朱 鑫，鄭永康，向 博，趙子涵，丁宣文，吳 杰

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院， 四川 成都 610041；2.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

在10～35 kV不接地系統(tǒng)中，配電方式常采用開關(guān)柜型式，一般未配置母線保護。這導(dǎo)致母線故障時存在保護動作時間長、接線復(fù)雜、對互感器要求高、經(jīng)濟性差、不能提供故障定位等問題。相比傳統(tǒng)保護方法存在的不足[1]，弧光保護系統(tǒng)具有保護原理簡單、可靠性高、保護動作時間快、易實現(xiàn)故障點定位等優(yōu)點。

根據(jù)對當(dāng)前電網(wǎng)投入運行的弧光保護裝置的技術(shù)原理和技術(shù)方案、弧光傳感器以及對不同接地方式適應(yīng)性的研究，總結(jié)了現(xiàn)階段弧光保護裝置的應(yīng)用情況及存在的問題，并就弧光保護的配置選型、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場運行維護提出了相關(guān)建議。

1 國內(nèi)外弧光保護技術(shù)應(yīng)用情況

在20世紀(jì)90年代初，美國、瑞典等開始將弧光保護用于中、低壓開關(guān)柜，作為其內(nèi)部故障時的保護。國外一些地區(qū)的配電網(wǎng)中性點直接接地或經(jīng)小阻抗接地，其弧光保護主要采用弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理，或采用弧光檢測和零序電流檢測雙判據(jù)原理，當(dāng)保護范圍內(nèi)發(fā)生相間弧光短路故障，或單相弧光接地故障時，弧光保護能夠快速動作切除故障，有效減輕電弧光對設(shè)備和人身的傷害。

中國許多地區(qū)都安裝了弧光保護，但運行效果并不理想，主要存在如下問題：1)弧光保護只采集了母線弧光信號，導(dǎo)致線纜室、斷路器室發(fā)生的弧光故障不能及時切除；2)弧光保護采用弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理后，不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相弧光接地時，故障電流較小，容易發(fā)生拒動；3)個別裝置為解決不接地系統(tǒng)的故障電流檢測靈敏度不足問題，降低了電流定值，并采用可見光波段的弧光傳感器，導(dǎo)致雷電光或者強光手電照射又遇涌流時發(fā)生誤動。

目前，已有廠家研發(fā)了新型的弧光保護裝置和弧光傳感器，即在原有弧光保護采用弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理上，增加三相電壓合成零序電壓(或外接零序電壓)判據(jù)，形成弧光檢測和過流或零序電壓判據(jù)原理，可以解決單相接地弧光故障問題。通過采用紫外光波段的弧光傳感器避免強光遇涌流的誤動，同時還增加電纜室弧光故障的選擇性跳閘功能，其技術(shù)路線可以有效解決前述三方面問題。

2 弧光保護技術(shù)原理

2.1 弧光傳感器類型

電弧是通過電離的氣體(空氣)在帶電體和地之間或帶電體之間形成的短路，通常伴隨產(chǎn)生電光、刺激性聲音，并以電磁波形式輻射[2]，是一個非常復(fù)雜過程。

目前，可利用對電弧光、紅外等特征的檢測判斷開關(guān)柜內(nèi)是否有電弧產(chǎn)生，進而判斷柜內(nèi)是否有故障。在電力系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的電弧檢測方法是通過檢測電弧光來判斷柜內(nèi)的故障情況。當(dāng)前常用的弧光傳感器可分為如圖1所示的3類。

圖1 常用弧光傳感器分類

不同類型的弧光傳感器有各自的技術(shù)特性，其主要技術(shù)性能對比結(jié)果如表1所示。

表1 弧光傳感器技術(shù)性能對比

2.2 弧光保護主要技術(shù)原理

弧光作為電弧變化最顯著的特征量，具有變化速度快(以ms為單位)、監(jiān)測最直觀等特征。電弧光保護通常通過對開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生短路時產(chǎn)生的弧光進行監(jiān)測來判斷柜內(nèi)是否有故障產(chǎn)生。同時，為防止柜外光線對弧光保護系統(tǒng)的干擾，各廠家在保護系統(tǒng)中還以過流元件為閉鎖信號，即只有同時滿足弧光強度超過警戒值、過流元件動作時，弧光保護才會動作，既保證了保護動作的快速性，也保證了保護動作可靠性[3]。

