淺談電弧光保護(hù)在6kv廠用系統(tǒng)母線保護(hù)的應(yīng)用

劉亞鋒

摘 要：傳統(tǒng)的中、低壓母線保護(hù)方案不能快速有效的抑制弧光造成的對(duì)人員和設(shè)備的危害。全新REF620的運(yùn)用為中、低壓母線提供了快速、安全的弧光保護(hù)。運(yùn)用反時(shí)限弧光檢測(cè)和高速過(guò)流檢測(cè)雙重判據(jù)為其安全和快速跳閘提供了保證。

關(guān)鍵詞：電弧光；系統(tǒng)母線；應(yīng)用

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，中、低壓開(kāi)關(guān)柜的應(yīng)用數(shù)量越來(lái)越多，其負(fù)荷越來(lái)越大，由于開(kāi)關(guān)柜柜內(nèi)弧光短路故障引發(fā)的中、低壓母線故障也日益增多。電弧光對(duì)變電站運(yùn)行人員以及變電站內(nèi)設(shè)備構(gòu)成了越來(lái)越嚴(yán)重的威脅。

1 傳統(tǒng)中、低壓母線保護(hù)方案

1.1 變壓器后備過(guò)流保護(hù)方案

目前應(yīng)用最廣泛的中低壓母線保護(hù)方案是要躲過(guò)出線的延時(shí)過(guò)電流保護(hù)的延時(shí)時(shí)間，故變壓器后備保護(hù)延時(shí)跳閘時(shí)間一般整定為 1.2-2.0S。例如，變低后備保護(hù)：復(fù)壓閉鎖過(guò)流的時(shí)間為1.4S。顯然這樣的配置不能滿足快速切除中、低壓母線故障的要求。

1.2 快速母線跳閘保護(hù)方案

快速母線跳閘保護(hù)方案又稱饋線過(guò)流元件閉鎖進(jìn)線過(guò)流保護(hù)方案這是近年來(lái)利用微機(jī)過(guò)流保護(hù)實(shí)現(xiàn)的中低壓母線保護(hù)方案。在這個(gè)方案中，饋線繼電器和進(jìn)線關(guān)繼電器之間通過(guò)通訊來(lái)傳遞信息，但保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為300-400ms，仍不能滿足100ms以內(nèi)快速切除弧光短路故障的要求。

1.3 高阻抗母線差動(dòng)保護(hù)方案

一些重要工程曾采用的專用中壓母線保護(hù)方案，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間一般為35-60ms。這種方案是通過(guò)接入專用的高阻抗來(lái)區(qū)別去內(nèi)和區(qū)外故障。此方案安全可靠但這種方案接線復(fù)雜、對(duì)CT的要求高，安裝在6kv-35kv母線上有很多困難，此也不適合中壓母線保護(hù)應(yīng)用。

1.4 采用電流差動(dòng)保護(hù)方案

保護(hù)動(dòng)作時(shí)間一般為20ms。這種方案接線復(fù)雜、要求專用CT，安裝在6kv-35kv開(kāi)關(guān)柜內(nèi)有困難，也很不經(jīng)濟(jì)，這是其一；其二，大型電廠和企業(yè)的一段開(kāi)關(guān)柜的數(shù)量往往超過(guò)母差保護(hù)裝置的回路數(shù)，因此也不適合中、低壓母線保護(hù)應(yīng)用。

綜上所述，現(xiàn)有的開(kāi)關(guān)柜柜內(nèi)母線保護(hù)方案顯然不能滿足快速切除開(kāi)關(guān)柜柜內(nèi)的電弧故障和保護(hù)覆蓋范圍要求的。因此，需要一種新型的保護(hù)系統(tǒng)，以解決中、低壓母線發(fā)生故障幾率較高、延遲切除故障導(dǎo)致故障擴(kuò)大，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失問(wèn)題。REF620分布式弧光保護(hù)裝置可以滿足以上要求。

