智能電弧光保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用與分析

沈海泓 馮任卿 張彥生 白云飛

（1.國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 071000；2.河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊 071000； 3.國網(wǎng)石家莊供電公司，石家莊 071000）

按照我國現(xiàn)行的繼電保護(hù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在中低壓母線中原則上不配置快速母線保護(hù)。可是在我國中低壓母線設(shè)計中，設(shè)計了較多的出線柜，開關(guān)控制次數(shù)多，開關(guān)材質(zhì)比高壓開關(guān)材質(zhì)的性能差，再加上人員違反操作規(guī)程，設(shè)備長期疏于維護(hù)絕緣相應(yīng)老化及機械疲勞磨損，運行維護(hù)條件差等多種因素，所以在中低壓母線上發(fā)生的故障幾率高。比如盡年來發(fā)生的弧光事故，2004年8月6日，無錫廟嶺站10kV 3 號母線發(fā)生不對稱單相接地故障，在檢查故障線路的操作過程中，操作人員誤入間隔把3 號母線單相接地故障接到了2 號母線上，引起211 開關(guān)爆炸，并造成一臺進(jìn)口全密封110kV、31.5MVA 主變壓器因出口短路而損壞；2006年4月，廣東某供電局在一變電站進(jìn)行檢修對某10kV 出線進(jìn)行切換操作時，由于違章操作和開關(guān)柜內(nèi)聯(lián)鎖功能失效，在帶負(fù)荷拉開該帶電線路的線路側(cè)刀閘時產(chǎn)生弧光短路故障，故障電弧效應(yīng)將該線路柜后門沖開，將拿地線到停電線路柜后面的一位檢修人員灼傷；2007年9月，河北邢臺某供電局在110kV 變電站在進(jìn)行檢修時，鹿城312 出線柜內(nèi)部故障發(fā)生爆炸，在附近工作人員的3 名檢修人員被電弧火球燒傷，變電站外一臺3150kVA 變壓器因短路燒毀，變電站停電，事故造成該供電區(qū)域大面積停電3h。如此一些事故給人員和財產(chǎn)造成了巨大損失。

然而至今，國內(nèi)對中低壓母線保護(hù)意識淡薄，沒有引起足夠的重視，基本上是依靠上一級保護(hù)裝置中的后備過流保護(hù)來切除母線短路故障，這樣造成了切除故障時間較長，造成不可估量的損失。所以，為了保證母線開關(guān)設(shè)備的安全運行，迫切需要安裝專用的中低壓母線保護(hù)系統(tǒng)。

國網(wǎng)石家莊供電公司聯(lián)合保定尤耐特電氣分析國內(nèi)外弧光保護(hù)的性能及結(jié)合國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀，共同研發(fā)生產(chǎn)出了智能電弧光保護(hù)系統(tǒng)徹底解決了這一問題，該系統(tǒng)根據(jù)檢測到的電弧光信號，在極短的時間內(nèi)（＜7ms 保護(hù)動作出口）即可切除母線（及饋線）故障，保障設(shè)備及人員安全，降低損失。

1 弧光的危害

電弧故障的危害程度取決于電弧電流及切除時間，電弧產(chǎn)生的能量與I2t成指數(shù)規(guī)律快速上升。只有總切除時間小于85ms，才能使設(shè)備不遭受損害，總切除時間大于100ms，將會對設(shè)備造成不同程度的損害。

值得一提的是國網(wǎng)石家莊供電公司聯(lián)合保定尤耐特電氣共同研發(fā)的UNT-EAP 弧光保護(hù)系統(tǒng)總切除時間經(jīng)現(xiàn)場實際測試小于67ms。

2 UNT-EAP 電弧光保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成

EAP 弧光保護(hù)系統(tǒng)由 EAP2100 主單元、EAP2200 采集單元、EAP3000 饋線保護(hù)單元、弧光傳感器和光纖組成，連接如圖1所示。