按照當(dāng)前弧光保護主要采用的技術(shù)原理分類，主要有以下3種判據(jù)方式：

1)弧光、過電流檢測雙判據(jù)原理

基于對電力設(shè)備的在線監(jiān)測技術(shù)[4]，當(dāng)弧光保護同時檢測到弧光信號、過電流(或電流突變量超過定值)時，弧光保護會動作并發(fā)出跳閘命令切除故障，通過對電弧光、電流信號的雙判據(jù)，在保證保護動作時間的基礎(chǔ)上也提高保護動作的可靠性。其保護邏輯如圖2所示。

圖2 弧光、過電流檢測雙判據(jù)弧光保護邏輯

2)弧光、過電流、零序電流判據(jù)原理

在經(jīng)阻抗接地系統(tǒng)中，若弧光保護原理僅使用弧光、過電流判據(jù)，單相接地故障的反應(yīng)能力存在不足。需要引入零序電流判據(jù)，形成弧光檢測和過電流檢測或零序電流檢測雙判據(jù)原理，當(dāng)發(fā)生相間弧光短路故障，或單相弧光接地故障時，弧光保護能夠快速動作，切除故障，有效減輕電弧光對設(shè)備和人身的傷害。其保護邏輯如圖3所示。

圖3 弧光、過電流、零序電流判據(jù)弧光保護邏輯

3)弧光、過電流、零序電壓判據(jù)原理

在不接地系統(tǒng)中，可采用弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理判別相間弧光短路故障。單相弧光接地故障時，接地故障電流較小，對總路電流的影響也較小，對采用弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理的弧光保護而言，過流元件無法動作將導(dǎo)致弧光保護拒動，有必要增加零序電壓(外接或相電壓合成)作判據(jù)，形成弧光檢測和過電流檢測或零序電壓檢測雙判據(jù)原理，可解決單相弧光接地故障問題，其保護邏輯如圖4所示。

圖4 弧光、過電流、零序電壓判據(jù)弧光保護邏輯

2.3 不同弧光保護原理對配電網(wǎng)接地方式的適應(yīng)性

不同原理弧光保護的差異主要體現(xiàn)在閉鎖量選擇上，不同閉鎖量對不同配電網(wǎng)系統(tǒng)接地方式下弧光接地反應(yīng)能力存在差異。對于相間弧光短路或兩相弧光接地短路故障，相電流變化量較大，引入總路相電流，能起到有效的閉鎖；但對配電網(wǎng)單相弧光接地故障，配電網(wǎng)的接地方式對閉鎖量的影響非常大。不同原理弧光保護對配電網(wǎng)不同接地方式下單相接地故障的適應(yīng)性如表2所示。

從表2可知，弧光+相過流判據(jù)對非直接接地系統(tǒng)的單相弧光接地故障適用性最差，可能造成保護拒動；弧光+零序過流判據(jù)不適用于不接地系統(tǒng)，主要原因為零序電流無法采集總的接地電流，若用總路電流合成，誤差會比較大，也不能代表總的接地電流；弧光+零序過壓判據(jù)相對前面兩種判據(jù)來說，適用性最強，靈敏度也更高。

表2 不同原理弧光保護對配電網(wǎng)不同接地方式下單相接地故障的適應(yīng)性

3 弧光保護技術(shù)方案

3.1 弧光保護系統(tǒng)功能配置

弧光傳感器的安裝位置決定了弧光保護系統(tǒng)的保護范圍。目前，根據(jù)弧光保護的主要保護范圍形成了兩種不同的功能配置方案：1)弧光保護系統(tǒng)僅實現(xiàn)母線保護功能；2)弧光保護系統(tǒng)在母線保護功能的基礎(chǔ)上，增加出線電纜室弧光保護功能[5]。

1)母線弧光保護

母線弧光保護配置方案是在每一段母線安裝一條光纖環(huán)型弧光傳感器(包括間隔的斷路器室)，或者在每個間隔母線室和斷路器室安裝一只弧光傳感器，同時采集進線間隔電流，實現(xiàn)對整條母線的保護?；」獗Ｗo裝置跳閘出口作用于進線斷路器和母聯(lián)斷路器。對于采用點測型弧光傳感器，弧光保護裝置可顯示出故障發(fā)生的實際位置。對于采用光纖環(huán)型弧光傳感器，故障位置需要在檢查整條母線后才能確定。

