【摘 要】在電力系統(tǒng)中，變電站的中低壓母線是配電網(wǎng)中重要組成部分，由于多方面的原因，中低壓母線的故障幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高壓母線。目前中低壓母線由于多方面原因沒(méi)有裝設(shè)快速母線保護(hù)。本文針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種新型電弧光保護(hù)系統(tǒng)，來(lái)解決目前中低壓母線無(wú)快速保護(hù)的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】中低壓母線；快速母線保護(hù)；電弧光保護(hù)系統(tǒng)

0.引言

在電力系統(tǒng)中，變電站的中低壓母線是配電網(wǎng)中重要組成部分，然而，中低壓母線由于出線多，操作頻繁，容易受小動(dòng)物危害，設(shè)備制造質(zhì)量，人為和操作錯(cuò)誤等原因，中低壓母線的故障幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高壓、超高壓母線。近年來(lái)，發(fā)生多起由中低壓母線故障造成開(kāi)關(guān)設(shè)備嚴(yán)重?zé)龤В械纳踔涟l(fā)展成“火燒連營(yíng)”的事故。而主變壓器由于遭受中低壓側(cè)母線故障短路電流沖擊損壞的事故也逐年增加。這些配網(wǎng)事故處理不當(dāng)甚至被擴(kuò)大發(fā)展為輸電網(wǎng)事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，現(xiàn)已引起了各電力公司的廣泛關(guān)注。究其原因大多是因?yàn)闆](méi)有裝設(shè)中低壓母線保護(hù)，未能快速切除故障造成的。

1.電弧的產(chǎn)生及危害

1.1電弧現(xiàn)象產(chǎn)生

電弧的形成是由中性質(zhì)子（如空氣中的分子、原子等）被游離的過(guò)程。絕緣空間內(nèi)高強(qiáng)度電場(chǎng)超過(guò)3×10^6V/m時(shí)，就會(huì)發(fā)生強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射和碰撞游離現(xiàn)象，造成整個(gè)空間都充滿了自由電子和正離子，具有很大的電導(dǎo)，絕緣介質(zhì)被擊穿產(chǎn)生了電弧現(xiàn)象，電路再次被導(dǎo)通[1]。電力系統(tǒng)由于各種的短路原因可引起弧光，只要系統(tǒng)中不斷電，弧光就會(huì)一直存在。

1.2弧光危害

1.2.1弧光故障對(duì)人員的傷害

1.2.2弧光故障對(duì)設(shè)備的傷害

1.3電弧光破壞的能力及目前電力設(shè)備所能承受的程度

1.3.1電弧故障的危害程度取決于電弧能量及持續(xù)的時(shí)間，電弧產(chǎn)生的能量與I^2·T成指數(shù)規(guī)律快速上升?？偳谐龝r(shí)間大于100ms，將會(huì)對(duì)設(shè)備造成不同程度的損害。如下圖所示[1]。

電弧的能量及破壞作用圖

1.3.2電力設(shè)備所能承受的電弧時(shí)間

目前，各生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)柜都是IEC298標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)的，在標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了內(nèi)部燃燒的時(shí)間為100ms，也是就是說(shuō)開(kāi)關(guān)柜所能承受的電弧燃燒時(shí)間為100ms。從繼電保護(hù)的角度來(lái)說(shuō)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間加上斷路器跳閘時(shí)間不應(yīng)超過(guò)100ms。燃燒的損壞程度如下表[2]。

中低壓母線發(fā)生短路故障時(shí)的短路電流對(duì)變壓器會(huì)造成嚴(yán)重的沖擊。目前國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：110kV及以上電壓等級(jí)的變壓器的熱穩(wěn)定允許時(shí)間為2秒，動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間為0.25秒。如果保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間超過(guò)動(dòng)穩(wěn)定的時(shí)間就有可能造成變壓器繞組絕緣破壞或燒毀，從而造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。

2.現(xiàn)有針對(duì)中低壓母線電弧光故障的處理方案

2.1改進(jìn)制造工藝上，提高設(shè)備質(zhì)量，從而達(dá)到提高承受燃燒能力

主要采取的科學(xué)手段如：加強(qiáng)開(kāi)關(guān)柜的結(jié)構(gòu)，密封隔離各單元室、設(shè)置釋放板和泄壓通道等。采用這些措施只能減少很小的損壞程度，效果不理想；然而要較大地提高開(kāi)關(guān)柜的燃弧耐受時(shí)間的話，則需要增加很大的設(shè)備成本，嚴(yán)重影響了企業(yè)和電力客戶的利益。下表為國(guó)外對(duì)增加開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部燃弧耐受時(shí)間和相應(yīng)增加成本進(jìn)行評(píng)估的結(jié)果。

2.2繼電保護(hù)方面采取的措施

2.2.1采取變壓器后備復(fù)壓過(guò)流保護(hù)來(lái)切除故障

這是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的中低壓母線保護(hù)解決措施。由于考慮到與出線及母線分段（母聯(lián)）開(kāi)關(guān)的保護(hù)配合的問(wèn)題，變壓器后備復(fù)壓過(guò)流保護(hù)保護(hù)跳閘時(shí)間一般整定為1.2秒左右，有的甚至更長(zhǎng)，達(dá)2.0秒以上。這一動(dòng)作速度很顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足快速切除中低壓母線弧光故障的要求。但其是最經(jīng)濟(jì)的方案，可犧牲了保護(hù)的快速性。

