電弧光保護系統在20 kV母線保護中的應用

方景輝，徐俞音，朱曉峰，徐偉明

（嘉興恒創電力設計研究院，浙江嘉興314033）

電弧光保護系統在20 kV母線保護中的應用

方景輝，徐俞音，朱曉峰，徐偉明

（嘉興恒創電力設計研究院，浙江嘉興314033）

為有效提高20 kV配電網供電可靠性，有必要對20 kV母線保護方案加以探索和改進。在分析比較現有20 kV母線保護方案的基礎上，提出了電弧光保護方案并闡述了其基本原理和系統組成。結合嘉興110 kV金沙變電站工程實例，分析探討了20 kV雙單母接線、單母四（六）分段環形接線等3種情況下電弧光保護系統的各種配置方案，得出20 kV母線典型接線方式下最優配置方式。

20 kV；母線；電弧光保護；分段環形接線

20 kV電網具備輸送能力大、供電范圍廣、運行損耗低、電能質量好等優點，在減少變電站布點、線路廊道占用，大幅降低網損、促進節能減排等方面起到了很好的示范性作用。在國際上，美國以及德國、法國、意大利等80%的歐洲國家采用20～25 kV作為城市供電的中低壓配電電壓。在國內，20 kV電網剛剛起步，在建設、改造與運行過程中必然會遇到不少問題，為有效提高20 kV配電網供電可靠性，有必要加強20 kV母線保護的力度。以EagleEye電弧光保護系統為例，探討其在金沙變20 kV母線保護中的運用。

1 20 kV母線保護方案及存在問題

針對20 kV開關柜內部弧光故障（相當于20 kV母線故障），大都以主變后備過流保護為主保護，但由于過流保護為保證其選擇性，動作時限需要按照階梯原則配合，故障切除時間過長（1．5～2 s），而開關柜額定耐受電弧時間只有100 ms。為加快切除20 kV母線故障的速度，可考慮母差保護，但由于母差保護存在接線復雜、對TA（電流互感器）要求高、保護范圍受到TA安裝位置限制以及價格高等問題，也不太適合廣泛應用于20 kV母線保護中。

電弧光保護是基于開關柜內故障時產生弧光的原理而設計的母線保護系統，澳大利亞RIZNER公司生產的EagleEye電弧光保護系統自1997年投放市場后成功地在芬蘭、瑞典、挪威及俄羅斯等國廣泛使用，國內也已引進弧光保護產品。

2 電弧光保護機理分析

2.1 電弧光保護的基本原理

電弧光保護主要動作依據為故障產生的2個變量：弧光及電流增量。當同時檢測到弧光和電流增量時才會發出跳閘命令；當只檢測到弧光或者電流增量時只發出報警信號，不發出跳閘指令。電弧光保護的特點：

（1）動作迅速可靠。保護系統在1 ms內發出跳閘信號，使開關柜內電弧光故障總切除時間控制在100 ms以內，通過檢測弧光信號和過電流閉鎖的雙判據原理，實現了保護的可靠動作。

（2）故障定位準確。系統根據傳感器安裝位置上顯示故障發生的位置，實現分區保護。

（3）抗干擾能力強。系統采用無源弧光傳感器和光纖星形連接方式，因此抗干擾能力強。

（4）配置靈活、適應性強。通過對弧光和過電流動作信號的靈活編程，可對各段母線提供選擇性保護，適用于不同類型的接線和運行方式。

2.2 EagleEye電弧光保護系統的組成

2.2.1 MU（主控單元）

主控單元用于管理、控制整套電弧光保護系統。它檢測故障電流和弧光信號并進行處理、判斷，在弧光故障時發出跳閘指令。主控單元可選用4個數據輸入接口和16路光輸入口，共4+16個弧光檢測接口，輸出接口包括4路快速跳閘輸出和6路常規繼電器跳閘輸出。

2.2.2 CR（電流單元）

電流單元用于檢測A，B，C三相過電流信號，它可以匹配1 A，2 A和5 A的TA，過電流整定值可在50%～500%間內選擇。當電流單元感受到過電流后，通過光纖和數據線傳輸至主控單元，主控單元依據設定的邏輯判斷是否發出跳閘命令。

2.2.3 ARC（弧光單元）

主控單元可選用16路的弧光檢測接口（由弧光傳感器輸入）。若檢測點超過16個，可使用弧光單元，弧光單元檢測到的信號（共10路）通過光纖和數據線傳輸至主控單元。

2.2.4 FLS（弧光傳感器）

專用于母線保護的無源弧光傳感器安裝在開關柜母線室內探測弧光的光感應元件。當發生電弧光故障時，光強度大幅度增加，弧光傳感器將光信號傳送給主控單元或弧光單元，弧光傳感器的感光強度可調節，調節范圍為10～50 kLux。

