中低壓母線電弧光保護設計與應用

牛洪海，嚴 偉，王 杰

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102)

目前我國電網結構中的中壓系統，即35 kV及以下電壓等級，大多使用封閉式的中置柜以電纜引出，由于出線多，操作頻繁，運行電流大，故障過電壓高，設備安全距離與高壓設備相比有差距，制造質量近年來有下降趨勢，短路事故幾率較高。柜內母線故障的后果是其產生的氣體急劇膨脹造成開關柜爆炸，電弧高溫導致銅排、鋁排、電纜燒毀，開關設備強烈震動，導致固定件松動，高溫、強光、有害氣體、碎片飛濺、爆炸聲等會造成人員傷害。由于目前繼電保護規程中，中、低壓母線未要求配置專用母線保護，針對上述情況，傳統解決辦法[1]包括：（1）變壓器后備過流保護：考慮整定配合，保護整定時間一般為1.0 s以上，切除時間長，設備損傷程度大，甚至燒毀，影響生產運營；（2）采用饋線過流元件反向閉鎖進線的過流保護，保護整定時間為100 ms，但接線施工復雜，增加二次電纜投資；（3）母線電流差動保護，動作速度快，但由于總體投資大，且柜體安裝空間小，安裝困難；此外由于電流互感器（TA）易飽和，且裝置支路數量很難滿足間隔眾多的要求，使得母差保護應用受限。

為了保證變壓器及母線開關設備的安全運行，根據繼電保護快速性的要求，迫切需要配置專用中低壓母線保護。電弧光保護系統可在中、低壓母線發生短路故障時快速切除故障，使設備免于遭受結構性損傷。在開關柜內加裝電弧光保護裝置，當柜內有微小弧光時，可迅速切斷所有運行開關，將故障限定在最小范圍內，盡可能減小損失[2]。國外著名的開關柜生產廠家，如ABB等，其中低壓開關柜均有配套使用電弧光保護系統[3]。以南京南瑞繼保電氣有限公司的PCS-9656電弧光保護裝置為例，討論分析電弧光保護裝置的設計原理、關鍵技術及應用。

1系統基本構成

電弧光保護系統如圖1所示，包括弧光傳感器、傳輸光纖、電弧光保護裝置。

圖1系統組成

電弧光保護裝置可就地采集進線電流和弧光信號，也可以接收其他裝置或合并單元的電流信號以及其他弧光單元的弧光信號，并完成邏輯判斷、跳閘出口、事件記錄、人機交互等功能。

專用的弧光傳感器就地安裝在開關柜需要監視的小室壁，將檢測到的模擬光信號傳輸給電弧光保護裝置，由電弧光保護裝置完成光電信號轉換。

2設計原理

2.1硬件設計

保護裝置的硬件平臺采用雙核處理器作為主處理器，其內含微處理器（MPU）和數字信號處理器（DSP1），分別完成通信管理功能和保護功能，此外配置一塊光信號采集插件，由其上的DSP2完成光信號的光電轉換和數據處理。

裝置各板卡間通過高速內部總線完成數據交互，實現插件的智能化配置。硬件整體架構如圖2所示。

2.2軟件設計

MPU的運行基于實時內核的Linux操作系統，運行 包 括 MASTER、SLAVE、LCD、IEC103、IEC61850、PRINT等應用進程，負責裝置初始化管理、調試的主管理進程，以及由主管理進程協調調度的事件記錄進程、故障錄波進程、人機界面進程、通信進程、打印進程等。

圖2硬件整體架構

DSP1負責保護運算、邏輯判斷功能，DSP2負責光信號采集、計算、傳輸。保護應用程序使用元件思想進行模塊化設計，通過系統程序提供的變量 “注冊輸入”、“注冊輸出”、“注冊參數”等接口實現板內、板間數據通信。DSP1系統程序通過芯片內的共享靜態隨機存儲器（SRAM），實現與MPU之間的通信，完成信號注冊、輸入、輸出表處理。

裝置的通用模塊部分取自系統模塊庫，包括事件記錄模塊、打印模塊、人機界面管理模塊等。專用模塊包括弧光信號采集模塊、信號發送模塊、信號接收模塊、信號匯總模塊、電弧光保護元件模塊等，通過這些專用模塊可以快速搭建電弧光保護系統，完成各種接線及運行方式下的系統配置。

3關鍵技術

3.1基于光度學余弦原理的無源光傳感器

國內外同類產品已工程化使用的光傳感器中，部分為有源光傳感器，柜內完成光電轉換，以電纜進行信號傳輸，該方式將弱電信號引入強電開關小室，且傳輸過程中的弱電信號易受安裝環境的電磁干擾，可靠性降低；部分為無源光傳感器，但傳感器正前方180°全視場角范圍內的感光效果差異較大，與其產品說明書中描述的性能不符，導致監視范圍縮小，甚至會有監視死區。

為此，南京南瑞繼保電氣有限公司自主研制了基于光度學余弦原理[4]的無源光傳感器，傳感器正前方180°全視場角內的電弧光可靠監視，消除監視死區。并且光強度大小相同的入射光，通過光傳感器獲取后的感光效果應如圖3所示，即水平入射時弧光傳感器獲取的光強度應與垂直正入射時弧光傳感器獲取的光強度相當。