2 REF620系統(tǒng)的組成及原理

傳統(tǒng)弧光保護(hù)多為專用集中式系統(tǒng)，而REF620采用分布式弧光保護(hù)設(shè)計(jì)思想，將弧光保護(hù)的模塊植入了普通饋線保護(hù)裝置中，可選擇訂貨，使用更加方便快捷，減少設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，無(wú)論是對(duì)于老站改造還是新站建設(shè)都減少了安裝成本和施工難度。REF620弧光保護(hù)保護(hù)范圍從“母線倉(cāng)+斷路器倉(cāng)+電纜倉(cāng)”也是保護(hù)功能最全的弧光保護(hù)裝置，每個(gè)開(kāi)關(guān)柜中的任何一個(gè)間隔內(nèi)的弧光保護(hù)都配置獨(dú)立的弧光保護(hù)。用REF620構(gòu)成的分布式弧光保護(hù)系統(tǒng)，在理論上這種分布式弧光保護(hù)系統(tǒng)的擴(kuò)展不受限制。光纖環(huán)和點(diǎn)探測(cè)器相結(jié)合能100%覆蓋所有可能發(fā)生弧光故障的地方。

REF620采用（電弧光+超高速過(guò)電流保護(hù)）的雙重判據(jù)原理，弧光保護(hù)的動(dòng)作最可靠、最安全、最快速。間隔保護(hù)與ADF二者構(gòu)成最經(jīng)濟(jì)的保護(hù)方案，每個(gè)饋線間隔的保護(hù)、測(cè)控等功能分別由各自的REF620保護(hù)裝置兼任。弧光傳感器+光纖監(jiān)測(cè)弧光信號(hào)（響應(yīng)時(shí)間<1.5ms）輔以超高速過(guò)電流判據(jù)（響應(yīng)時(shí)間<3.1ms）快速繼電器出口動(dòng)作時(shí)間（50微秒）普通繼電器出口動(dòng)作時(shí)間（<8ms）；可以通過(guò)IEC-61850GOOSE信息傳輸（<1ms），加上斷路器的全分閘時(shí)間：35-60ms；弧光切除總時(shí)間（計(jì)及斷路器）在40～72ms之間，是目前速度最快的電弧光保護(hù)系統(tǒng)。

3 弧光保護(hù)在電廠6kv廠用系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 情況概述

電廠6kv廠用電部分的基本情況如下：6kv廠用系統(tǒng)共四段母線，每段母線上有來(lái)自高廠變及起備變的進(jìn)線各1回。6kv母線按照國(guó)家現(xiàn)行的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并不要求強(qiáng)制裝設(shè)母線保護(hù)，母線側(cè)故障由進(jìn)線的過(guò)流保護(hù)完成，所以若母線發(fā)生弧光等嚴(yán)重故障，現(xiàn)有的保護(hù)配置方案無(wú)法做到及時(shí)切除故障。

3.2 弧光保護(hù)配置建議

本次設(shè)計(jì)弧光保護(hù)主要考慮保護(hù)6kv母線及各開(kāi)關(guān)上手車(chē)與母線接觸部分。根據(jù)前文描述，若考慮配置REF620繼電保護(hù)裝置，除了可以完成常規(guī)各間隔的繼電保護(hù)及監(jiān)控功能，還能通過(guò)設(shè)置弧光傳感器完成對(duì)母線的電弧光保護(hù)。

本次設(shè)計(jì)方案采用進(jìn)線開(kāi)關(guān)單元和饋線單元組成整體弧光保護(hù)系統(tǒng)。通過(guò)饋線弧光結(jié)合進(jìn)線過(guò)流的邏輯組合，共同達(dá)到母線的保護(hù)配合。其特點(diǎn)是，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工程實(shí)施難度低，與傳統(tǒng)6kv開(kāi)光柜機(jī)及二次設(shè)備設(shè)計(jì)只要稍作調(diào)整來(lái)考慮額外增加的弧光保護(hù)部分：如每個(gè)間隔增加的一根弧光探頭和一對(duì)出口回路。不用額外開(kāi)孔，接線簡(jiǎn)單，節(jié)約了開(kāi)光柜內(nèi)有限的二次設(shè)備安裝空間，維護(hù)工作量也大大減小。

