胡 偉

(北京礦冶科技集團(tuán)有限公司， 北京 102628)

0 前言

隨著冶金工業(yè)快速發(fā)展和規(guī)模擴(kuò)大，中壓開(kāi)關(guān)柜的應(yīng)用數(shù)量越來(lái)越多，冶煉廠(chǎng)大量的沖擊負(fù)荷和諧波源會(huì)加速開(kāi)關(guān)柜絕緣老化，大量中壓電纜的應(yīng)用使單相接地故障增多，都可能引發(fā)開(kāi)關(guān)柜的弧光短路故障，損毀開(kāi)關(guān)柜設(shè)備和母線(xiàn)的事故時(shí)有發(fā)生，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，甚至對(duì)運(yùn)營(yíng)人員造成傷害。國(guó)外早在20世紀(jì)90年代開(kāi)始已經(jīng)將弧光保護(hù)應(yīng)用在中低壓開(kāi)關(guān)柜和母線(xiàn)保護(hù)上，至今已有較成熟和豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，對(duì)在冶金行業(yè)中壓配電系統(tǒng)應(yīng)用和推廣電弧光保護(hù)提供了條件。

本文結(jié)合南非某冶煉廠(chǎng)區(qū)域11 kV配電站開(kāi)關(guān)柜安裝弧光保護(hù)實(shí)例，對(duì)中壓開(kāi)關(guān)柜弧光保護(hù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，為弧光保護(hù)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

1 弧光保護(hù)系統(tǒng)

弧光產(chǎn)生初期的100 ms以?xún)?nèi)對(duì)電氣設(shè)備損傷比較?。淮笥?00 ms時(shí)，會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成嚴(yán)重甚至不可逆的破壞[1]，如圖1所示。IEC 298標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部燃弧時(shí)間是100 ms，即需要保護(hù)在小于100 ms內(nèi)動(dòng)作切除故障，以防止弧光短路故障進(jìn)一步擴(kuò)大造成設(shè)備的結(jié)構(gòu)性損傷。傳統(tǒng)的電流保護(hù)方案檢測(cè)和動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，不能快速抑制弧光故障的擴(kuò)散從而避免設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞[2]。因此，在配電系統(tǒng)中采用能快速切除中壓設(shè)備弧光故障的保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)于保障配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行是必要且迫切的。

圖1 電弧能量與燃燒時(shí)間對(duì)設(shè)備危害示意圖

1)弧光保護(hù)系統(tǒng)的組成。主要由弧光傳感器、保護(hù)裝置、二次接線(xiàn)元件和光纖等構(gòu)成[3]。

2)弧光保護(hù)系統(tǒng)的工作原理。電弧光保護(hù)的主要?jiǎng)幼饕罁?jù)為電弧光故障時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)因素：弧光和電流增量[4]。當(dāng)安裝開(kāi)關(guān)柜一次設(shè)備室的弧光傳感器探測(cè)到弧光信號(hào)，弧光傳感器將弧光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳給保護(hù)裝置，若同時(shí)保護(hù)裝置檢測(cè)到了過(guò)電流信號(hào)，則判定產(chǎn)生電弧故障，保護(hù)裝置通過(guò)輸出繼電器立即發(fā)出跳閘指令[5-6]，依據(jù)配電系統(tǒng)要求的動(dòng)作邏輯斷開(kāi)關(guān)聯(lián)的斷路器；當(dāng)僅檢測(cè)到弧光信號(hào)時(shí)，輸出報(bào)警信號(hào)。電弧光保護(hù)原理如圖2所示。

圖2 電弧光保護(hù)原理示意圖

3)弧光保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。弧光保護(hù)裝置動(dòng)作速度極快，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間最大值15 ms內(nèi)，故障總切除時(shí)間完全可以控制在100 ms內(nèi)(包括斷路器動(dòng)作時(shí)間35～60 ms)，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)母線(xiàn)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，能最大限度地避免電氣設(shè)備受到電弧故障傷害。

5)弧光保護(hù)整定動(dòng)作門(mén)檻值。弧光傳感器動(dòng)作門(mén)檻值一般可整定為大于8 000 lux，電流動(dòng)作門(mén)檻值按大于最大負(fù)荷電流整定。

2 弧光保護(hù)在中壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

南非某冶煉廠(chǎng)11 kV配電系統(tǒng)采用單母線(xiàn)分段接線(xiàn)，弧光保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)對(duì)象為11 kV的Ⅰ、Ⅱ段開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)室、斷路器室、電纜室內(nèi)的一次電氣裝置。

