探索與創(chuàng)新：新型配電系統(tǒng)弧光防護裝置的研發(fā)與應用策略

摘要：根據(jù)繼電保護快速性的要求，提出了通過光纖探頭采集配網(wǎng)開關柜故障時產生的弧光放電，再通過保護單元來實現(xiàn)快速的切除開關柜內部故障這一切入點，研究快速切除開關柜柜內短路故障的新型配電弧光保護裝置，可以保護配網(wǎng)運維人員人身和開關柜及柜內設備的安全，當現(xiàn)場柜體中因短路故障產生弧光時，能夠做到快速判斷、切斷電源，減少停電范圍，提高供電效率，降低現(xiàn)場調試及維護工作量，縮短設備檢修及恢復供電時間，提高供電可靠性。

關鍵詞：配電；弧光保護；裝置；研究

1. 導言

長期以來，人們對中低壓母線的保護一直不夠重視，沒有專用保護來快速切除配電站所內部發(fā)生的故障，往往使故障發(fā)展擴大造成開關設備被嚴重燒毀，有的甚至發(fā)展成“火燒連營"的事故。同時，變電站的變壓器由于遭受外部短路電流沖擊造成內部損傷的事故也逐年增加，這些配網(wǎng)事故如果處理不當易被擴大發(fā)展為輸電網(wǎng)或變電設備事故，造成重大的經濟損失。究其原因大多是因為配電站所沒有裝設專用的中低壓母線保護，不能快速切除故障造成的。所以，為了保證上級變電站主變及配網(wǎng)開關柜母線開關設備的安全運行，根據(jù)繼電保護快速性的要求，迫切需要研發(fā)快速切除配電開關柜柜內故障的快速保護技術。

1. 研究內容

2.1總體思路

為有效減少電弧損傷，國外對各種燃弧持續(xù)時間進行試驗并得出對設備造成的損害程度，開關柜可以承受的電弧燃燒時間為100ms，電弧光產生后，其危害程度取決于電弧電流及切除時間，電弧產生的能量與I2t成指數(shù)規(guī)律快速上升。由于弧光故障在斷路器動作前，故障短路電弧是一直在燃燒的，只有在短時間內切除故障才能使設備不遭受損害。若總切除時間大于100ms，輕則設備局部燒損，重則造成開關柜爆炸以及人員傷亡。

目前，國內尚無用于配電開關柜母線的專用保護裝置，而用于變電站中、低壓母線的保護主要有三種，一種為變壓器后備過流保護，典型的保護動作時間1.2s～2.0s；一種為采用饋線過流保護閉鎖變壓器過流保護，典型的保護動作時間為300ms～500ms；另一種為采用環(huán)流原理的高阻抗母線差動保護，典型的保護動作時間為30ms～50ms，考慮到斷路器的分閘時間，切除故障時間大于100ms。均不滿足小于100ms的工作要求。

從實際應用情況來看，現(xiàn)有的保護方案是顯然不能滿足快速切除母線故障或保護覆蓋范圍要求的，變壓器后備過流保護動作時間過長，不能起到有效的保護作用，高阻抗母線差動保護范圍受CT安裝位置的限制，接線復雜，CT要求高，不能保護到發(fā)生故障幾率較高的電纜室電纜接頭處的故障，且總體造價昂貴。迫切需要采用一種新型中壓母線保護系統(tǒng)，以解決目前實際運行中由于中低壓母線發(fā)生故障幾率較高、延遲切除故障導致故障發(fā)展、擴大，從而造成的巨大的經濟損失的問題。

配電弧光保護裝置圓滿的解決了這一問題，該裝置根據(jù)檢測到的電弧光信號，在短時間內（<7ms保護動作出口）即可切除母線（及饋線）故障，可有效防止35kV和10kV母線和斷路器故障引起主變壓器損壞事故的發(fā)生，保障設備及人員安全，降低損失，現(xiàn)已應用于電力相關行業(yè)。

2.2裝置構成

配電弧光保護裝置是一種快速可靠的專用中低壓母線保護裝置，它采用檢測弧光和過流雙判據(jù)原理，具有原理簡單、動作可靠迅速、對變電站一次設備無特殊要求、適應于各種運行方式、且在各種運行方式下保護不需要切換等優(yōu)點，為目前發(fā)電廠、變電站、工業(yè)及商業(yè)配電系統(tǒng)380V～35kV中低壓母線保護理想的解決方案。配電弧光保護裝置是在長期電氣自動化產品設計研發(fā)的基礎上，吸收國外技術理念研制的新一代智能型弧光保護產品。主要包括弧光保護主單元、弧光采集單元、饋線保護和弧光傳感器等四個單元，分別介紹如下：2.2.1弧光保護主單元

