電弧光及保護系統簡(jiǎn)介

1.1概述

在中、低壓母線(xiàn)短路故障中，重點(diǎn)設備和人員傷害主要由電弧光引起，然而，大多數中低壓母線(xiàn)沒(méi)有設置快速母線(xiàn)保護，而只是采用了簡(jiǎn)單的消弧裝置和變壓器后備保護。這些保護智能化較低，動(dòng)作速度慢，往往會(huì )延長(cháng)故障切除時(shí)間，從而進(jìn)一步擴大設備損壞程度，甚至會(huì )引起“火燒連營(yíng)”的惡性事故，沖擊變壓器一次運行，影響整個(gè)電網(wǎng)的安全運行。

弧光保護系統是我公司根據實(shí)際情況，吸收電弧光保護的特點(diǎn)，結合行業(yè)檢測及保護配置相關(guān)規程，自主研發(fā)出具有獨特創(chuàng )新技術(shù)、具有廣泛實(shí)用性、高可靠性的新型電弧光保護系統。采用弧光檢測和過(guò)電流檢測雙判據原理，具有保護動(dòng)作速度快、可靠性高等特點(diǎn)。

1.2電弧光產(chǎn)生的原因

引起開(kāi)關(guān)柜弧光短路故障的原因很多，一般分為以下五類(lèi)

1）絕緣故障：主要是柜中絕緣材料爬距不足，未滿(mǎn)足加強絕緣要求，在臟污環(huán)境，天氣潮濕下發(fā)生絕緣故障。另外，由于絕緣材料材質(zhì)缺陷，運行年限較長(cháng)的開(kāi)關(guān)柜，在強電磁場(chǎng)作用下絕緣老化，也可能造成絕緣損壞而導致故障。

2）載流回路不良：由于一些接頭截面不夠，緊固螺栓松動(dòng)，手車(chē)柜觸頭接觸不良，在大電流流過(guò)時(shí)引起發(fā)熱，冒火進(jìn)而引起相間，相對地擊穿等等。

3）外來(lái)物體的進(jìn)入：如小動(dòng)物（老鼠等）進(jìn)入開(kāi)關(guān)柜內部，或維修人員在工作完成后將工具遺留在開(kāi)關(guān)柜內。

4）認為操作錯誤：如走錯間隔，誤操作，未對工作區域進(jìn)行接地，未對工作區域進(jìn)行驗電等。

5）系統方面的原因：如系統容量增大，接地方式改變，電纜應用增多，保護及自控裝置配置不當，系統諧振過(guò)電壓等。

1.3電弧光的危害

開(kāi)關(guān)柜內的發(fā)生短路弧光的功率可高達100MW，電弧燃燒所產(chǎn)生的能量與電弧的燃燒時(shí)間及短路電流變化值呈指數倍增長(cháng)（如下圖所示），燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓將會(huì )逐步摧毀元器件、銅排以及成列的開(kāi)關(guān)柜，高明亮的弧光和有毒氣體對人體也有巨大的傷害。

要保證設備不受結構性損傷，必須盡量縮短切除時(shí)間。

以下為資料介紹的各種燃弧時(shí)間長(cháng)短和對設備造成的損壞程度的評估：

1.4電弧光保護系統作用及應用領(lǐng)域

電弧光保護系統，可以起到以下作用：

減少或降低電弧光對于人體的傷害；

減少或降低電弧光短路故障對于設備的損害；

避免變壓器因近距離母線(xiàn)故障造成動(dòng)穩定破壞，延長(cháng)變壓器的使用壽命；

縮短電弧光故障切除時(shí)間，避免波及站內直流系統造成重大損失；

減少因電弧光故障造成設備停運的時(shí)間，更快地恢復供電；

電弧光保護系統，主要應用于以下場(chǎng)合：

1）電力變電站

2）火電廠(chǎng)電氣段開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)室及饋線(xiàn)柜

