浙能阿克蘇熱電6 kV 母線弧光保護定值整定計算

厲海斌

（浙能阿克蘇熱電有限公司，新疆 阿克蘇 843000）

運行中的電氣設備，如產生故障電弧是非常危險的。在實際工作中，很大一部分電氣設備運行時故障電弧的產生是由于操作人員的誤操作引起的，還有一部分是由設備本身出現嚴重缺陷或外來物體侵入導致的。弧光保護主要保護范圍是開關倉或母線柜內部的電弧短路故障，當故障電弧產生時，短時間內電弧的能量大，且傳播速度快，尤其是高壓電弧能摧毀其擴展途中的任何阻障物質，只要沒有徹底切斷提供能量的電源，電弧就會持續存在。電弧故障可能致使設備受到嚴重損毀、操作人員受到傷害等后果，嚴重時甚至會危及人員生命[1-2]。為了能最大限度地減少故障電弧的危害，迫切需要一種能快速高效切除故障電弧的保護裝置[3]，電弧光保護裝置因此應運而生。其能在故障電弧發生時通過快速判別，迅速切除故障點電弧。目前最快的電弧光保護裝置能在4 ms 以內切除故障電流熄滅電弧，明顯減少了故障電弧的持續時間，可有效降低設備損壞及人員受傷害程度[4]。

1 弧光產生的原因及其危害

1.1 故障電弧產生的原因

有很多原因可能引起開關柜弧光短路故障，主要可以概括為人為誤操作、外部物體影響、載流回路故障、絕緣故障及系統原因等5 個方面。

（1）人為誤操作。主要指由于操作人員操作失誤，如走錯間隔、帶地線或接地閘刀合閘、未對工作設備進行驗電而造成帶電合接地閘刀或掛接地線等。

（2）外部物體影響。主要指外部的其他物體進入開關柜，影響其正常運行。如操作人員將維修工具遺落在開關柜內，開關試驗后試驗接線沒有拆除，或者有老鼠等動物進入開關柜內部等。

（3）載流回路故障。主要指發生在載流回路中大電流流過時引起的發熱、冒火，從而引起相間或相對地擊穿等。這主要是由一些接頭的通流截面不夠、手車式開關觸頭接觸不良或者緊固螺栓發生松動導致的。

（4）絕緣故障。在強磁場作用下開關柜中絕緣材料自身缺陷，且運行使用年限較長，柜中絕緣可能會發生老化甚至損毀，從而導致故障。此外，開關柜中絕緣材料劣化，絕緣距離不夠，未能滿足加強絕緣要求，或處在臟污或濕度較高的環境下使用等情況，均有可能導致絕緣故障的發生。

（5）系統原因。系統問題產生的原因比較復雜，電氣系統設備運行方式或設備容量的變化，如系統接地方式變化產生的影響，隨著設備增加系統應用電纜亦隨之增多后的影響，保護配置不當如保護選型、參數設置、級差配合不合理等影響，系統操作過電壓，設備選型或系統配置不合理產生的諧振過電壓影響等，都會有導致開關柜內產生弧光短路故障的可能。

1.2 故障電弧的特性與危害

中性點不接地的電氣系統發生弧光放電方式接地時往往伴隨產生弧光過電壓，弧光接地經常發生在電氣系統或電氣設備的絕緣相對薄弱環節，當其中某一相對地產生弧光放電時，導致其他兩相的對地電容不斷通過電源電感對其進行充放電，因此產生過電壓。事實上，當其中某一相導體發生弧光放電時，故障點通過的電流僅僅是其他兩相導體的對地電容電流，通過實際測量和試驗，維持弧光放電所需電流最大不超過幾十A，所以很大可能不會導致保護裝置動作切斷電源。弧光放電使得電氣系統中的參數如容抗、感抗和阻抗因此發生明顯變化，很可能造成電氣系統某個局部或整個電氣系統產生過電壓，因而引發事故。實際上受到整個電氣回路參數的制約，部分弧光放電事故并不一定就能造成較大的危害。因為，由于自然滅弧條件不足，電弧不一定會在通過高頻電流零點時熄滅，發弧未必都會在高頻波的幅值發生，此外，線路各相導線間還存在相互電容，系統中也還會有損耗使振蕩衰減及電弧中會有壓降等，在這些因素的作用下，過電壓在多數情況下小于3Uxg，這是供電設施一般都能夠承受的。甚至可能，這種故障都不會被察覺，比如，如果是充油電纜發生故障，其在第1 次放弧后即可恢復絕緣，止住放弧。