REF620還可以進(jìn)行各種靈活的配置，以滿足變電站內(nèi)的各種要求。裝置本身在循環(huán)自檢弧光通道，如果光纖有問(wèn)題可以有告警燈提示運(yùn)行人員。可將各饋線間隔弧光的各種信號(hào)做在面板上以文字和指示燈的形式提示運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)裝置弧光元件運(yùn)行情況，并通過(guò)IEC61850通訊上送到站內(nèi)SCADA系統(tǒng)中。全站通過(guò)GPS對(duì)時(shí)，保護(hù)裝置傳輸?shù)腟OE準(zhǔn)確性得到保證。如果弧光保護(hù)動(dòng)作，運(yùn)行人員可在遠(yuǎn)方或在調(diào)度看到保護(hù)動(dòng)作的信息，可初步判斷出具體是那個(gè)間隔誘發(fā)弧光保護(hù)動(dòng)作跳閘。

圖1 弧光保護(hù)動(dòng)作的故障錄波

圖1綠色曲線為模擬的故障相A相電流，紫色的曲線為弧光變化率的曲線下為裝置個(gè)元件動(dòng)作情況，紅色虛線為保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻。橫坐標(biāo)位時(shí)間坐標(biāo)單位為周波，縱坐標(biāo)為模擬量。

從圖中可以看出，當(dāng)裝置采集到弧光變化率超過(guò)定值，到該元件動(dòng)作，再到最后出口動(dòng)作不超過(guò)3個(gè)周波。尤其是元件動(dòng)作到保護(hù)出口是沒(méi)有任何時(shí)間的延遲。其響應(yīng)速度得到了用戶的認(rèn)可。

此外，饋線間隔中的REF620還兼顧著本間隔的常規(guī)保護(hù)功能，在本站中，出線間隔配置了三段過(guò)流保護(hù)，兩段重合閘，后加速，低周減載，過(guò)負(fù)荷告警，PT斷線告警等功能。各保護(hù)元件之間相互獨(dú)立，邏輯、出口等整定靈活，且可以相互獨(dú)立配置。

3.3 方案的改進(jìn)

3.3.1 保護(hù)范圍

在本方案中，弧光保護(hù)質(zhì)保護(hù)了母線及母線側(cè)刀閘，而開(kāi)關(guān)室，電纜頭室都沒(méi)有被納入保護(hù)的范圍。每臺(tái)REF620最大可以安裝三組探頭，可以增加光纖探頭，安裝與電纜頭室和開(kāi)關(guān)室，這樣10kv開(kāi)關(guān)全部都將納入被保護(hù)范圍。整個(gè)母線也可用裸光纖代替點(diǎn)光纖達(dá)到全部覆蓋，只是施工難度比較大。

3.3.2 跳閘速度

目前此方案是通過(guò)普通遙信來(lái)傳遞下面饋線間隔弧光動(dòng)作信息，如采用裸光纖來(lái)探測(cè)母線室，將光信息直接采入進(jìn)線間隔，這樣還可進(jìn)一步縮短跳閘反應(yīng)時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

加裝REF620弧光保護(hù)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的最快跳閘方案減少了近30%的跳閘時(shí)間。REF620完善的保護(hù)、測(cè)控功能和通訊功能使其能更加靈活的運(yùn)用于各種場(chǎng)合，同時(shí)減少了二次電纜及安裝的施工量。REF620的運(yùn)用增加了電廠6kv廠用電系統(tǒng)母線的安全可靠性，降低了可能的弧光對(duì)人員設(shè)備可能造成的傷害，另一方面對(duì)于運(yùn)行和維護(hù)的成本并沒(méi)有明顯的增加。REF620為用戶提供了一個(gè)理想的保護(hù)方案。

參考文獻(xiàn)

[1]Mark Zeller and Gary Scheer，“Add Trip Security to Arc-Flash Detection for Safety and Reliability” Schweitzer Engineering Laboratories，Inc 2009.