3 電弧光保護的應用

3.1 雙單母接線

雙單母接線是單臺主變下20 kV出線的典型接線。雙單母需考慮安裝弧光傳感器的間隔數應在20個左右（已考慮后期擴容情況），如圖1所示。在此方式下，若主控單元自帶16路弧光檢測口時，加上通過光傳輸口L1和L2進裝置的2路光信號，最多可接18路光信號，但L1與L2被占用后會限制裝置的功能，因此當弧光信號輸入超過16個時，推薦采用弧光單元。綜合考慮，雙單母接線配置1個主控單元和1個弧光單元比較合適，主控單元需接兩個電流單元，最多可接入27路弧光信號，包括主控單元自帶的16路光輸入口和弧光單元的10路，再加上光傳輸口L2（L1，L3和L4已用于接弧光單元和電流單元）。

圖1 雙單母接線弧光保護配置

110 kV金沙變本期工程為典型的主變低壓側雙單母接線，1號主變Ⅰ與Ⅱ段母線共有17路弧光信號輸入，因此在1號主變進線Ⅰ母分支開關柜的二次控制室門板上安裝MU主控單元，在Ⅱ母分支開關柜上安裝ARC弧光單元。同時在Ⅰ與Ⅱ母分支開關柜上分別安裝CR電流單元，串接于柜內保護TA，作為弧光保護的輔助判據，并在每個開關柜母線倉與斷路器倉的隔板上安裝弧光傳感器。

具體配置方案為：1套弧光保護系統，含16路光輸入口主控單元1臺，弧光單元1臺，電流單元2臺，弧光傳感器17個，光纖、數據線若干。

當同時采集到弧光信號和過流信號時，將啟動跳閘跳開相應分支開關并閉鎖20 kV分段備自投，同時將動作報警、裝置異常等信號傳送至主變測控裝置。

3.2 單母四分段環形接線

3.2.1 運行方式

金沙變2號主變投入后，低壓側為單母四分段環形接線，見圖2。在這種接線方式下，主要有2種運行方式，一是2條進線分列運行，分段開關Ⅰ與Ⅱ斷開，4段母線任意1段故障時保護跳開相應的分支開關，當分段開關熱備用（橋備）并投入母聯自投時保護還應閉鎖備投，以免備投動作誤合于故障母線；二是分段開關Ⅰ與Ⅱ合上，由1條進線帶4段母線運行方式，例如1號主變進線帶4段母線運行，此時若Ⅰ母故障則跳開1DL，Ⅱ母故障則跳開2DL；Ⅲ母故障只需跳開分段開關1，Ⅳ母故障跳開分段開關2；若Ⅲ或Ⅳ母故障后，分段開關1或2拒動，則跳開2DL或1DL，即通過1號主變或2號主變低后備保護來實現20 kV母線的遠后備保護。

在線路備用情況下，當另一條進線分支開關熱備用時保護應去閉鎖備自投裝置以免備投動作誤合于故障母線。

3.2.2 系統配置方案

在系統的配置上，4個分支配置4個電流單元，一般而言，4段母線要求安裝弧光傳感器的間隔數應為40～50個，即使有小于此數的，也需考慮到后期20 kV出線擴容，所以應在主控單元和弧光單元的配置上應保持相應的裕度。

方案一：為減少主控單元間的信號互聯，可設想只采用1個主控單元，使其能采集到4段母線上任意點的弧光信息及所有過流信號，提出如下方案：1條進線上安裝1個主控單元和1個弧光單元，而另一條上安裝2個弧光單元，但該方案存在以下問題：4個電流單元占滿了4個數據輸入接口（L1—L4），無法再接弧光單元。

方案二：每條進線（含2段分支母線）均配置1個主控單元和1個弧光單元。單母四分段環形接線相比雙單母接線增加了2條分支母線，在這種運行方式下，進線1停電時由進線2通過分段開關Ⅰ和分段開關Ⅱ同時向Ⅰ段母線和Ⅱ段母線供電，由于進線1的Ⅰ與Ⅱ分支電流為零，不滿足電弧光保護弧光信號及電流增量雙判據原理，若上述2條進線只是簡單地各自配置了1套獨立的電弧光保護系統（1個主控單元和1個弧光單元），相互之間沒有弧光信號互送，則在此情況下，這2段分支母線上的故障不能由相應弧光保護系統切除。因此要能實現有選擇性地跳閘，則低壓母線Ⅲ與Ⅳ段上的弧光信息要傳給安裝在Ⅰ段上的主控單元Ⅰ，低壓母線Ⅰ與Ⅱ段上的弧光信息要傳給安裝在Ⅲ段上的主控單元Ⅱ，如圖3所示。因此在金沙變遠景2臺主變工程中采用方案二。