2.2.2 采取常規(guī)母線差動(dòng)保護(hù)的方案來(lái)切除故障

這是特別重要變電站采用的專用電流差動(dòng)的中低壓母線保護(hù)方案，典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為35-60ms，考慮到斷路器的分閘時(shí)間，這一動(dòng)作速度對(duì)要求100ms 以內(nèi)切除故障來(lái)說(shuō)也是很慢的。采用這種方案的接線復(fù)雜，對(duì)CT的要求高，很不經(jīng)濟(jì)。因此也不適合中低壓母線保護(hù)應(yīng)用。

3.一種新型電弧光保護(hù)系統(tǒng)更換好解決了中低壓母線故障問(wèn)題

據(jù)報(bào)道，我國(guó)電力系統(tǒng)中每年中低壓手車(chē)柜就有幾百面被燒毀。究其原因大多是因?yàn)槲茨芸焖偾谐收显斐傻摹，F(xiàn)在出現(xiàn)了一種新型電弧光保護(hù)系統(tǒng)，就很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

3.1 保護(hù)基理

3.1.1保護(hù)原理

電弧光保護(hù)系統(tǒng)是通過(guò)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)發(fā)生故障時(shí)發(fā)出的電光來(lái)判斷是否發(fā)生故障?；」馐请娀〉淖蠲黠@且變化最快的特征物理量，因而電弧光保護(hù)具有超高速的動(dòng)作性能，整套保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間可以保證在十毫秒內(nèi)，對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的故障保護(hù)來(lái)說(shuō)，這種超高速動(dòng)作性能是最重要的，因此可利用弧光傳感器感受光的變化動(dòng)作跳閘出口繼電器。為了避免外界光干擾引起的誤跳閘，當(dāng)檢測(cè)到弧光信號(hào)時(shí)，同時(shí)檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)才發(fā)出跳閘指令，從而進(jìn)一步提高了保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

保護(hù)邏輯動(dòng)作框圖

3.1.2保護(hù)系統(tǒng)主要組成

（1）硬件組成：

其主要由：主控單元、弧光單元、弧光擴(kuò)展單元、電流單元、弧光探頭（傳感器）等組成。

主控單元包：含有電流檢測(cè)和斷路器失靈保護(hù)，它通過(guò)檢測(cè)短路電流和來(lái)自弧光傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理、判斷，發(fā)出跳閘命令切除故障。在進(jìn)線斷路器未能動(dòng)作切除故障時(shí)，它將啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)邏輯，發(fā)出跳閘指令給上級(jí)斷路器切除故障。此外，主控單元還提供弧光故障點(diǎn)的定位和溫度報(bào)警信息。

弧光單元和弧光擴(kuò)展單元：用于連接主控單元和弧光傳感器。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生弧光故障時(shí)，收集來(lái)自弧光傳感器的數(shù)據(jù)并傳送給主控單元。

弧光探頭（傳感器）：是一種光感應(yīng)元件。當(dāng)發(fā)生故障有弧光的產(chǎn)生時(shí)，弧光傳感器將感受到弧光信號(hào)傳遞給弧光單元?；」鈧鞲衅靼惭b在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，監(jiān)視那些脆弱而又重要部件。如開(kāi)關(guān)柜母線間隔，開(kāi)關(guān)柜下部CT和PT部件，電纜連接頭等。

（2）保護(hù)系統(tǒng)通訊方式：

系統(tǒng)采用光纖星型連接方式，主控單元和電流單元、弧光單元、弧光擴(kuò)展單元、弧光擴(kuò)展單元之間采用通信光纜連接。本系統(tǒng)通過(guò)主控單元和站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)通信，主控單元可配2 路以太網(wǎng)，支持部頒IEC60870-5-103 等通信規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)，方便地接入站內(nèi)綜自系統(tǒng)。

弧光保護(hù)系統(tǒng)配置圖

3.1.3 保護(hù)定值的整定，保證保護(hù)可靠性

（1）弧光定值整定：

電弧光保護(hù)系統(tǒng)的弧光動(dòng)作整定值為8000Lux（Lux是單位面積上所接受可見(jiàn)光的能量，簡(jiǎn)稱照度）。故障時(shí)出現(xiàn)弧光的照度在6-7米的距離為9000 lux，其所包含的光譜為波長(zhǎng)300-1500nm的光波。與其它光源有著本質(zhì)的區(qū)別。

常見(jiàn)光源的照度表

（2）電流定值整定：

過(guò)電流的動(dòng)作整定主要考慮躲過(guò)進(jìn)線的最大負(fù)荷，一般整定為（1.05-1.2）倍最大負(fù)荷為宜。

3.2與傳統(tǒng)的母線保護(hù)快速性對(duì)比

4.結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，電力系統(tǒng)配電網(wǎng)容量的逐漸增大，中低壓母線故障對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響越來(lái)越嚴(yán)重。各種新型母線保護(hù)原理和裝置不斷出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)中低壓專用母線保護(hù)提供了各種解決方案。電弧光保護(hù)，其原理簡(jiǎn)動(dòng)作迅速可靠，對(duì)變電站開(kāi)關(guān)柜設(shè)備無(wú)特殊要求，適應(yīng)于各種運(yùn)行方式等特點(diǎn)。其有著很好的應(yīng)用遠(yuǎn)景，但也需要在實(shí)際應(yīng)用中不斷地去總結(jié)、去完善提高。

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱根良.中壓開(kāi)關(guān)事故調(diào)查中有關(guān)弧光短路等技術(shù)問(wèn)題討論.高奪開(kāi)關(guān)技術(shù)通訊，2008，（6）.

[2]段紹輝.10KV高壓開(kāi)關(guān)柜事故情況綜合分析.廣東省電機(jī)工程學(xué)會(huì)，1997.