淺析電弧光保護在變電站中的應用

更新時間：2023-12-14

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安科瑞陳聰

摘要：電弧光保護在變電站運行過程中具有十分重要的意義，文章對電力系統(tǒng)中的中、低壓設備的運行問題進行分析，并且提出了電弧光保護方式，迅速切除變電站運行過程中的故障點，保障變電站的安全穩(wěn)定運行。

關鍵詞：電弧光保護；變電站；安全穩(wěn)定運行；燃弧耐受時間

0引言

在變電站運行過程中，安全性和穩(wěn)定性是重要因素，近年來在變電站的建設中，由于戶內開關柜占地面積小，操作集中，方便運行和維護等特點，在變電站中大量配置中低壓開關柜運行過程中由于各種原因造成開關設備被嚴重燒毀的事故越來越多，對變電站事故的處理不當，會直接影響變電站運行的安全性與穩(wěn)定性，導致電網事故不斷擴大，不僅會帶來嚴重的經濟損失，還可能造成人員傷亡事故。在變電站設計過程中，為了保證變壓器、母線、開關設備的安全運行，都遵照相關規(guī)范配置保護裝置，但目前國內35kV及以下的母線一般不配置快速母線保護，而是由變壓器的后備過流保護來切除母線故障，由后備保護動作切除故障的時間至少為0.5s，這樣就加大了對設備的損傷程度。因此，在變電站中低壓開關柜中配置電弧光保護，一旦出現(xiàn)故障，可以及時將故障切除，防止故障進一步擴大。

1中低壓開關柜設備運行過程中的問題和運行要求

1.1開關柜設備運行過程中的問題

在變電站設計過程中，110kV及以上的母線會設置母，電壓等級在35kV及以下的母線系統(tǒng)中一般不配置快速母線保護，而是依賴上變壓器的后備過流保護來切除母線短路故障，這樣導致了故障切除時間的延長，加大了設備的損傷程度。

在設備的使用過程中母線上的操作比較頻繁，設備絕緣老化、機械磨損是必然現(xiàn)象，運行條件發(fā)生改變以及人為操作錯誤，會導致母線故障率升高，對變電站的運行存在安全隱患。

1.2開關柜安全運行要求

(1)開關柜內部燃弧耐受時間。根據IEC298標準，開關柜內部燃弧耐受時間為100ms，當前市面上銷售的開關柜是按照該標準要求設計的，開關柜使用過程中可以承受的電弧燃燒時間為100ms。由于電弧光故障一般都發(fā)生在斷路器動作前，故障短路電弧一直處于燃燒狀態(tài)，保護動作時間與斷路器分閘時間之和為電弧燃燒的持續(xù)時間。因此，從開關柜保護的角度來講，保護動作應該要在100ms內迅速做出響應，對電弧短路故障進行切除，防止故障進一步擴大而造成更大的危害。

(2)開關柜弧光故障防護。除了加強開關柜的結構外，還應對母線配置快速保護，在開關柜耐受燃弧時間以內切除故障，從根本上限制故障電弧，對開關設備的損壞和人員安全的危害。

2電弧光母線保護系統(tǒng)

電弧光保護是一種快速、可靠的母線保護系統(tǒng)，根據檢測弧光和過流雙判據原理，能夠迅速對變電站中出現(xiàn)的故障進行響應，對于各種運行方式都適用，為變電站中低壓的母線保護提供了解決方案。電弧光保護系統(tǒng)主要包括以下幾個方面的內容：

2.1主單元

主單元是電弧保護系統(tǒng)中的主要部分，主要對短路電流以及來自電弧光傳感器的動作信息進行檢測，并且對收集到的故障信息進行處理、判斷，從而發(fā)出故障處理信號，對故障進行切除。電弧光保護系統(tǒng)要在同時檢測到弧光和過流時才會發(fā)出相應地切斷閘指令，如果進線斷路器沒有及時動作對故障進行切除，則系統(tǒng)會啟動斷路器失靈保護邏輯，發(fā)出跳閘指令跳上級的斷路器進行故障切除。此外，電弧保護系統(tǒng)的主單元還會根據輔助單元傳遞的弧光傳感器的動作信息，對弧光故障點的位置進行確定，發(fā)出溫度報警信息。

2.2輔助單元

電弧保護系統(tǒng)的輔助單元一般都安裝在開關柜中，每一個輔助單元可以與10個弧光傳感器、1個溫度傳感器、1個便攜式弧光傳感器相連。當系統(tǒng)發(fā)生弧光故障的時候輔助單元可以對弧光傳感器中傳遞來的動作信息進行收集，并且將其傳遞給主單元，主單元再對故障進行分析和響應。在主單元中可以顯示輔助單元和弧光傳感器的地址編號，有助于及時對故障進行解除。

2.3弧光傳感器

弧光傳感器是對故障進行感應的主要部件，安裝在開關柜的各間隔室中，弧光傳感器是光感應元件，如果出現(xiàn)弧光故障時，光強度大幅度增加，傳感器檢測光強，將光信號轉換成電流信號，并且傳輸給輔助單元。