3）風(fēng)電場(chǎng)升壓站集電線(xiàn)路開(kāi)關(guān)柜

4）箱式變電站

5）鋁鎂行業(yè)大型直流整流柜

本系統具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

滿(mǎn)足電磁兼容（EMC）標準；

符合繼電保護設計標準要求；

采用過(guò)流及弧光雙重判據；

新型光纖連接傳輸，光電轉換在裝置內完成，抗電磁干擾能力好；

采用過(guò)濾干擾光的新型弧光傳感器，具有過(guò)濾干擾光的功能，避免可見(jiàn)光傳感器受環(huán)境光照影響引起誤動(dòng)；

出口跳閘時(shí)間小于10ms，遠快于傳統的母線(xiàn)保護，對開(kāi)關(guān)柜的內部弧光故障總切除時(shí)間可以控制在75ms以?xún)龋?/span>

全漢字顯示，操作習慣和傳統數字式保護一致；

跳閘出口邏輯可編程；

弧光傳感器動(dòng)作值三檔可調；

電弧光保護系統的組成

2.1目前用于中、低壓系統的保護及其局限性

1）變壓器后備過(guò)流保護，典型的保護動(dòng)作時(shí)間為1.2s~2s。

2）采用饋線(xiàn)速斷保護閉鎖變壓器后備過(guò)流保護，典型的保護動(dòng)作時(shí)間為300ms~500ms。

3）高阻抗母線(xiàn)差動(dòng)保護，典型的保護動(dòng)作時(shí)間為30ms~50ms。

上述保護均有致命的弱點(diǎn)就是動(dòng)作時(shí)間太慢，根據電弧光危害示意圖所示，保護裝置動(dòng)作時(shí)間不能超過(guò)20ms，否則會(huì )產(chǎn)生不可修復的器件損壞，從而延長(cháng)故障修復時(shí)間。

2.2本系統技術(shù)優(yōu)勢

1）、動(dòng)作迅速：

   采用了快速算法，可以在短時(shí)間內判斷弧光變化信號和電流變化信號并迅速出口，從發(fā)現故障到出口跳閘時(shí)間間隔優(yōu)于10ms，確保開(kāi)關(guān)柜內設備的弧光在75ms以?xún)惹谐?/span>

2、全數字化設計：

本裝置采用全數字化設計，配置靈活，而且排除了由于旋鈕或其他機械設計導致的誤差隱患。

3、保護原理簡(jiǎn)單、合理

   根據弧光產(chǎn)生時(shí)的特點(diǎn)，裝置采用弧光和電流雙重判據，判據簡(jiǎn)單且可以保證動(dòng)作的準確性。

4、強大的電氣性能：

弧光探頭設計、連接線(xiàn)等全部采用耐高溫、阻燃的高分子材料，具有電氣隔離效果。裝置滿(mǎn)足EMC的標準，保證了弧光保護系統的整體穩定性和動(dòng)作的可靠性。

5、故障信息記錄全面

在故障弧光發(fā)生并引起裝置跳閘后，主控單元或饋線(xiàn)保護單元可以準確的記錄弧光探頭檢測到故障弧光的位置信息，且可以詳細記錄動(dòng)作時(shí)刻的三相電流值。

2.3弧光保護系統組成

弧光保護系統主要由主控單元（含弧光采集單元）和弧光傳感器組成，為了適應現場(chǎng)的應用需求，分為了母線(xiàn)型弧光保護系統和饋線(xiàn)型弧光保護系統。如下圖所示：

圖2  弧光保護系統結構示意圖

2.3.1 主控單元

主控單元是母線(xiàn)型弧光保護系統的核心。它檢測分析故障信號、接收分析采集單元的弧光故障信號，并對兩種信號進(jìn)行綜合分析判斷。在滿(mǎn)足跳閘條件時(shí)，發(fā)出跳閘指令以切除故障。