1.3 故障電弧的危害及防護措施

間歇性電弧的主要危害，其一方面會導致金屬性接地，開關跳閘；另一方面，會誘發諧振，進而釀成更大的事故。電弧燃燒是中壓母線故障的直接表現形式，造成設備的破壞表現有：故障電弧發生時肯定會有大量高溫高壓的氣體伴隨產生，高溫高壓的氣體壓力波在有限空間的開關柜內傳播時就會產生嚴重破壞，可造成開關柜的柜體發生強烈震動、固定元件松動脫落，嚴重時還會造成開關柜變形、甚至炸裂破碎；高溫環境下，短時間內就能造成電纜和所有絕緣材料的燃燒，燃燒產生的高溫能使導電銅排或鋁排燒熔、氣化，電纜和絕緣材料燃燒肯定會產生大量有毒有害的濃黑煙氣，燃燒后含有大量碳黑甚至氣化金屬的煙氣將以極快的速度在開關柜內迅速擴散，甚至擴散到整段母線，在相關一、二次設備表面造成嚴重污染，使得設備絕緣大幅度降低，嚴重時可能造成短路，絕緣值為0。對人員的傷害上來說，電弧光產生的強光會灼傷人的眼睛，其伴隨的高溫會對人的皮膚產生灼傷，感應電流會對人的肌肉和神經產生損害，同時，高溫高壓氣體產生的壓力波造成的爆破壓力可能會致使人員墜落或被碎片擊傷，爆破時產生的強大聲響會使人體耳膜甚至內臟因為巨大震動產生損害，而燃燒中產生的有毒氣體還會對人體呼吸系統造成傷害。

設備生產廠家為了降低開關柜弧光短路故障時產生的危害程度，一般選擇采取加強開關柜整體結構，或通過設置專門的釋放孔板和泄壓通道等措施進行防護。這些措施的采用一定程度上能夠起到減少電弧短路故障時造成的損害程度，但增加了設備生產廠家的制造成本，使得電力企業采購和使用成本也隨之增加。

除了上述這些防護性措施，如果要從根本上解決開關柜弧光短路故障，從而減少其對工作人員和設備裝置產生的不良影響和危害，可以考慮從以下2 方面入手，采取更為積極的防護措施。一是在故障電弧產生時應設法降低開關柜內設備的損壞程度，有效減少連鎖效應，防止其他設備受到大的牽累損壞；二是在開關柜內故障電弧產生時能有專用的保護快速有效切除故障，可使開關設備最大程度上降低損壞，減少損失。這種積極性防護措施不但極大地減少開關設備損壞而產生的維修費用，并且可以保護附近工作人員免受電弧故障效應的傷害，此外還能降低設備維修難度和減少維修時間，可盡快恢復正常生產，最大限度地減少設備停電時間，降低影響。另外對一些投運時間較長，可能急需更新改造的開關柜，在其開關柜內采用電弧光保護配置后，可以進一步延長其有效使用壽命，降低改造成本，節約費用。

2 浙能阿克蘇熱電6 kV 母線電弧光保護系統簡介

浙能阿克蘇熱電有限公司是浙江省迄今為止最大的產業援疆項目，位于新疆維吾爾自治區阿克蘇市紡織工業城東北部，項目總投資34 億元，于2017 年5 月24 日全面建成2 臺35 萬kW 超臨界熱電聯產機組并投入商業運行。每臺機組分別配有2 段6 kV 母線，2臺機組共配有2 段公用6 kV 輸煤段母線。

阿電公司6 kV 母線電弧光保護采用的是杭州瑞勝生產的RIZNER APSII 型電弧光保護裝置，為確保保護裝置動作的正確可靠，電弧光保護動作由電弧光強度判據和電流判據2 個條件組成，當這2 個條件同時均滿足時才會觸發保護動作，快速切除對應電源開關或母聯開關。6 kV 1A/1B 段、2A/2B 段母線分別配置1 套電弧光保護，出口跳對應段的電源開關且閉鎖對應段的快切功能；6 kV 輸煤A/B 段母線共用1 套電弧光保護，內部邏輯及跳閘出口是分開的，出口分別跳對應段的電源開關或母聯開關。電弧光保護主控單元安裝在電源開關柜面板上，每個開關柜及電纜倉內均安裝有弧光傳感器單元。