2.4電流單元

電流單元主要檢測系統(tǒng)中電流的變量，并且可以將其送到主控單元上，對這些數(shù)據進行分析和處理，然后將處理結果作為判斷系統(tǒng)電流情況的依據。

2.5電弧光保護系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用弧光檢測和過電流檢測的方式，實現(xiàn)對整個變電站運行設備的雙重檢測與判斷，如果同時檢測到弧光與電流增量信號，說明設備和系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，則需要快速啟動繼電器，發(fā)出跳閘的指令，當系統(tǒng)中只檢測到其中一個信號的時候，則只需要發(fā)出報警信號，通知技術人員系統(tǒng)出現(xiàn)故障即可。

安裝了電弧光保護裝置的設備和系統(tǒng)具有斷路器失靈保護功能，即當進線斷路器發(fā)生拒動的時候，會發(fā)出越級跳閘的信號，從而對上短路信號進行切斷，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

3電弧光保護在變電站中的應用

本文以某變電站為例，對電弧光保護在變電站中的應用進行分析與探討。

某變電站安裝應用了ARB5型弧光保護系統(tǒng)，幾年來系統(tǒng)的運行十分穩(wěn)定可靠，在保護母線方面發(fā)揮了重要作用。本工程的接線方式為2條電源進線，單母分段，一共有14面開關柜和2個母線橋。弧光保護配置的方式主要是：一臺ARB5主控單元，16個光探頭、300米光纖。將主控單元安裝在10kV進線柜的面板上，光探頭安裝在14面柜以及兩個母線槽中。在對本工程進行安裝的時候，是在處于運行過程中的變電站上加裝弧光設備，所以由于停電的時間較短，為了保證能夠完成安裝調試工作，要提前做好準備。安裝的步驟主要為以下幾個方面：（1）根據變電站加裝弧光系統(tǒng)的實際情況，由弧光系統(tǒng)設備廠家的設計人員對電氣安裝圖紙進行設計，將圖紙?zhí)峁┙o變電站相關技術人員審核，結合變電站的實際情況進行改進，直到圖紙符合要求。（2）對安裝所需要的輔材以及輔件進行準備，變電站要根據設計人員提供的圖紙，提前在開關柜上開好裝置以及壓板安裝孔，為安裝做好準備。（3）當變電站確定停電時間之后，要提前通知廠家，由廠家安排技術人員到現(xiàn)場進行配合安裝。變電站停電時要考慮綜合因素，確定具體時間。（4）在停電的前一天需要將主控制裝置安裝完畢，停電之后，變電站技術人員要安排弧光設備常見的技術人員，打開開關柜的柜門，在安裝完畢之后及時關閉柜門。（5）電源的進線、母線以及總控單元之間的CT線可以由變電站技術人員輔助敷設完成，弧光保護出口所跳開關也應該由變電站敷設。（6）具體的安裝和調試過程應該由廠家技術人員完成。（7）所有的裝置調試完畢之后，由廠家的技術人員對變電站的技術人員進行培訓。培訓之后要進行測試，測試驗收合格之后即完成整個項目。

在本項目中，電弧光保護系統(tǒng)要針對實際系統(tǒng)的實際情況，在技術方面，電弧光保護裝置應該能夠提供“故障報警信號”、“故障動作信號”到計算機監(jiān)控系統(tǒng)，有助于計算機監(jiān)控系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)變電站設備運行過程中的故障與問題，提高解決效率，減少對電力傳輸?shù)挠绊?。同時，電弧光保護的出口跳閘繼電器應該要滿足啟動功率不小于5W、動作電壓介于55-70之間、動作時間不小于10ms的要求。

對弧光保護系統(tǒng)進行安裝的時候，應該要遵循一定的技術規(guī)范：（1）KGN柜的安裝。在安裝KGN柜的時候應該要按照保護母線隔室、母線側隔離刀閘室的原則，在柜子上側中部進行安裝，不僅可以確保有足夠的絕緣距離，還能有足夠的角度檢測到柜內的弧光是否滿足要求。對于本項目中35kV的開關柜來講，應該在母線隔室、母線側隔離刀閘室中各自安裝一個弧光傳感器，如果是10kV，如果母線與母線側隔離刀閘同時在一室，則只需要安裝一個弧光傳感器，如果母線和母線側隔離刀閘不在同一室，則需要分別安裝弧光傳感器。（2）KYN柜安裝。安裝KYNN柜的時候只能在母線隔室安裝，在上側中部安裝不僅可以保證足夠的絕緣距離，還能保證及時檢測到柜子內的弧光。（3）為了避免電弧光保護的無選擇性跳閘情況出現(xiàn)，應該要進一步簡化二次回路，變電站中的35kV和10kV母線要采用分列運行的方式。（4）新建的變電站在投產之前應該要裝設相應的電弧光保護裝置，運行變電站可以結合開關柜的大修情況，假裝電弧光保護裝置。

4安科瑞ARB5-M弧光保護產品選型說明

ARB5-弧光主控單元