方案三：考慮配置3個主控單元和1個弧光單元。但該方案存在以下問題：主控單元Ⅲ在已接入2路電流單元、1路弧光單元的情況下，由于數據輸入接口（L1—L4）的限制，無法全部接入由主控單元Ⅰ與Ⅱ上送的弧光傳感信號。

圖2 單母四分段環形接線系統

圖3 單母四分段環形接線弧光保護邏輯

方案四：每條進線均配置2個主控單元（即每段分支母線配置1個主控單元）。每個主控單元接入該分支的1路電流單元、1路對側分支母線弧光信號以及本分支的弧光信號，但由于主控單元價格高于弧光單元，因此此方案的經濟性較差。

圖4 單母六分段環形接線系統

3.3 單母六分段環形接線

3.3.1 運行方式

考慮金沙變遠景擴建3號主變，則主變低壓側為20 kV單母六分段環形接線，如圖4所示。正常運行方式為分列運行，當某1條進線不能工作時它的2段分支母線由相鄰的分支母線通過分段開關來供電；當2條進線不能工作，例如進線2和進線3全停的時，由進線1通過分段開關Ⅰ和分段開關Ⅲ分別向Ⅲ段母線和Ⅵ段母線供電，但Ⅳ段母線和Ⅴ段母線依然停電，但該方式較少運用。

3.3.2 系統配置方案

一般110 kV/20 kV變電站最多為3臺主變同時運行，因此20 kV母線通常最多為六分段環形。因此只需討論六段母線電弧光保護系統的配置思路，提出如下方案。

方案一：每條進線（含2段分支母線）均配置1個主控單元和2個弧光單元。但該方案存在以下問題：主控單元Ⅰ在已接入2路電流單元、1路弧光單元的情況下，由于數據輸入接口（L1—L4）的限制，無法全部接入由主控單元Ⅱ與Ⅲ上送的弧光傳感信號。

方案二：為了保護系統的可靠性，每條進線均配置2個主控單元，即每段分支母線上均安裝1個主控單元和1個電流單元，弧光單元根據弧光傳感器的數量和主控單元上弧光輸入口的數量來確定是否選取，一般情況下16路弧光接入信號可滿足接入要求，無需再接入弧光單元。單母六分段環形接線相比于單母四分段接線增加了2條分支母線，但與單母四分段接線原理相似，想要實現有選擇性地跳閘，只要將本側母線分支上的弧光信息傳送給安裝在對側段上的主控單元，即母線Ⅱ與Ⅲ段，母線Ⅳ與Ⅴ段，母線Ⅵ與Ⅰ段上的弧光信息實現互傳，在金沙變遠景3臺主變工程中擬采用方案二。

4 結語

金沙變一期雙單母電弧光保護系統的實際運行情況表明，電弧光保護系統在快速切除20 kV母線故障、提高電網穩定、減少停電時間、減少設備損失等方面發揮了重要作用，為改進20 kV母線保護、提高20 kV配網供電可靠性提供了新的方案。

[1]萬山景，王堅，張梓望.電弧光保護系統配置方案探討[J].電力系統保護與控制，2009，36（16）:99-103．

[2]樊建軍.電弧光保護在中低壓開關柜和母線保護中的應用[J].內蒙古電力技術，2008，26（2）:53-55．

（本文編輯：楊勇）

Application of Arc Light Protection System in 20 kV Bus Protection

FANG Jing-hui，XU Yu-yin，ZHU Xiao-feng，XU Wei-ming
（Jiaxing Hengchuang Electric Power Design＆Research Institute，Jiaxing Zhejiang 314033，China)

In order to improve power supply reliability of 20 kV distribution networks，it is necessary to explore and improve 20 kV bus protection scheme．On the base of comparing existing 20 kV bus protection schemes，the paper proposes arc light protection scheme and elaborates on basic principles and system components．In combination with 110 kV Jinsha substation project in Jiaxing，the paper discusses various configuration schemes of arc protection system in case of 20 kV single/double bus and single-bus four（six）-segment annular connection，and it concludes optimal configuration mode in typical connection of 20 kV bus．

20 kV；bus；arc light protection；segmented annular connection

TM771

：B

：1007－1881（2013）01－0020－04

2012-05-08

方景輝(1981-)，男，西安人，高級工程師，主要從事電力設計技術管理工作。