主單元包含有電流檢測和斷路器失靈保護，它通過檢測短路電流和來自弧光傳感器的動作信息，并對收集的數(shù)據(jù)進行處理、判斷，發(fā)出跳閘信號以切除故障。該裝置只要在同時檢測到弧光和過流時才發(fā)出跳閘指令。在進線斷路器未能動作切除故障時，它將啟動斷路器失靈保護邏輯，發(fā)出跳閘指令給上游斷路器切除故障。此外，主單元根據(jù)采集單元傳送來的弧光傳感器的動作信息，提供弧光故障點的定位及報警信息。主單元接入若干弧光采集單元，并且可以支持RS485、以太網(wǎng)等多種接口方式，支持Profibus、ModBus、CAN、IEC103、IEC104等多種通訊規(guī)約。

2.2.2弧光采集單元

每個采集單元可接入8個弧光傳感器。采集單元的地址通過面板進行設定。當系統(tǒng)發(fā)生弧光故障時，采集單元收集來自弧光傳感器的動作信息并傳送給主單元，在主單元上顯示采集單元和弧光傳感器的地址編號，有利于及時檢修和排除故障。

2.2.3饋線采集單元

該單元作為饋線型弧光保護的單元獨立使用，每個單元可提供3個弧光采集輸入，采用探頭方式采集弧光，當饋線柜中發(fā)生弧光時跳開該饋線柜中的斷路器。

2.2.4弧光傳感器

弧光傳感器安裝在開關柜各間隔室中，可實現(xiàn)對由簡單到各種復雜接線中、低壓開關柜提供有選擇性的保護?；」鈧鞲衅髯鳛楣飧袘?，將檢測在發(fā)生弧光故障時突然增加的光強，并將光信號轉換成電流信號傳送給采集單元。

2.3裝置功能

配電弧光保護裝置是一種快速可靠的專用中低壓母線保護裝置，它采用檢測弧光和過流雙判據(jù)原理，具有原理簡單、動作可靠迅速、對配電站一次設備無特殊要求、適應于各種運行方式、且在各種運行方式下保護不需要切換等優(yōu)點，為目前電力系統(tǒng)380V～35kV中低壓母線保護提供了理想的解決方案，實現(xiàn)了對配網(wǎng)開關設備的弧光故障的監(jiān)測與保護，保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行；有效的增強了對變壓器、配電開關柜等設備的防護措施，消除了弧光產生故障可能對設備和人身產生的安全隱患：

1）全數(shù)字化設計，整定參數(shù)時無需撥碼開關及電位器等機械元件，精度高，無振動、磨損等隱患。

2）弧光信號可在采集單元之間串行傳輸，從而使監(jiān)測點的數(shù)量可任意增加，且大大減少了傳輸光纖的成本。

3）動作判據(jù)可設，動作判據(jù)可設置為弧光加電流或僅弧光。

4）弧光探頭330度大角度采集弧光信號，保證動作的準確性和可靠性。

5）定時發(fā)送光秒脈沖信號，檢測光纖回路是否有破損及斷開等故障隱患。

3.應用情況

基于該研究成果，在石家莊奧北公元小區(qū)開閉所安裝了14套配電弧光保護裝置，目前該配電弧光保護裝置運行穩(wěn)定可靠。配電站開關柜弧光保護系統(tǒng)的投入使用，消除了弧光產生故障可能對設備和人身產生的安全隱患，保護運維人員人身和開關柜及柜內設備的安全，可實現(xiàn)快速切除開關柜本體故障，能在開關柜耐受燃弧時間以內切除故障，從根本上限制故障電弧，將大限度地限制弧光故障對開關設備的損壞，并降低對配網(wǎng)運維人員的傷害。限制開關設備的損壞，即阻斷了故障發(fā)展的可能性，從而可避免上級變電站主變壓器長時間遭受短路電流的沖擊而損壞。配電弧光保護裝置有效的限制了弧光短路故障損壞開關設備及上級變壓器，為電力企業(yè)節(jié)省了對設備的大量維護費用，各方面提升生產現(xiàn)場的作業(yè)水平，達到安全生產的目的。

4.安科瑞 ARB5系列弧光保護的原理及系統(tǒng)組成

弧光保護裝置通過弧光+電流突變量雙重判據(jù)或弧光單判據(jù)啟動保護，其動作時間為

弧光單判據(jù)動作時間≤7ms；

弧光+電流雙判據(jù)時間≤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。

5.結語

配電弧光保護裝置為中低壓母線提供了一個理想的防護解決方案，可以保護運維人員人身和開關柜及柜內設備的安全，當現(xiàn)場柜體中產生弧光時，能夠做到快速判斷、切斷電源，減少停電范圍，保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，有效的增強了對變壓器、配電開關柜等設備的防護措施，提升了安全生產管理水平、社會和經濟效益，具備良好的應用效果和推廣前景。

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