RIZNER-APSII 電弧光保護系統由主控單元、電源模塊、弧光傳感器及光纖等組成。其中主控單元是電弧光保護系統的核心部件。保護裝置電流元件和弧光傳感器檢測到的故障電流和弧光信號通過保護裝置的主控單元進行判斷、分析和處理，在滿足保護邏輯判斷時，觸發跳閘指令快速啟動保護裝置動作出口，迅速切除故障。

3 電弧光保護裝置定值設定要求和定值設定原則

3.1 電弧光保護裝置定值設定要求

電弧光保護裝置是近些年來專門針對中壓開關弧光短路故障而研發的，我國關于電弧光保護裝置主要有以下3 個推薦標準，均是2016 年頒布的，分別為：DL/T1504—2016《弧光保護裝置通用技術條件》，NB/T42076—2016《弧光保護裝置選用導則》，GB/T14598.302—2016《弧光保護裝置技術要求》。在《弧光保護裝置選用導則》及《弧光保護裝置技術要求》標準中均沒有對電流判據作出具體要求。只有在《弧光保護裝置通用技術條件》標準的附錄D（整定原則建議及運行維護說明）中，對弧光保護整定原則作了推薦性要求，具體描述如下：弧光保護要求必須接入電源開關電流或母聯開關電流作為判斷依據，弧光保護動作電流整定值應按躲過系統運行中最大負荷電流In來進行計算，建議設置值在1.1 In～1.3 In之間進行選擇。

3.2 定值設定原則

弧光強度和電流這2 個判據一般作為電弧光保護動作的必要條件，當這2 個條件同時滿足時保護裝置才能發出切斷對應開關的操作指令，保護裝置僅檢測到其中任意一個條件時只能發報警信號。其中弧光傳感器在每面開關柜內均有安裝，弧光傳感器監測角度要求大于300°，監測死角盡量要小，光照度整定值可在0.63～22.8 KLux 范圍之間調整，要求能可靠躲過柜外強光手電的照度。電流保護電流動作值，一般有以下2種：一是按當時電氣回路的系統最大負荷電流來進行整定計算，保護動作整定值要躲過最大負荷電流；二是按當時電氣回路的系統最小短路電流來進行整定計算，保護動作整定值應小于兩相短路電流或小于單相接地短路電流。

4 阿電公司電弧光保護定值整定

4.1 6 kV 母線參數

4.1.1 機組6 kV 母線

表1 展示了機組6 kV 母線的具體參數。

表1 機組6 kV 母線的具體參數

表2 展示了機組6 kV 母線的短路電流計算。

表2 機組6 kV 母線的短路電流計算 kA

4.1.2 輸煤6 kV 母線

表3 展示了輸煤6 kV 母線的具體參數。

表3 輸煤6 kV 母線的具體參數

表4 展示了輸煤6 kV 母線的短路電流計算。

表4 輸煤6 kV 母線的短路電流計算 kA

4.2 弧光保護原理及整定原則

4.2.1 弧光保護原理

弧光保護裝置作為高壓母線的快速保護，采用弧光強度和電流判據，2 個判據同時滿足時發出跳閘指令，任何一個滿足時僅發出報警信號。

4.2.2 整定原則

依據DL/T 1502-2016《廠用電繼電保護整定計算導則》中第8.4 條說明，當火電廠的廠用中壓母線采用弧光保護作為母線故障的主保護配置時，其整定計算如下。

（1）弧光保護裝置電流定值的設置要求按躲過母線正常運行時電源進線的最大負荷電流來進行整定計算

式中：Krel為可靠系數，取1.1～1.3，本計算取1.2；If為母線正常運行電源進線的最大負荷電流二次值。

（2）弧光保護裝置動作時間的定值整定。弧光保護裝置的動作時間無需與其他保護的動作時間進行配合，建議在0～20 ms 之間進行選取。

（3）弧光保護裝置出口動作方式。保護動作后跳所接母線電源開關或母聯開關、有電源快切功能的閉鎖其快切功能。

4.3 弧光保護電流整定

4.3.1 機組6 kV 母線

（1）按躲過母線正常運行時電源進線的最大負荷電流整定。

最大負荷電流按與機組6 kV 母線上最大功率電動機啟動電流配合計算

式中：IE為高廠變低壓側分支一次額定電流；Kst為電動機起動電流倍數，取6～8，本計算取7；IM.N.max為直接啟動最大容量電動機的額定電流，引風機396 A；na為機組6 kV 母線電源進線CT 變比4 000/1。

