淺析電網中低壓母線故障新的解決方案

【摘 要】在電力系統中，變電站的中低壓母線是配電網中重要組成部分，由于多方面的原因，中低壓母線的故障幾率遠遠高于高壓母線。目前中低壓母線由于多方面原因沒有裝設快速母線保護。本文針對這一問題，提出了一種新型電弧光保護系統，來解決目前中低壓母線無快速保護的問題。

【關鍵詞】中低壓母線；快速母線保護；電弧光保護系統

0.引言

在電力系統中，變電站的中低壓母線是配電網中重要組成部分，然而，中低壓母線由于出線多，操作頻繁，容易受小動物危害，設備制造質量，人為和操作錯誤等原因，中低壓母線的故障幾率遠遠高于高壓、超高壓母線。近年來，發生多起由中低壓母線故障造成開關設備嚴重燒毀，有的甚至發展成“火燒連營”的事故。而主變壓器由于遭受中低壓側母線故障短路電流沖擊損壞的事故也逐年增加。這些配網事故處理不當甚至被擴大發展為輸電網事故，造成重大的經濟損失，現已引起了各電力公司的廣泛關注。究其原因大多是因為沒有裝設中低壓母線保護，未能快速切除故障造成的。

1.電弧的產生及危害

1.1電弧現象產生

電弧的形成是由中性質子（如空氣中的分子、原子等）被游離的過程。絕緣空間內高強度電場超過3×10^6V/m時，就會發生強電場發射和碰撞游離現象，造成整個空間都充滿了自由電子和正離子，具有很大的電導，絕緣介質被擊穿產生了電弧現象，電路再次被導通[1]。電力系統由于各種的短路原因可引起弧光，只要系統中不斷電，弧光就會一直存在。

1.2弧光危害

1.2.1弧光故障對人員的傷害

1.2.2弧光故障對設備的傷害

1.3電弧光破壞的能力及目前電力設備所能承受的程度

1.3.1電弧故障的危害程度取決于電弧能量及持續的時間，電弧產生的能量與I^2·T成指數規律快速上升。總切除時間大于100ms，將會對設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電力設備所能承受的電弧時間

目前，各生產廠家所生產的開關柜都是IEC298標準進行生產的，在標準中明確規定了內部燃燒的時間為100ms，也是就是說開關柜所能承受的電弧燃燒時間為100ms。從繼電保護的角度來說，保護動作時間加上斷路器跳閘時間不應超過100ms。燃燒的損壞程度如下表[2]。

中低壓母線發生短路故障時的短路電流對變壓器會造成嚴重的沖擊。目前國家的相關標準規定：110kV及以上電壓等級的變壓器的熱穩定允許時間為2秒，動穩定時間為0.25秒。如果保護動作的時間超過動穩定的時間就有可能造成變壓器繞組絕緣破壞或燒毀，從而造成嚴重經濟損失和社會影響。

2.現有針對中低壓母線電弧光故障的處理方案

2.1改進制造工藝上，提高設備質量，從而達到提高承受燃燒能力

主要采取的科學手段如：加強開關柜的結構，密封隔離各單元室、設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關柜的燃弧耐受時間的話，則需要增加很大的設備成本，嚴重影響了企業和電力客戶的利益。下表為國外對增加開關柜內部燃弧耐受時間和相應增加成本進行評估的結果。

2.2繼電保護方面采取的措施

2.2.1采取變壓器后備復壓過流保護來切除故障

這是目前國內應用最廣泛的中低壓母線保護解決措施。由于考慮到與出線及母線分段（母聯）開關的保護配合的問題，變壓器后備復壓過流保護保護跳閘時間一般整定為1.2秒左右，有的甚至更長，達2.0秒以上。這一動作速度很顯然是遠遠不能滿足快速切除中低壓母線弧光故障的要求。但其是最經濟的方案，可犧牲了保護的快速性。