2.1 選用的弧光保護(hù)系列的主要特點(diǎn)

該站采用的弧光保護(hù)裝置為ABB RE*615系列配電網(wǎng)保護(hù)測(cè)控裝置，該保護(hù)裝置不僅可以滿(mǎn)足電力設(shè)備的常規(guī)保護(hù)，還可以選擇配置帶3個(gè)光探頭傳感器的弧光保護(hù)功能。由配置了弧光保護(hù)功能的RE*615系列保護(hù)測(cè)控裝置組成的弧光保護(hù)系統(tǒng)，可以替代國(guó)內(nèi)主流的由專(zhuān)用弧光保護(hù)主單元和擴(kuò)展單元配合的方式實(shí)現(xiàn)弧光保護(hù)的系統(tǒng)。RE*615系列弧光保護(hù)主要特點(diǎn)如下：

1)裝置可通過(guò)可選配件配置最多3個(gè)弧光檢測(cè)通道，可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬鎧裝開(kāi)關(guān)柜的電纜室、母線(xiàn)室或斷路器室的弧光故障保護(hù)，從而保護(hù)開(kāi)關(guān)柜一次電氣裝置。

2)弧光監(jiān)測(cè)探頭采用光纜內(nèi)置的透鏡傳感器，可獨(dú)立進(jìn)行弧光探測(cè)。保護(hù)裝置可選自動(dòng)或手動(dòng)背光補(bǔ)償功能。

3)弧光保護(hù)動(dòng)作模式有3種，分別為僅弧光監(jiān)測(cè)模式、弧光和電流組合監(jiān)測(cè)模式、遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)量動(dòng)作模式。本文建議采用弧光和電流組合監(jiān)測(cè)模式，以弧光和三相相電流和零序電流的組合判據(jù)作為保護(hù)動(dòng)作的依據(jù)。

4)應(yīng)用廣泛，經(jīng)驗(yàn)豐富，目前在全球已有大量該裝置保護(hù)投入運(yùn)行，在南非的項(xiàng)目中裝設(shè)弧光保護(hù)是中壓開(kāi)關(guān)柜保護(hù)的基本配置。

5)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間快速，最長(zhǎng)不超過(guò)15 ms，可實(shí)現(xiàn)電氣裝置的快速保護(hù)功能。

6)保護(hù)獨(dú)立設(shè)置，整定簡(jiǎn)單。

2.2 開(kāi)關(guān)柜弧光保護(hù)

2.2.1 弧光保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作邏輯

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和業(yè)主方標(biāo)準(zhǔn)，該站弧光保護(hù)系統(tǒng)采用最大安全動(dòng)作邏輯，11 kV配電系統(tǒng)弧光保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作邏輯如下：

1)Ⅰ段進(jìn)線(xiàn)、饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)室和斷路器室發(fā)生弧光故障，電流和光強(qiáng)滿(mǎn)足電流判據(jù)和弧光判據(jù)，保護(hù)動(dòng)作跳Ⅰ段進(jìn)線(xiàn)斷路器、分段斷路器和所有饋線(xiàn)斷路器，Ⅱ段母線(xiàn)仍可以正常運(yùn)行；反之Ⅱ段亦然。

2)進(jìn)線(xiàn)、饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜電纜室發(fā)生弧光故障，電流和光強(qiáng)滿(mǎn)足電流判據(jù)和和弧光判據(jù)，保護(hù)動(dòng)作跳對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)柜的斷路器。

3)分段斷路器開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)室、斷路器室發(fā)生弧光故障，電流和光強(qiáng)滿(mǎn)足電流判據(jù)和弧光判據(jù)，保護(hù)動(dòng)作跳分段柜斷路器側(cè)母線(xiàn)段進(jìn)線(xiàn)斷路器、分段斷路器和所有饋線(xiàn)斷路器(本例中為Ⅰ段)；分段斷路器開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)室、隔離室發(fā)生弧光故障，電流和光強(qiáng)滿(mǎn)足電流判據(jù)和弧光判據(jù)，保護(hù)動(dòng)作跳斷路器隔離側(cè)母線(xiàn)段進(jìn)線(xiàn)斷路器、分段斷路器和所有饋線(xiàn)斷路器(本例中為Ⅱ段)。

2.2.2 弧光保護(hù)系統(tǒng)接線(xiàn)結(jié)構(gòu)

