電弧光保護在氧化鋁廠10kV配電系統中的應用

李云雙

摘 要：分析10kV開關柜內產生弧光短路故障的原因及危害，并在氧化鋁廠10kV配電系統中采用電弧光保護，以減少電弧光短路故障對開關柜的破壞作用，從而進一步保證氧化鋁廠供電的可靠性。

關鍵詞：電弧光保護；配電母線；短路故障

氧化鋁廠10kV配電系統都未裝設專用的母線保護。當10kV配電母線發生短路故障時，所產生的電弧光會對開關柜本體及電氣運行人員產生非常大的傷害，但是目前國標規范并不要求對10kV配電系統設置專用的母線保護，而是依靠上一級饋線開關來切除母線短路故障。由于要考慮上下級饋線開關之間的配合關系，上一級饋線開關保護跳閘時間一般整定為0.5秒以上，這就會導致故障切除時間過長，加大了開關柜本體的損傷程度，嚴重時可能造成氧化鋁廠大面積停電。該問題已引起氧化鋁廠電力設計人員的高度重視。

1 電弧光產生的原因

（1）絕緣故障。開關柜內的絕緣材料電氣距離不夠，在積灰嚴重、天氣潮濕時易發生絕緣故障。另外，運行時間較長的開關柜在機械磨損、電磁場、溫度、腐蝕等環境作用下也易造成絕緣老化，從而發生絕緣故障。

（2）電氣回路接觸不良。開關柜內電氣觸頭接觸不良、緊固螺栓松動，在大電流通過時易產生發熱狀況，從而引起絕緣擊穿。

（3）外來物體的進入，如設備正常檢修后工具遺漏在開關柜內或小動物進入開關柜。

（4）人為操作原因，如誤入帶電間隔、隔離開關誤操作、帶接地線合閘、忘記測量工作區內電壓。

2 電弧光的危害

（1）電弧光中心溫度極高（約為20000℃）。由于過熱可能導致銅排、鋁排、電纜、銅牌和鋼材熔毀氣化，過熱會導致壓力上升，可能會使開關柜爆炸。

（2）故障產生的弧光沖擊波可摧毀周圍的用電設備，若波及直流系統，可造成全所直流失電，將造成無法彌補的重大損失。

（3）高溫灼傷皮膚、爆破音振損傷耳膜、強光刺傷眼睛、爆炸碎片飛射，從而造成人員傷亡。

3 電弧光故障分析

氧化鋁廠10kV配電系統為小電流接地系統，正常狀態下三相電壓對稱，每相對地電容電流都超前相電壓90o，三相電容之和為零。當系統母線發生單相接地短路后，中性點對地電壓不再為零，系統出現中性點偏移。當為金屬性接地時，故障相對地電壓為零，非故障相電壓升高為線電壓，非故障相電流增大。當電纜出線較多、較長時，對地電容電流會很大，并會導致電弧接地過電壓，極易產生燃弧現象。IEC298標準規定開關柜內部燃弧時間是100ms，為保護開關柜免受電弧短路故障的破壞，保護動作應在100ms以內切除電弧光故障。

4 QGP322電弧光保護系統

4.1 QGP322電弧光保護原理

QGP322電弧光保護系統采用弧光檢測和過電流檢測雙判據原理。當10kV開關柜發生短路故障時，會產生弧光，弧光傳感器檢測到弧光后把信號傳遞給輔助單元，輔助單元再把信號傳送至主單元，主單元收到弧光信號后檢測電流。當弧光信號和電流過流信號同時存在時，啟動跳閘出口，發出跳閘信號。電弧光保護系統動作速度快、可靠性高。

4.2 QGP322電弧光系統組成及功能

QGP322電弧光保護系統采用模塊化結構設計，主要由主單元、輔助單元、弧光傳感器組成。

（1）主單元的功能包括判斷電流和弧光同時發生；弧光探測信號的自動采集、邏輯設置管理；對所有關聯弧光傳感器的持續監視；保護跳閘啟動方案的選擇；故障方位的精確定位；可持續的系統自檢；故障信息的管理。

（2）輔助單元用于連接電弧光保護主單元和弧光傳感器，每個輔助單元可連接16個弧光傳感器。每一個連接的傳感器都可給出一個獨立的地址信息，用于弧光保護系統的邏輯設置、監視所連接的弧光傳感器的狀態、裝置故障定位等。輔助單元與主單元之間經專用連接電纜實現通訊聯系，輔助單元之間可用連接電纜實現系統的擴展功能。

（3）弧光傳感器安裝在開關柜中，可實現有選擇性的保護?；」鈧鞲衅魇且环N光感應元件。當發生接地或相間短路故障時，因有弧光產生，弧光傳感器內電子元件將光信號轉換為電信號，并傳遞給弧光保護的輔助單元。

4.3 QGP322電弧光保護系統在氧化鋁廠10kV配電系統的應用

氧化鋁廠各10kV配電系統均采用單母線分段的接線方式，正常時為分列運行方式，兩路進線電源分別引自上級10kV總配電所，各饋出回路為所在生產區域的10/0.4kV變壓器和10kV電動機供電。

（1）弧光保護的配置。10kV配電系統的弧光保護由主單元QGP322、輔助單元QGP16L和弧光傳感器QGS20和連接電纜組成。在每個10kV饋線柜內安裝1個弧光傳感器，在母聯柜和隔離柜安裝一個弧光傳感器，在電壓互感器柜安裝1個弧光傳感器，通過輔助單元QGP16L把采集的弧光信號傳遞給主單元QGP322。主單元QGP322分別安裝在兩個進線柜上，輔助單元QGP16L安裝在母聯柜或饋線柜上，輔助單元QGP16L連接弧光傳感器QGS20不能超過16個，超過時需再增加一個輔助單元。

（2）弧光保護整定。當弧光傳感器QGS20采集到弧光信號、主單元QGP322采集到過流信號時，將發出跳閘命令跳開進線斷路器，同時將動作信號送至后臺監控系統。當任意一段母線發生母線短路時，會跳開該段母線的進線斷路器，另一段母線則保持正常運行?；」馀袚膯訔l件是弧光強度超過8000LX，電流超過正常最大負荷電流。

5 結語

開關柜內部的電弧光短路故障是一種很嚴重的故障。一旦發生，會對開關柜本體及電氣運行人員造成非常大的傷害。電弧光保護系統為氧化鋁廠10kV母線系統提供了可行的解決方案，通過在開關柜內設置電弧光保護系統，在開關柜的電弧耐受時間標準以內切除電弧光故障，可最大程度地減少弧光短路故障對用電設備的破壞，從而進一步保證氧化鋁廠供電的可靠性。

參考文獻

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（作者單位：東北大學設計院（有限公司））