2)母線弧光保護+出線電纜室弧光保護

根據(jù)對開關(guān)柜故障位置分布情況的統(tǒng)計，開關(guān)柜電纜室的電纜連接處等部位是最易發(fā)生單相接地故障的部位，通常會產(chǎn)生電弧光。單相對地?fù)舸┮装l(fā)展成兩相或三相對地短路，產(chǎn)生更為嚴(yán)重的電弧光。發(fā)展為相間故障時，間隔過電流保護雖可動作，但此時設(shè)備已經(jīng)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的損壞。

該方案一般采用點測型弧光傳感器，安裝于母線室、斷路器室和線纜室，實現(xiàn)對開關(guān)柜的故障點全面監(jiān)測。在母線室或斷路器室發(fā)生弧光故障時，弧光保護作用于進線斷路器或母聯(lián)斷路器。當(dāng)線纜室發(fā)生弧光故障時，弧光保護作用于該饋線斷路器。由于采用點測型弧光傳感器，弧光保護裝置可顯示出故障發(fā)生的實際位置。

3.2 弧光保護系統(tǒng)功能集成方式

弧光保護功能集成有3種，分別是集中式弧光保護、分布式弧光保護、線路保護集成弧光保護功能，各自的技術(shù)特點如下：

1)集中式弧光保護

集中式弧光保護裝置采集多條進線電流，接入所有弧光傳感器到一條弧光保護裝置上。其具有只需安裝一臺裝置、管理方便的優(yōu)點，但也有現(xiàn)場施工困難、技改工程難度高等缺點。若配置線纜室弧光傳感器，則跳閘需出口至每臺饋線柜，對集中式弧光保護裝置跳閘出口數(shù)量提出較高的要求，集中式弧光保護只適用于間隔比較少的母線。

2)分布式弧光保護

分布式弧光保護采用主控單元加擴展單元的布置方式。主控單元負(fù)責(zé)采集進線電流及母線電壓信號、部分母線室和斷路器的弧光信號，剩余的母線室、斷路器室等母線故障跳閘進線斷路器或母聯(lián)斷路器弧光信號由擴展單元采集，擴展單元還負(fù)責(zé)采集線纜室弧光信號。結(jié)合主控單元采集的進線過電流信號或零序電壓信號，跳閘饋線柜斷路器。每臺擴展單元可管理多條饋線柜的弧光故障，實現(xiàn)弧光保護功能。這種方式的保護系統(tǒng)現(xiàn)場施工簡單、線纜較短、易于維護[6]。

3)線路保護集成弧光保護功能

在常規(guī)線路保護裝置上增加弧光采集模塊，結(jié)合采集的弧光信號與過電流信號，實現(xiàn)弧光保護功能。這類集成弧光保護對線纜室的弧光故障具有良好的保護性能，但CT一般安裝在斷路器室和線纜室間的隔板上，因此無法隔離間隔母線室、斷路器室的弧光故障。

鑒于線路保護集成弧光保護功能的不足，有必要完善其母線弧光保護功能，實現(xiàn)對母線弧光故障的保護?？刹捎脙煞N功能完善方式：1)母線弧光保護與線路保護集成的弧光保護在功能上完全分開，母線室、斷路器室的弧光信號全部接入母線弧光保護，線纜室的弧光信號接入集成了弧光保護的線路保護裝置，此種方式下，母線保護、線路保護功能明確，能實現(xiàn)對開關(guān)柜的完整保護；2)母線弧光保護與線路保護集成的弧光保護在采集功能上不分開，母線弧光保護僅單獨采用閉鎖電量，所有的弧光信號由線路保護裝置的采集，母線弧光保護與集成了弧光保護功能的線路保護裝置需要建立快速通信機制，或采用開入開出節(jié)點方式，實施難度以及現(xiàn)場施工難度大。因此，線路保護集成的弧光保護功能只能作為線路保護的功能完善，不宜作為母線保護使用。

