鐘曉鵬

摘要 ：傳統(tǒng)的（3～10kV）中壓、低壓母線保護(hù)方案不能快速有效地切除短路故障，降低對(duì)人身和設(shè)備安全的危害，本文介紹了一種采用弧光檢測(cè)和高速過(guò)流檢測(cè)雙重判據(jù)的中低壓母線保護(hù)方案。

關(guān)鍵詞：發(fā)電廠;開關(guān)柜;母線;電弧光保護(hù)

1.概述

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展和電力裝備技術(shù)的進(jìn)步，中低壓廠用電系統(tǒng)負(fù)荷也越來(lái)越大，將中、低壓成套組合開關(guān)柜通過(guò)母排硬連接的越來(lái)越多，當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生弧光短路故障時(shí)，將使連結(jié)在故障母線上的所有設(shè)備解列，還有可能波及其它設(shè)備，造成事故范圍擴(kuò)大。

在中性點(diǎn)不接地的電力網(wǎng)的運(yùn)行中，出現(xiàn)單相接地后，允許帶接地點(diǎn)運(yùn)行的時(shí)間一般不超過(guò)2小時(shí)，這提高了供電的穩(wěn)定性，但非故障相對(duì)地電壓升高為線電壓，對(duì)系統(tǒng)絕緣不利。高阻抗類型的接地故障能延長(zhǎng)接地故障保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，導(dǎo)致了弧光能量相當(dāng)大的累積。由于母線短路故障電流大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，后備保護(hù)延時(shí)長(zhǎng)或拒動(dòng)等原因，導(dǎo)致故障切除時(shí)間延長(zhǎng)，增加了對(duì)設(shè)備和電力系統(tǒng)的危害。

我國(guó)現(xiàn)行的繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程，對(duì)35 kV及以下的母線一般未配置專門的保護(hù)，而是由發(fā)電機(jī)或變壓器的后備過(guò)流保護(hù)來(lái)切除母線短路故障，為了保證其選擇性，其動(dòng)作時(shí)限需要按照時(shí)間階梯原則配合，即自負(fù)荷側(cè)到電源側(cè)的動(dòng)作時(shí)限逐級(jí)拉長(zhǎng)，典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間一般為1.2～1.4 s甚至更長(zhǎng)達(dá)2.0s以上，遠(yuǎn)不能滿足在100ms內(nèi)快速切除故障的要求。

2.中低壓母線短路故障的危害

在開關(guān)柜中發(fā)生故障的直接表現(xiàn)形式是電弧光放電燃燒，弧光發(fā)生點(diǎn)的溫度是35.000°F，為太陽(yáng)表面溫度的4倍。電弧光形成后可以300m/s的速度爆發(fā)，爆破壓和高溫不僅嚴(yán)重?fù)p壞故障設(shè)備本身，造成開關(guān)柜內(nèi)金屬汽化、電纜熔毀、盤體變形，還可能迅速擴(kuò)散到相鄰柜體，只要系統(tǒng)中不斷電，燃弧就會(huì)一直存在。由于周圍空氣被電離的作用，電阻降低趨近于零，受損的嚴(yán)重程度與故障電流大小及燃弧時(shí)間有關(guān)，由于發(fā)生弧光故障在斷路器動(dòng)作前，故障短路處電弧是一直在燃燒的，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間加上斷路器動(dòng)作時(shí)間之和，即為電弧燃燒的持續(xù)時(shí)間。

國(guó)外一般采用IEC298中附錄AA中指定的100ms的內(nèi)部電弧額定時(shí)間作為電弧故障防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，它指的是開關(guān)柜可以承受的內(nèi)部電弧燃燒時(shí)間。如果發(fā)生開關(guān)柜內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作切除故障的時(shí)間在100ms以內(nèi)的話，對(duì)開關(guān)設(shè)備及附近人員的損害可限制到最小。

各種燃弧時(shí)間對(duì)設(shè)備造成的破壞作用如下：1）35 ms沒(méi)有顯著的損壞，一般可以在檢驗(yàn)絕緣電阻后投入使用;2）100 ms損壞較小，在開關(guān)柜再次投入運(yùn)行以前需要進(jìn)行清潔或進(jìn)行小的修理;3）500 ms設(shè)備損壞很嚴(yán)重，在現(xiàn)場(chǎng)的人員也會(huì)受到嚴(yán)重的傷害，必須更換部件后再投入運(yùn)行。

根據(jù)繼電保護(hù)快速性的要求，在開關(guān)柜耐受燃弧時(shí)間以內(nèi)快速切除故障，最大限度地限制電弧燃燒釋放的能量，是最有效的限制弧光短路故障損壞開關(guān)設(shè)備及變壓器的防護(hù)措施。

3.電弧光中低壓母線保護(hù)系統(tǒng)