圖1 智能電弧光保護(hù)系統(tǒng)連接示意

2.1 弧光保護(hù)主單元

弧光保護(hù)主單元是電弧光保護(hù)系統(tǒng)的最重要的組成部件，負(fù)責(zé)輸入信號的采集、測量、計算及邏輯判斷，實現(xiàn)各項保護(hù)邏輯。

1）弧光主單元可以提供8 路可編程的跳閘出口，可以根據(jù)現(xiàn)場情況靈活設(shè)定。

2）主單元與采集單元間具有光纖、通信雙連接，既可快速傳遞故障弧光信號，又可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3）定時發(fā)送光秒脈沖信號，檢測光纖回路是否有破損及斷開等故障隱患。

弧光保護(hù)主單元有3 個弧光輸入接口，共可接入254 個弧光采集單元；3 路電流信號采集，5 路快速輸出跳閘出口。其跳閘出口依據(jù)為發(fā)生弧光短路時的兩個條件：弧光光強及電流突變量，弧光光強和電流突變量同時滿足設(shè)定定值時則發(fā)出跳閘命令，根據(jù)弧光傳感器輸送的信號，能準(zhǔn)確地判斷故障點位置。

2.2 弧光保護(hù)采集單元

弧光保護(hù)的采集單元，提供8 路弧光采集輸入和8 路輸出，采用弧光傳感器采集弧光，并把該信號通過光纖傳遞給主單元，并有一路通信口與主單元進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)有多臺采集單元時，各采集單元間采用串行方式傳遞弧光信號，最終傳遞給主單元。

1）弧光采集單元具備故障硬定位、軟定位功能，可以通過采集單元的指示燈指示定位弧光位置。

2）弧光信號可在采集單元之間串行傳輸，從而使監(jiān)測點的數(shù)量可任意增加，且大大減少了傳輸光纖的成本，更適合于多種運行方式。

2.3 弧光保護(hù)饋線單元

饋線保護(hù)單元獨立使用，每個單元最多可提供3 個弧光輸入口，3 路電流信號采集，5 路快速輸出跳閘出口。其動作判據(jù)為發(fā)生故障時兩個因素：弧光及電流增量，弧光數(shù)值和電流增量同時滿足定值時則發(fā)生跳閘命令。

1）獨有的快速電流算法，保證電流判據(jù)的快速、可靠性。

2）全數(shù)字化設(shè)計，整定參數(shù)時無需撥碼開關(guān)及電位器等機械元件，精度高，無振動、磨損等隱患。

2.4 弧光傳感器

弧光傳感器安裝在開關(guān)柜各間隔室中，可實現(xiàn)對由簡單到各種復(fù)雜接線中、低壓開關(guān)柜提供有選擇性的保護(hù)。弧光傳感器作為光感應(yīng)元件，將檢測在發(fā)生弧光故障時突然增加的光強，并將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號傳送給采集單元。

1）檢測范圍100～500kLUX 范圍間調(diào)整。

2）弧光傳感器安裝在開關(guān)柜內(nèi)，把光信號 直接傳給弧光單元或主控單元。

3）安裝十分方便。

3 UNT-EAP 電弧光保護(hù)系統(tǒng)控制原理

圖2 電弧光保護(hù)原理

電弧光保護(hù)動作判據(jù)為故障時產(chǎn)生的兩個條件：弧光和電流增量。當(dāng)檢測到弧光和電流增量同 時達(dá)到設(shè)定值時發(fā)出跳閘指令信號；當(dāng)只檢測到單一弧光或者電流增量滿足設(shè)定值時只發(fā)出報警信號，并不發(fā)出跳閘指令。

4 UNT-EAP 電弧光保護(hù)系統(tǒng)系統(tǒng)優(yōu)點

4.1 動作迅速可靠

內(nèi)部器件使用快速繼電器，在7ms 內(nèi)發(fā)出跳閘指令，加上斷路器固有動作時間為30～60ms，這樣故障總切除時間控制在67ms 以內(nèi)。繼電保護(hù)裝置包括測量、計算、自檢、動作等時間累計約44ms，加上斷路器動作時間，差動保護(hù)和無時限電流速斷保護(hù)動作，故障切除時間約100ms。即使電流速斷保護(hù)比弧光保護(hù)多40ms，查看弧光危害示意圖，電纜已經(jīng)燃燒。如果是帶時限電流速斷保護(hù)延時100ms、過電流Ⅰ段延時300ms，已經(jīng)達(dá)到柜體燃燒甚至爆炸的可能。

