒近距離照射弧光傳感器探頭，可發(fā)出弧光動(dòng)作信號，試驗完畢應將定值調回。

4．2應用注意事項

光強度定值整定30klux時(shí)，一般的環(huán)境光線(xiàn)甚至強光手電筒照射也難以啟動(dòng)弧光傳感器，不必擔心弧光傳感器誤動(dòng)作。發(fā)生開(kāi)關(guān)柜區外出口附近短路時(shí)，短路電流很大，有可能過(guò)流起動(dòng)，但是沒(méi)有弧光動(dòng)作信號，保護裝置只是發(fā)出過(guò)流起動(dòng)信號而不跳閘出口，運行值班人員可以根據裝置面板上信號燈進(jìn)行分析判斷。同時(shí)本側過(guò)流起動(dòng)，保護動(dòng)作跳3DI；1號保護裝置BH1收到本側發(fā)的l段弧光動(dòng)作信號，同時(shí)本側過(guò)流起動(dòng)，保護動(dòng)作跳1DI。動(dòng)作結果是切除l段母線(xiàn)，Ⅱ段正常供電。如果故障發(fā)生在K2處，1號保護裝置BH1收到2號保護裝置BH2發(fā)來(lái)的Ⅱ段弧光動(dòng)作信號，同時(shí)本側過(guò)流起動(dòng)，保護動(dòng)作跳3DI；2號保護裝置BH2收到本側發(fā)的I1段弧光動(dòng)作信號，同時(shí)本側過(guò)流起動(dòng)，保護動(dòng)作跳2DI。動(dòng)作結果是切除Ⅱ段母線(xiàn)，I段正常供電?？梢?jiàn)，在各種運行方式下，電弧光保護裝置具有很好的選擇性，可以快速地切除故障點(diǎn)，同時(shí)保證正常母線(xiàn)供電。

5電弧光保護的整定及應用注意事項

5．1整定本保護裝置有兩個(gè)定值，即過(guò)電流定值、光強度定值。

過(guò)電流定值通過(guò)裝扳上的電位器整定，整定范圍是(50～500)×，，為電流互感器二次額定電流值，裝置的額定電流可以設置為5A或1A。低壓側母線(xiàn)發(fā)生故障時(shí)短路電流可達到幾千乃至上萬(wàn)安培電流，出廠(chǎng)定值為250×。光強度定值通過(guò)裝置面板上的電位器整定，整定范圍是1O～50klux(1ux勒克司，照度單位，為距離一個(gè)光強1cd的光源，在1m處接受的照明強度)。當開(kāi)關(guān)柜發(fā)生弧光短路時(shí)，光強度可達到100klux，出r一定值為30klux。當對保護裝置進(jìn)行試驗時(shí)，可將定值調為10klux，此時(shí)用*光手電筒近距離照射弧光傳感器探頭，可發(fā)出弧光動(dòng)作信號，試驗完畢應將定值調回。

5．2應用注意事項

光強度定值整定30klux時(shí)，一般的環(huán)境光線(xiàn)甚至強光手電筒照射也難以啟動(dòng)弧光傳感器，不必擔心弧光傳感器誤動(dòng)作。發(fā)生開(kāi)關(guān)柜區外出口附近短路時(shí)，短路電流很大，有可能過(guò)流起動(dòng)，但是沒(méi)有弧光動(dòng)作信號，保護裝置只是發(fā)出過(guò)流起動(dòng)信號而不跳閘出口，運行值班人員可以根據裝置面板上信號燈進(jìn)行分析判斷。

6安科瑞ARB6產(chǎn)品功能

注：√表示具備此功能，■表示可選功能。

6.1產(chǎn)品選型指標配置

6.2開(kāi)孔尺寸

6.2.1ARB6弧光保護裝置安裝位置和開(kāi)孔尺寸。

ARB6弧光保護裝置安裝時(shí)需考慮開(kāi)關(guān)柜安裝空間，與保護范圍內電源進(jìn)線(xiàn)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(xiàn)過(guò)長(cháng)，一般安裝于主變壓器中、低壓側進(jìn)線(xiàn)柜或TV柜柜門(mén)上，建議采用面板開(kāi)孔安裝。

ARB6弧光保護裝置外形和開(kāi)孔尺寸如下。（尺寸單位：mm）

左視圖正視圖開(kāi)孔圖

6.2.2ARB-S弧光探頭固定方式和開(kāi)孔尺寸

ARB-S弧光探頭固定在卡扣支架上，卡扣支架需要開(kāi)孔安裝?？壑Ъ艿拈_(kāi)孔尺寸為20mm（直徑）。

6.3探頭安裝位置

6.3.1母線(xiàn)室弧光探頭安裝

6.3.2手車(chē)室弧光探頭安裝

6.3.3電纜室弧光探頭安裝

7結束語(yǔ)

隨著(zhù)微機和光電技術(shù)的發(fā)展，各種新型原理的保護裝置不斷出現，電弧光保護作為一種針對低壓開(kāi)關(guān)柜故障特性開(kāi)發(fā)的保護裝置，原理簡(jiǎn)單，動(dòng)作進(jìn)行規范完善，并注重工作人員的技術(shù)培訓工作。在對行架結構比較復雜的線(xiàn)路進(jìn)行測溫時(shí)，要充分應用技術(shù)分析，選擇適當的測溫角度和測溫點(diǎn)，以減小測量誤差。同時(shí)要加強操作人員對設備的熟悉掌握程度，使工作人員能夠準確讀取紅外測溫儀上的讀數，確保測溫結果的正確性。

參考文獻：

[1]高衛東．電弧光保護系統及應用分析．

[2]劉萬(wàn)順．電力系統故 障分析 EM]．北京 ：中國電力出版社，1998： 2060．

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5（版）.