3.3 弧光母線保護與其他母線保護性能對比

1)母線差動保護

母線差動保護是利用母線上所有支路電流相量實現(xiàn)區(qū)分母線內(nèi)外故障及故障母線選擇。母線差動保護的動作時間在 10～20 ms ，能適用于各種運行方式，保護原理成熟、可靠性高[7]。

2)簡易母線保護

簡易母線保護基于間隔復(fù)壓閉鎖三段式過流保護，通過接入總路電流、分段電流和該段母線上饋線保護跳閘接點，利用電流和母線電壓判別是否有故障，再通過該段母線上饋線保護跳閘接點開入來判斷是否為母線故障。簡易母線保護能縮短中低壓母線故障時低壓總路跳閘時間，且安裝較為簡單，可與主變壓器后備保護共用CT繞組，無需對一次設(shè)備進行改造。

3)保護性能對比

(1)動作時間：母線差動保護和弧光保護動作時間遠遠優(yōu)于簡易母線保護。

(2)設(shè)備及附件可靠性：母線差動保護優(yōu)于簡易母線保護，簡易母線保護優(yōu)于弧光保護。

(3)保護范圍：弧光保護大于母線差動保護，母線差動保護大于簡易母線保護。

(4)故障定位：點測型弧光保護可以實現(xiàn)定位，其余兩種保護不能進行故障定位。

(5)運行方式適應(yīng)性：母線差動保護和弧光保護能適應(yīng)各種運行方式，簡易母線保護適應(yīng)性較差。

4 結(jié) 論

根據(jù)對當(dāng)前主要應(yīng)用的弧光保護技術(shù)原理、技術(shù)方案以及主流弧光保護裝置的調(diào)研，弧光保護裝置及其應(yīng)用情況總結(jié)如下：

1)弧光保護動作速度快，對于CT改造困難、同時需要快速切除母線故障的變電站低壓母線，將弧光保護作為母線保護使用，實現(xiàn)母線保護功能，是一種提升母線故障切除速度的有效技術(shù)手段。

2)為防止弧光保護誤動，目前的弧光保護大多增加電量閉鎖，以主變壓器低壓側(cè)的相電流閉鎖為主，適用于相間和三相弧光短路、兩相和三相弧光接地短路故障。

3)若考慮母線單相弧光接地跳閘，相電流閉鎖原理對不接地、消弧線圈接地、小電阻接地等配電系統(tǒng)不適應(yīng)。目前，僅小部分弧光保護裝置考慮了配電網(wǎng)接地方式對保護靈敏度的影響，增加了零序電流、零序電壓判據(jù)，有利于提高單相弧光接地故障的反應(yīng)能力。

4)弧光保護弧光采集模式有3種形式，分別是電流型、光纖點測型、光纖帶狀型。從提高保護裝置可靠性出發(fā)，光纖形式的采集裝置遠離強干擾源，有利于提高裝置的可靠性。從故障定位需求看，點測型優(yōu)于帶狀型，可以定位到產(chǎn)生弧光的具體位置。

5)弧光保護集成方式可分為分布式和集中式。分布式的優(yōu)勢主要是便于擴展，對于有擴建需求的改造站，可以有效縮短施工作業(yè)停電時間。

通過對弧光保護應(yīng)用情況、技術(shù)原理及技術(shù)方案的梳理，提出以下建議：

1)目前各型號弧光保護的電量閉鎖條件差異較大，在開展弧光保護的配置、選型時應(yīng)合理選擇。

2)現(xiàn)階段弧光保護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、檢測標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，弧光保護裝置檢驗僅有型式試驗和廠內(nèi)檢測。電力企業(yè)應(yīng)對弧光保護裝置開展功能及性能摸底測試，完善弧光保護裝置配置方案，制定弧光保護技術(shù)規(guī)范，提出或推進相關(guān)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的修訂。

3)在電力企業(yè)中，弧光保護已試運行多年，因產(chǎn)品適應(yīng)性、質(zhì)量問題、現(xiàn)場運行維護能力等原因，弧光保護裝置發(fā)生過誤動、異常告警等問題，相關(guān)機構(gòu)應(yīng)進一步提升弧光保護的現(xiàn)場運行維護方法，研制實用的檢測裝置，制定現(xiàn)場運行維護檢修的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高母線故障的正確切除率。