電弧光保護(hù)作為一種針對(duì)中低壓母線系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)開發(fā)的系統(tǒng)，可以在開關(guān)柜發(fā)生弧光故障的時(shí)候，迅速動(dòng)作，最大限度地減少弧光的危害。

1）電弧光保護(hù)的原理

開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí)，燃弧伴隨著多種物理特性，通過(guò)檢測(cè)這些特征量的變化，來(lái)判斷是否發(fā)生故障。電弧光保護(hù)是基于檢測(cè)內(nèi)部故障時(shí)發(fā)出的弧光為主，在實(shí)際應(yīng)用中為了防止誤動(dòng)作還引入了過(guò)流信號(hào)閉鎖條件。采用這種新原理的保護(hù)所提供動(dòng)作時(shí)間為5 ～ 7ms，加上斷路器的固有動(dòng)作時(shí)間，對(duì)于開關(guān)柜各單元室的故障總清除時(shí)間可保證在100ms以內(nèi)，并留有一定的裕度。

電弧光保護(hù)由三部分組成：保護(hù)主單元、I/O輔助單元、弧光傳感器。保護(hù)主要判定依據(jù)為故障產(chǎn)生的兩個(gè)不同因素：弧光及電流增量。

主單元作為控制中心包含有電流檢測(cè)和斷路器失靈保護(hù)功能，它通過(guò)檢測(cè)支路電流和來(lái)自弧光傳感器的動(dòng)作信息，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷，在滿足跳閘條件時(shí)發(fā)指令以切除故障。主單元一般安裝在電源進(jìn)線柜中，每個(gè)主單元可接入多個(gè)輔助單元，它與輔助單元采用總線通信，以實(shí)現(xiàn)有選擇性的切除母線故障。

安裝在開關(guān)柜中的輔助單元可接入多個(gè)弧光傳感器，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，輔助單元收集來(lái)自弧光傳感器的動(dòng)作信息并傳送給主單元，在主單元上顯示輔助單元和弧光傳感器的地址編號(hào)，有利于及時(shí)準(zhǔn)確地定位故障開關(guān)柜，為檢修提供信息。

傳感器安裝在開關(guān)柜的母線室內(nèi)，它作為光感應(yīng)元件，將檢測(cè)在發(fā)生弧光故障時(shí)突然增加的光強(qiáng)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)傳送給輔助單元。通過(guò)弧光傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)分區(qū)的覆蓋，交換弧光和過(guò)流動(dòng)作信息，可向各段母線提供有選擇性的保護(hù)，適用于各種運(yùn)行方式。

2）電弧光保護(hù)的作用

保護(hù)附近工作人員免受電弧故障物理效應(yīng)的傷害;限制燃弧時(shí)間，令元器件損壞程度降低至最小;減少開關(guān)柜的維修費(fèi)用，延長(zhǎng)設(shè)備壽命;定位故障點(diǎn)，最大限度地減少停電時(shí)間，盡快恢復(fù)生產(chǎn);保護(hù)變壓器免受長(zhǎng)期短路沖擊電流而損壞，避免事故擴(kuò)大;

3）電弧光保護(hù)對(duì)比傳統(tǒng)保護(hù)方案配置：

電弧光保護(hù)切除故障總時(shí)間為80～100 ms，并且不會(huì)給開關(guān)設(shè)備外觀上造成明顯損壞，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于變壓器后備過(guò)流保護(hù)的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，在發(fā)生電弧光故障的開關(guān)柜內(nèi)的設(shè)備嚴(yán)重受損之前，就可以及時(shí)切除供給的短路電流，使損失降到最小。電弧光保護(hù)裝置是針對(duì)中低壓母線運(yùn)行方式的保護(hù)裝置，饋線回路數(shù)量可擴(kuò)充，動(dòng)作時(shí)間較快，誤動(dòng)的可能性較小，可靠性高，并且具有故障定位功能。而變壓器后備過(guò)流保護(hù)并不具備故障定位功能。由于變壓器后備過(guò)流保護(hù)不需要單獨(dú)裝置，已包括在發(fā)變組保護(hù)裝置中，而電弧光保護(hù)需要專門配置，現(xiàn)場(chǎng)工作量較大。

4.結(jié)語(yǔ)

電弧光保護(hù)作為一種針對(duì)中壓開關(guān)柜故障特性開發(fā)的中低壓母線保護(hù)系統(tǒng)，具有原理簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)作可靠迅速、對(duì)一次設(shè)備無(wú)特殊要求、適應(yīng)于各種運(yùn)行方式等優(yōu)點(diǎn)，限制了短路故障弧光所造成的危害，提高了故障處理速度，將事故的損失降到最低，保證了設(shè)備的可靠運(yùn)行和供電的連續(xù)性，滿足廠用電系統(tǒng)的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。

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（四川省水利規(guī)劃研究院，四川 成都 610072）