李云雙

摘 要：分析10kV開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生弧光短路故障的原因及危害，并在氧化鋁廠10kV配電系統(tǒng)中采用電弧光保護(hù)，以減少電弧光短路故障對(duì)開關(guān)柜的破壞作用，從而進(jìn)一步保證氧化鋁廠供電的可靠性。

關(guān)鍵詞：電弧光保護(hù)；配電母線；短路故障

氧化鋁廠10kV配電系統(tǒng)都未裝設(shè)專用的母線保護(hù)。當(dāng)10kV配電母線發(fā)生短路故障時(shí)，所產(chǎn)生的電弧光會(huì)對(duì)開關(guān)柜本體及電氣運(yùn)行人員產(chǎn)生非常大的傷害，但是目前國(guó)標(biāo)規(guī)范并不要求對(duì)10kV配電系統(tǒng)設(shè)置專用的母線保護(hù)，而是依靠上一級(jí)饋線開關(guān)來(lái)切除母線短路故障。由于要考慮上下級(jí)饋線開關(guān)之間的配合關(guān)系，上一級(jí)饋線開關(guān)保護(hù)跳閘時(shí)間一般整定為0.5秒以上，這就會(huì)導(dǎo)致故障切除時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，加大了開關(guān)柜本體的損傷程度，嚴(yán)重時(shí)可能造成氧化鋁廠大面積停電。該問(wèn)題已引起氧化鋁廠電力設(shè)計(jì)人員的高度重視。

1 電弧光產(chǎn)生的原因

（1）絕緣故障。開關(guān)柜內(nèi)的絕緣材料電氣距離不夠，在積灰嚴(yán)重、天氣潮濕時(shí)易發(fā)生絕緣故障。另外，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的開關(guān)柜在機(jī)械磨損、電磁場(chǎng)、溫度、腐蝕等環(huán)境作用下也易造成絕緣老化，從而發(fā)生絕緣故障。

（2）電氣回路接觸不良。開關(guān)柜內(nèi)電氣觸頭接觸不良、緊固螺栓松動(dòng)，在大電流通過(guò)時(shí)易產(chǎn)生發(fā)熱狀況，從而引起絕緣擊穿。

（3）外來(lái)物體的進(jìn)入，如設(shè)備正常檢修后工具遺漏在開關(guān)柜內(nèi)或小動(dòng)物進(jìn)入開關(guān)柜。

（4）人為操作原因，如誤入帶電間隔、隔離開關(guān)誤操作、帶接地線合閘、忘記測(cè)量工作區(qū)內(nèi)電壓。

2 電弧光的危害

（1）電弧光中心溫度極高（約為20000℃）。由于過(guò)熱可能導(dǎo)致銅排、鋁排、電纜、銅牌和鋼材熔毀氣化，過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致壓力上升，可能會(huì)使開關(guān)柜爆炸。

（2）故障產(chǎn)生的弧光沖擊波可摧毀周圍的用電設(shè)備，若波及直流系統(tǒng)，可造成全所直流失電，將造成無(wú)法彌補(bǔ)的重大損失。

（3）高溫灼傷皮膚、爆破音振損傷耳膜、強(qiáng)光刺傷眼睛、爆炸碎片飛射，從而造成人員傷亡。

3 電弧光故障分析

氧化鋁廠10kV配電系統(tǒng)為小電流接地系統(tǒng)，正常狀態(tài)下三相電壓對(duì)稱，每相對(duì)地電容電流都超前相電壓90o，三相電容之和為零。當(dāng)系統(tǒng)母線發(fā)生單相接地短路后，中性點(diǎn)對(duì)地電壓不再為零，系統(tǒng)出現(xiàn)中性點(diǎn)偏移。當(dāng)為金屬性接地時(shí)，故障相對(duì)地電壓為零，非故障相電壓升高為線電壓，非故障相電流增大。當(dāng)電纜出線較多、較長(zhǎng)時(shí)，對(duì)地電容電流會(huì)很大，并會(huì)導(dǎo)致電弧接地過(guò)電壓，極易產(chǎn)生燃弧現(xiàn)象。IEC298標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定開關(guān)柜內(nèi)部燃弧時(shí)間是100ms，為保護(hù)開關(guān)柜免受電弧短路故障的破壞，保護(hù)動(dòng)作應(yīng)在100ms以內(nèi)切除電弧光故障。

4 QGP322電弧光保護(hù)系統(tǒng)

4.1 QGP322電弧光保護(hù)原理

QGP322電弧光保護(hù)系統(tǒng)采用弧光檢測(cè)和過(guò)電流檢測(cè)雙判據(jù)原理。當(dāng)10kV開關(guān)柜發(fā)生短路故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生弧光，弧光傳感器檢測(cè)到弧光后把信號(hào)傳遞給輔助單元，輔助單元再把信號(hào)傳送至主單元，主單元收到弧光信號(hào)后檢測(cè)電流。當(dāng)弧光信號(hào)和電流過(guò)流信號(hào)同時(shí)存在時(shí)，啟動(dòng)跳閘出口，發(fā)出跳閘信號(hào)。電弧光保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作速度快、可靠性高。