通過檢測弧光強度和過電流閉鎖的兩個判據(jù)，實現(xiàn)了該系統(tǒng)保護(hù)的準(zhǔn)確動作。再加上整套系統(tǒng)持續(xù)全面的自檢功能（已取得實用新型專利），充分保證整套系統(tǒng)工作的可靠性和安全性。

表1 電弧光保護(hù)和過電流保護(hù)時間對照表

4.2 確定故障位置功能

傳感器安裝在各開關(guān)柜的間隔室中，也可以沿著母線安裝。主單元設(shè)備上記錄發(fā)生故障的位置和動作時間。

4.3 抗干擾能力強

弧光傳感器為無源型，這樣不會存在被干擾問題。大大增強了安全性。

5 應(yīng)用

石家莊市奧北公元小區(qū)配電站，現(xiàn)場共有18 個間隔，每個配電柜上配有許繼PMF702A 綜合配電保護(hù)裝置，其固有動作時間約為40ms，加上斷路器固有動作時間為30～60ms，這樣故障總切除時間一般在100ms 左右，此時電纜已經(jīng)燃燒，根本無法實現(xiàn)母線保護(hù)。

現(xiàn)在配置了一套UNT-EAP 電弧光保護(hù)系統(tǒng)：兩臺弧光保護(hù)主單元，兩臺采集單元、八臺饋線保護(hù)單元；每個間隔單元的母線室均配備一個弧光探頭如圖1所示，本系統(tǒng)在7ms 內(nèi)發(fā)出跳閘指令，總切除弧光時間小于 67ms，有效地保護(hù)了母線。UNT-EAP 電弧光保護(hù)系統(tǒng)安裝后如圖3、圖4、圖5和圖6所示。弧光投入與退出可通過壓板投退。

圖3 母線室弧光探頭安裝

圖4 弧光保護(hù)主單元安裝

圖5 弧光保護(hù)采集單元安裝

圖6 電纜室弧光探頭安裝

6 結(jié)論

通過現(xiàn)場模擬弧光現(xiàn)象的試驗更進(jìn)一步的應(yīng)征了UNT-EAP 電弧光保護(hù)系統(tǒng)快速準(zhǔn)確的故障定位與切除故障性能，說明智能電弧光保護(hù)系統(tǒng)是電氣保護(hù)一個新的重要分支，UNT-EAP 電弧光保護(hù)系統(tǒng)以感光快速和電流增量的邏輯配合使其優(yōu)越性表現(xiàn)更為突出。UNT-EAP 弧光保護(hù)系統(tǒng)具有保護(hù)邏輯簡單、動作快速可靠、系統(tǒng)配置簡單、適用性強，在現(xiàn)場安裝方便靈活，調(diào)試簡單等優(yōu)點，是目前最為理想的母線保護(hù)解決方案；在某一方面，也可以作為一種后備保護(hù)。

[1] 田廣青.電弧光保護(hù)及其在中低壓開關(guān)柜和母線保護(hù)中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)雜志,2004(1): 27-30.

[2] 電弧光保護(hù)專家,杭州瑞勝電氣有限公司.ARC Protection Specialist,Rizner Electrical Co,Ltd.Hangzhou,China.

[3] 光電式電弧光保護(hù)系統(tǒng)用戶手冊,瑞勝電氣有限公司.The User’s Manual of ARC Protection System,Rizner Electrical Co.,Ltd.Hangzhou,China.

[4] 楊建紅,張認(rèn)成,房懷英.Lyapunov 指數(shù)法在故障電弧早期探測中的應(yīng)用[J].電工電能新技術(shù),2008,27(2): 55-58.

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[6] 徐東晟,邱志人.快速滅弧開關(guān)在中壓開關(guān)柜上的應(yīng)用[J].科技與企業(yè),2012(24): 373.