2.2.2 采取常規母線差動保護的方案來切除故障

這是特別重要變電站采用的專用電流差動的中低壓母線保護方案，典型的保護動作時間為35-60ms，考慮到斷路器的分閘時間，這一動作速度對要求100ms 以內切除故障來說也是很慢的。采用這種方案的接線復雜，對CT的要求高，很不經濟。因此也不適合中低壓母線保護應用。

3.一種新型電弧光保護系統更換好解決了中低壓母線故障問題

據報道，我國電力系統中每年中低壓手車柜就有幾百面被燒毀。究其原因大多是因為未能快速切除故障造成的。現在出現了一種新型電弧光保護系統，就很好地解決了這個問題。

3.1 保護基理

3.1.1保護原理

電弧光保護系統是通過開關柜內發生故障時發出的電光來判斷是否發生故障。弧光是電弧的最明顯且變化最快的特征物理量，因而電弧光保護具有超高速的動作性能，整套保護的動作時間可以保證在十毫秒內，對開關柜內的故障保護來說，這種超高速動作性能是最重要的，因此可利用弧光傳感器感受光的變化動作跳閘出口繼電器。為了避免外界光干擾引起的誤跳閘，當檢測到弧光信號時，同時檢測到過流信號才發出跳閘指令，從而進一步提高了保護系統的可靠性。

保護邏輯動作框圖

3.1.2保護系統主要組成

（1）硬件組成：

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

主控單元包：含有電流檢測和斷路器失靈保護，它通過檢測短路電流和來自弧光傳感器的數據，進行處理、判斷，發出跳閘命令切除故障。在進線斷路器未能動作切除故障時，它將啟動斷路器失靈保護邏輯，發出跳閘指令給上級斷路器切除故障。此外，主控單元還提供弧光故障點的定位和溫度報警信息。

弧光單元和弧光擴展單元：用于連接主控單元和弧光傳感器。當系統發生弧光故障時，收集來自弧光傳感器的數據并傳送給主控單元。

弧光探頭（傳感器）：是一種光感應元件。當發生故障有弧光的產生時，弧光傳感器將感受到弧光信號傳遞給弧光單元。弧光傳感器安裝在開關柜內，監視那些脆弱而又重要部件。如開關柜母線間隔，開關柜下部CT和PT部件，電纜連接頭等。

（2）保護系統通訊方式：

系統采用光纖星型連接方式，主控單元和電流單元、弧光單元、弧光擴展單元、弧光擴展單元之間采用通信光纜連接。本系統通過主控單元和站內監控系統通信，主控單元可配2 路以太網，支持部頒IEC60870-5-103 等通信規約標準，方便地接入站內綜自系統。

弧光保護系統配置圖

3.1.3 保護定值的整定，保證保護可靠性

（1）弧光定值整定：

電弧光保護系統的弧光動作整定值為8000Lux（Lux是單位面積上所接受可見光的能量，簡稱照度）。故障時出現弧光的照度在6-7米的距離為9000 lux，其所包含的光譜為波長300-1500nm的光波。與其它光源有著本質的區別。

常見光源的照度表

（2）電流定值整定：

過電流的動作整定主要考慮躲過進線的最大負荷，一般整定為（1.05-1.2）倍最大負荷為宜。

3.2與傳統的母線保護快速性對比

4.結束語

現代經濟社會快速發展，電力系統配電網容量的逐漸增大，中低壓母線故障對電力系統安全運行的影響越來越嚴重。各種新型母線保護原理和裝置不斷出現，為實現中低壓專用母線保護提供了各種解決方案。電弧光保護，其原理簡動作迅速可靠，對變電站開關柜設備無特殊要求，適應于各種運行方式等特點。其有著很好的應用遠景，但也需要在實際應用中不斷地去總結、去完善提高。

【參考文獻】

[1]朱根良.中壓開關事故調查中有關弧光短路等技術問題討論.高奪開關技術通訊，2008，（6）.

[2]段紹輝.10KV高壓開關柜事故情況綜合分析.廣東省電機工程學會，1997.