故Iop=1.2If=1.2×1.28=1.53 A，取1.5 A，對應一次值為6 000 A。

（2）弧光保護中的設定值是以開關CT 二次額定值的倍數來設定的，主機6 kV 段進線電源開關CT 變比為4 000/1，CT 二次變比為1 A，故弧光保護中電流整定倍數為1.5。

（3）動作時間：采用弧光保護快速出口接點，無延時。

（4）動作出口：

6 kV 1A 段母線弧光保護動作跳6 kV 1A 段工作電源開關（6 kV 1A 段備用電源開關），并閉鎖6 kV 1A 段廠用電快切裝置；

6 kV 1B 段母線弧光保護動作跳6 kV 1B 段工作電源開關（6 kV 1B 段備用電源開關），并閉鎖6 kV 1B段廠用電快切裝置；

6 kV 2A 段母線弧光保護動作跳6 kV 2A 段工作電源開關（6 kV 2A 段備用電源開關），并閉鎖6 kV 2A 段廠用電快切裝置；

6 kV 2B 段母線弧光保護動作跳6 kV 2B 段工作電源開關（6 kV 2B 段備用電源開關），并閉鎖6 kV 2B段廠用電快切裝置。

4.3.2 輸煤6 kV 母線

（1）按躲過母線正常運行時電源進線的最大負荷電流整定。

最大負荷電流按與輸煤6 kV 母線上最大功率電動機啟動電流配合計算

式中：IE為輸煤6 kV 電源進線一次額定電流；Kst為電動機起動電流倍數，取6～8，本計算取7；IM.N.max為直接啟動最大容量電動機的額定電流，考慮2 號皮帶機與碎煤機同時啟動，總額定電流為57.6+34.5=92.1 A；na為輸煤6 kV 電源進線CT 變比800/1。

故Iop=1.2If=1.2×1.44=1.73 A，取1.7 A，對應一次值為1 360 A。

（2）弧光保護中的設定值是以開關CT 二次額定值的倍數來設定的，輸煤6 kV 段進線電源開關CT 變比為800/1，CT 二次變比為1 A，故弧光保護中電流整定倍數為1.7。

（3）動作時間：采用弧光保護快速出口接點，無延時。

（4）動作出口：

6 kV 輸煤A 段母線弧光保護動作跳6 kV 輸煤A段電源開關及6 kV 輸煤A 段、B 段聯絡開關；

6 kV 輸煤B 段母線弧光保護動作跳6 kV 輸煤B段電源開關及6 kV 輸煤A 段、B 段聯絡開關。

5 結束語

火電廠一般配有較多的中壓開關設備，近些年來，中壓開關及中壓母線一般均要求配置弧光保護裝置作為其故障的主保護，保護動作對象就是短時內有較大能量產生、爆發速度極快及破壞力驚人的電弧短路故障，只要故障點電源沒有切斷，弧光破壞就會持續存在。其釋放的破壞能量與電弧持續時間成正比，因此要想最大程度降低損失，時間是最主要的因素。因此對弧光保護裝置而言，其保護動作出口至故障點電源切除的動作時間越短越好，不應采用延時方式。電流是弧光保護2 個條件的組成之一，是弧光保護裝置最主要的判據，對其可靠性要求非常高。按電氣回路中系統最小短路電流來對弧光保護的電流設定進行整定計算時，經常因為電氣系統各回路阻抗計算較為復雜，要非常精準計算最小短路電流值來進行整定相對比較困難。但是如果按電氣回路中系統最大負荷來進行整定計算電流，只需按整定標準規定的系數上限值來進行整定計算就能滿足規范要求，相對還是一種比較簡單、可靠且穩妥的方法。