   主控單元一般安裝在進(jìn)線(xiàn)柜或緊鄰進(jìn)線(xiàn)柜的開(kāi)關(guān)柜的二次控制門(mén)板上。主控單元有：

1）16個(gè)弧光信號檢測接口，用于接收來(lái)自弧光傳感器的弧光故障信號；

2）2路RS485；

3）4路快速跳閘輸出接口，符合IEC255-23繼電器標準。

4）2路報警出口，其中一路為裝置故障出口。

5）12路電流輸入，檢測4組三相電流信號，用于判斷故障電流。

6）主控單元可以根據客戶(hù)需要擴展弧光采集單元、或者電流單元

2.3.2 弧光擴展采集單元

弧光擴展采集單元與主控單元配合使用，是弧光保護系統的重要組成部分，主要用于采集故障弧光，并將判斷后的結果通過(guò)高速總線(xiàn)傳遞給主控單元。單個(gè)弧光采集單元可以安裝16路弧光探頭，根據系統的大小可以任意增減弧光采集單元的數量?；」獠杉瘑卧ǔ０惭b在選定的開(kāi)關(guān)柜內中?；」獠杉瘑卧哂?/span>

1）16個(gè)弧光信號檢測接口，用于接收來(lái)自弧光傳感器的弧光故障信號；

2）2個(gè)數據通訊接口，1路RS485，1路CAN總線(xiàn)；

2.3.3 弧光傳感器

弧光傳感器中的探頭安裝在柜內各間隔中，可實(shí)現由簡(jiǎn)單到復雜、有選擇性的保護?；」馓筋^作為光感應元件，在發(fā)生弧光故障時(shí)檢測突然增加的光強。主流應用分為光纖式弧光傳感器和電纜式弧光傳感器兩種。

1）光纖式弧光傳感器

光纖式弧光傳感器，前置探頭采集弧光信號中的特有光譜信息，并通過(guò)專(zhuān)用光纖將光信號傳送給弧光采集單元或主控單元，弧光單元或主控單元完成光信號的分析處理與采集。

2）電纜式弧光傳感器

電纜式弧光傳感器，前置探頭采集弧光信號中的特有光譜信息，并在探頭處完成光信號與電信號的轉換，輸出4-20mA的電流信號傳送給弧光單元或弧光保護主控單元。

2.4 技術(shù)特點(diǎn)

本系統具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

滿(mǎn)足電磁兼容（EMC）標準；

符合繼電保護設計標準要求；

采用過(guò)流及弧光雙重判據；

新型光纖連接傳輸，光電轉換在裝置內完成，抗電磁干擾能力強；

采用過(guò)濾干擾光的新型弧光傳感器，具有過(guò)濾干擾光的功能，避免可見(jiàn)光傳感器受環(huán)境光照影響引起誤動(dòng)；

出口跳閘時(shí)間小于10ms，快于傳統的母線(xiàn)保護，對開(kāi)關(guān)柜的內部弧光故障總切除時(shí)間可以控制在75ms以?xún)龋?/span>

全漢字顯示，操作習慣和傳統數字式保護一致；

跳閘出口邏輯可編程；

弧光傳感器動(dòng)作值三檔可調；

2.5.裝置原理說(shuō)明

1）電弧光保護功能

電弧光保護以電流單元為基礎分組，弧光探頭可以整定關(guān)聯(lián)到任意一組電流信號上。

當弧光單元把光信號從弧光傳感器傳輸到主控單元時(shí)，并且同時(shí)電流啟動(dòng)元件動(dòng)作，電弧光保護動(dòng)作；裝置可選擇弧光信號動(dòng)作單判據作為動(dòng)作邏輯判斷。

圖3  電弧光保護邏輯圖

2) 裝置自檢

當裝置檢測到本身硬件故障時(shí)，發(fā)出告警信號，同時(shí)閉鎖整套保護。硬件故障包括：采樣回路故障、RAM出錯、定值出錯等。