11 kV配電系統(tǒng)電弧光保護(hù)系統(tǒng)接線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示?；」獗Ｗo(hù)系統(tǒng)由RE*615系列保護(hù)裝置、弧光傳感器和連接電纜、報(bào)警和跳閘公用母線(xiàn)組成，弧光傳感器安裝位置如下：

1)進(jìn)線(xiàn)、饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜在母線(xiàn)室、斷路器室、電纜室各安裝1個(gè)弧光傳感器。

2)VT柜在母線(xiàn)室、PT室各安裝1個(gè)弧光傳感器。

3)分段柜在母線(xiàn)室、斷路器室、電纜室各安裝1個(gè)弧光傳感器。

圖3 電弧光保護(hù)系統(tǒng)圖

2.2.3 報(bào)警跳閘柜頂母線(xiàn)接線(xiàn)結(jié)構(gòu)

弧光傳感器把采集到的弧光信號(hào)傳送給對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)柜的保護(hù)裝置RE*615，保護(hù)裝置提供弧光保護(hù)動(dòng)作判據(jù)，如果滿(mǎn)足動(dòng)作判據(jù)，發(fā)出信號(hào)給進(jìn)線(xiàn)保護(hù)裝置，由進(jìn)線(xiàn)保護(hù)裝置反饋信號(hào)給需要?jiǎng)幼鞯拈_(kāi)關(guān)柜，完成弧光保護(hù)動(dòng)作邏輯。進(jìn)線(xiàn)柜和各開(kāi)關(guān)柜之間的動(dòng)作信號(hào)傳送由柜頂報(bào)警和跳閘公共母線(xiàn)完成，接線(xiàn)情況如圖4所示。

圖4 弧光保護(hù)系統(tǒng)報(bào)警跳閘柜頂母線(xiàn)接線(xiàn)圖

由圖4可知，當(dāng)各開(kāi)關(guān)柜保護(hù)裝置RE*615檢測(cè)到弧光故障信號(hào)，并滿(mǎn)足弧光保護(hù)動(dòng)作條件時(shí)，保護(hù)裝置BO輸出接點(diǎn)發(fā)出跳閘信號(hào)，通過(guò)柜頂弧光故障報(bào)警公共母線(xiàn)接入進(jìn)線(xiàn)保護(hù)裝置BI開(kāi)關(guān)量輸入繼電器；然后由進(jìn)線(xiàn)保護(hù)裝置BO輸出接點(diǎn)發(fā)出跳閘信號(hào)，觸發(fā)帶自保持功能的閉鎖繼電器BR發(fā)出跳閘信號(hào)，通過(guò)柜頂弧光故障跳閘公共母線(xiàn)觸發(fā)相關(guān)開(kāi)關(guān)柜保護(hù)裝置BI開(kāi)關(guān)量輸入繼電器，動(dòng)作于斷路器跳閘，完成弧光保護(hù)功能。

ABB RE*615保護(hù)裝置配有斷路器失靈保護(hù)，在斷路器未能在設(shè)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作切除故障時(shí)，它能及時(shí)啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)邏輯，發(fā)出跳閘指令給后備斷路器切除故障，此時(shí)柜頂報(bào)警和跳閘公共母線(xiàn)可兼作斷路器失靈保護(hù)母線(xiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

電弧光保護(hù)對(duì)于快速切除中低壓開(kāi)關(guān)柜電弧光故障、減少設(shè)備損害和保護(hù)人員安全，發(fā)揮著其它保護(hù)不可替代的作用。目前在一些國(guó)外的工程設(shè)計(jì)中，弧光保護(hù)都是中壓開(kāi)關(guān)柜保護(hù)的基本要求，而在我國(guó)冶金行業(yè)中壓配電系統(tǒng)中，弧光保護(hù)應(yīng)用還比較少，因此，中壓開(kāi)關(guān)柜弧光保護(hù)具有良好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。不同于國(guó)內(nèi)其它弧光保護(hù)，需要配置單獨(dú)的弧光保護(hù)主單元及輔助單元，本文介紹的弧光保護(hù)是中壓開(kāi)關(guān)柜綜合保護(hù)裝置的可選附加功能，通過(guò)設(shè)置柜頂弧光報(bào)警和跳閘公共母線(xiàn)實(shí)現(xiàn)中壓配電系統(tǒng)的弧光故障保護(hù)動(dòng)作邏輯，弧光保護(hù)系統(tǒng)接線(xiàn)簡(jiǎn)單，方便，可靠。