4.2 QGP322電弧光系統(tǒng)組成及功能

QGP322電弧光保護(hù)系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由主單元、輔助單元、弧光傳感器組成。

（1）主單元的功能包括判斷電流和弧光同時(shí)發(fā)生；弧光探測(cè)信號(hào)的自動(dòng)采集、邏輯設(shè)置管理；對(duì)所有關(guān)聯(lián)弧光傳感器的持續(xù)監(jiān)視；保護(hù)跳閘啟動(dòng)方案的選擇；故障方位的精確定位；可持續(xù)的系統(tǒng)自檢；故障信息的管理。

（2）輔助單元用于連接電弧光保護(hù)主單元和弧光傳感器，每個(gè)輔助單元可連接16個(gè)弧光傳感器。每一個(gè)連接的傳感器都可給出一個(gè)獨(dú)立的地址信息，用于弧光保護(hù)系統(tǒng)的邏輯設(shè)置、監(jiān)視所連接的弧光傳感器的狀態(tài)、裝置故障定位等。輔助單元與主單元之間經(jīng)專用連接電纜實(shí)現(xiàn)通訊聯(lián)系，輔助單元之間可用連接電纜實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展功能。

（3）弧光傳感器安裝在開關(guān)柜中，可實(shí)現(xiàn)有選擇性的保護(hù)。弧光傳感器是一種光感應(yīng)元件。當(dāng)發(fā)生接地或相間短路故障時(shí)，因有弧光產(chǎn)生，弧光傳感器內(nèi)電子元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳遞給弧光保護(hù)的輔助單元。

4.3 QGP322電弧光保護(hù)系統(tǒng)在氧化鋁廠10kV配電系統(tǒng)的應(yīng)用

氧化鋁廠各10kV配電系統(tǒng)均采用單母線分段的接線方式，正常時(shí)為分列運(yùn)行方式，兩路進(jìn)線電源分別引自上級(jí)10kV總配電所，各饋出回路為所在生產(chǎn)區(qū)域的10/0.4kV變壓器和10kV電動(dòng)機(jī)供電。

（1）弧光保護(hù)的配置。10kV配電系統(tǒng)的弧光保護(hù)由主單元QGP322、輔助單元QGP16L和弧光傳感器QGS20和連接電纜組成。在每個(gè)10kV饋線柜內(nèi)安裝1個(gè)弧光傳感器，在母聯(lián)柜和隔離柜安裝一個(gè)弧光傳感器，在電壓互感器柜安裝1個(gè)弧光傳感器，通過(guò)輔助單元QGP16L把采集的弧光信號(hào)傳遞給主單元QGP322。主單元QGP322分別安裝在兩個(gè)進(jìn)線柜上，輔助單元QGP16L安裝在母聯(lián)柜或饋線柜上，輔助單元QGP16L連接弧光傳感器QGS20不能超過(guò)16個(gè)，超過(guò)時(shí)需再增加一個(gè)輔助單元。

（2）弧光保護(hù)整定。當(dāng)弧光傳感器QGS20采集到弧光信號(hào)、主單元QGP322采集到過(guò)流信號(hào)時(shí)，將發(fā)出跳閘命令跳開進(jìn)線斷路器，同時(shí)將動(dòng)作信號(hào)送至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)任意一段母線發(fā)生母線短路時(shí)，會(huì)跳開該段母線的進(jìn)線斷路器，另一段母線則保持正常運(yùn)行?；」馀袚?jù)的啟動(dòng)條件是弧光強(qiáng)度超過(guò)8000LX，電流超過(guò)正常最大負(fù)荷電流。

5 結(jié)語(yǔ)

開關(guān)柜內(nèi)部的電弧光短路故障是一種很嚴(yán)重的故障。一旦發(fā)生，會(huì)對(duì)開關(guān)柜本體及電氣運(yùn)行人員造成非常大的傷害。電弧光保護(hù)系統(tǒng)為氧化鋁廠10kV母線系統(tǒng)提供了可行的解決方案，通過(guò)在開關(guān)柜內(nèi)設(shè)置電弧光保護(hù)系統(tǒng)，在開關(guān)柜的電弧耐受時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)切除電弧光故障，可最大程度地減少弧光短路故障對(duì)用電設(shè)備的破壞，從而進(jìn)一步保證氧化鋁廠供電的可靠性。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：東北大學(xué)設(shè)計(jì)院（有限公司））