3.2基于工頻變化量原理的弧光保護判據

采用基于工頻變化量原理的電氣量信號判據，在保證檢測快速性的前提下，提高電弧光故障檢測可靠性，且定值整定不受系統運行方式影響，重負荷狀態下故障可靠動作，靈敏度高。

圖3光傳感器感應曲線

反應相電流工頻變化量的保護元件采用浮動門檻，正常運行及系統振蕩時變化量的不平衡輸出均自動構成自適應式門檻，浮動門檻始終略高于不平衡輸出，在正常運行時由于不平衡分量很小，裝置有很高的靈敏度。當相電流變化量大于整定值，電信號判據滿足。判據如下：

ΔIΦΦ＞ kΔIΦΦth+IΦΦth（1）

式中：ΔIΦΦ為相電流變化量；IΦΦth為浮動門檻， 隨著變化量輸出增大而逐步自動提高；k為比例系數，保證門檻電壓始終略高于不平衡輸出；IΦΦth為固定門檻，電流變化量啟動值。按躲過正常負荷電流波動最大值設定。

電信號判據與光信號判據與門輸出電弧光保護動作標志，并延時出口。電弧光保護的邏輯如圖4所示。

圖4電弧光保護邏輯

4實際應用

4.1光傳感器感光性能實測

隨機抽取光傳感器，實測感光數據見表1。可以看出，光強度大小相同的入射光，水平入射時弧光傳感器獲取的光強度與垂直正入射時弧光傳感器獲取的光強度偏差小于20%，滿足工程化使用要求。

表1光感應數據實測

4.2保護動作時間實測

開關柜內部故障電弧燃燒所產生的能量如圖5所示，電弧燃燒持續時間超過100 ms，所釋放的能量開始急劇增加，將對開關設備的電纜、銅排以及鋼材造成嚴重損壞[5]。

在動模實驗室模擬故障，裝置錄波如圖6所示。除時間小于50 ms，有效避免圖5所示的電弧燃燒釋放的巨大能量對設備的損害和人員的傷害。

4.3現場應用

PCS-9656電弧光保護已在多個35 kV，110 kV，220 kV站等工程中得到應用，可適用于單母、單母分段、多段母線等多種接線方式，為母線、饋線、箱變等設備提供電弧光保護功能[6，7]。

以重慶某鋼廠35 kV站的10 kV母線保護為例，說明其應用配置方式。該站共3段10 kV母線：Ⅰ母12個間隔，Ⅱ母5個間隔，Ⅲ母12個間隔，考慮未來擴建，Ⅰ母、Ⅲ母各需預留4個間隔。因每臺PCS-9656電弧光保護裝置最多可以接入24個光傳感器，故每段母線配置1臺PCS-9656D即可，配置如圖7所示。裝置就地安裝在進線Ⅰ開關柜107AH、進線Ⅱ開關柜203AH、進線Ⅲ開關柜307AH。

圖7電弧光保護配置示意圖

圖6電流和光強故障錄波

由波形可以看出，從故障開始到裝置動作出口時間為5 ms，計及開關固有分閘時間30～40 ms，故障切

Ⅱ母、Ⅲ母的從機完成弧光信號的采集和光電轉換，并將處理結果傳輸至Ⅰ母主機，由Ⅰ母主機歸并。Ⅰ母主機將歸并后的全站光信號下發至每臺從機，從機結合各自的工頻變化量電氣量信號判據實現母線的電弧光快速保護，保護動作后跳進線開關以及相鄰的母聯開關，在保證設備和人員安全的前提下，最大限度縮小停電范圍。該項目光傳感器共配置29個，安裝在各開關柜的母線室，監視主母線和分支小母線。保護裝置光輸入通道共預留43個，可滿足今后擴建的要求。上述配置方案簡潔明了，較國外同類產品的復雜配置，減少了用戶的維護難度，深受用戶好評。裝置投運以來，運行情況良好。

5結束語

隨著國家對中低壓配電系統安全運行要求的提高，電力公司、電廠、工業企業的新建項目已逐步將電弧光保護作為開關柜招標技術規范的技術要求之一，而且呈至上而下的發展趨勢，如云南電網公司2010年發文 “關于在中低壓開關柜加裝電弧光保護的通知”，江西省電力公司農電工作部2011年發文“關于推廣使

用電弧光保護產品的通知”等。此外，為了在設備選型、試驗、安裝、運行等環節有章可循，全國量度繼電器和保護設備標準化技術委員會已組建工作組，起草國家標準 《弧光保護裝置技術要求》（項目編號為20130678-T-604），預計2014年發布。該標準將助力弧光保護推廣的有序進行，電弧光保護的應用將更加廣泛，電力系統穩定、設備和人員的安全，都將會得到進一步提高。

[1]田廣青.電弧光保護及其在中低壓開關柜和母線保護中的應用[J].電工技術雜志，2004(1)：27-30.

[2]王梅義.高壓電網繼電保護運行與設計[M].北京：中國電力出版社，2005：138-139.

[3]吳志勇.電弧光保護在電力系統的應用[J].四川電力技術，2009，32(4)：49-51.

[4]安連生.應用光學[M].3版.北京：北京理工大學出版，2003：112-113.

[5]SIDHU T S，SAGOO G S，SACHDEV M S.Multi Sensor SecondaryDevice for Detection of Low-level Rrcing Faults in Meta-lclad MCC Switchgear Panel[J].IEEE Trans on Power Delivery，2002，17(1)：129-134.

[6]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，2009，37(16)：99-103.

[7]王德志，張愛萍.電弧光保護在應用實踐中的改進[J].電力系統保護與控制，2009，37(24)：230-231.