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    浅谈电弧故障与弧光保护在中压开关柜应用
    2021年2月19日

    摘要:本文介绍了6-35kV中压开关柜内部发生电弧故障的原因、危害,以及弧光保护在中压母线保护中的原理、用途、应用关键点,同时还介绍了弧光保护应用现状。

     

    关键词:中压开关柜;电弧光保护; 母线保护

     

          中压成套开关柜作为供电系统的枢纽,由于开关柜尺寸较小、绝缘损坏、产品缺陷等导致开关柜内电弧故障,该类事故危害性高,严重的造成开关柜烧毁、人员伤亡和用户长期停电。所以,当发生开关柜电弧故障时是能否迅速切除故障,对变电站配电系统的安全运行至关重要。另一方面,用户对供电的可靠性要求也越来越髙,基于以上原因,有必要对中压开关柜装设专用快速母线保护-弧光保护。

           6-35kV中压开关柜在电力系统中常见故障有过流、过压、短路、电弧等,其中以电弧故障对人身安全和设备危害很大。在我国由于电弧短路事故造成的中压开关柜严重烧毁事故时有发生,如2012年7月,浙江某110kV变电所,10kV出线柜断路器上触臂短路,导致相间弧光短路,断路器上触臂、开关柜金属活门熔化,本柜烧毁报废,相邻开关柜损坏,该段母线停电。2013年2月,浙江某110kV变电所,10kV柜间母线桥架内,位于开关柜柜顶处的穿墙套管处绝缘击穿,母线相对地电弧短路故障,导致桥架内C相母排熔化,桥架及母排损坏,桥架拆除维修,该段母线停电等等。

    1.1 电弧故障产生的原因

          引起开关柜内部电弧短路故障的主要原因有:

    (1)开关柜使用的导电体性能不良。

    (2)元件损坏,开关柜内部元件(或零部件)因未得到良好的维修和保养而损坏。

    (3)绝缘材料损坏, 主要有绝缘材料缺陷(如裂痕),投运年限长久的开关柜因绝缘件老化,最终造成绝缘损坏导致故障。绝缘材料不满足加强绝缘要求,绝缘爬距不足,潮湿、多灰尘污染环境使用等,导致绝缘故障。

    (4)人或者动物误入,如小动物进入开关柜内部,接触到带电体导致故障。

    (5)施工(维修)人员将工(器)具遗忘或误放在开关柜内,导致故障。

    (6)操作过程的失误,如未按正确程序停电、验电、接地操作,走错间隔等。

    (7)单相接地、谐振、雷电等造成的系统过电压。

    (8) 电网结构的改变,如系统容量的增加,电缆应用增多等。

     

    1.2 6-35kV开关柜电弧故障的危害

          开关柜内电弧短路故障的危害主要造成开关设备及邻近配电设备的损坏和对现场工作人员的伤害。

    (1)中压开关柜电弧短路故障对设备的危害当中压开关柜发生电弧故障时, 瞬时功率最大可达40MW,电弧内部温度可达10,000-20,000 °C,电弧甚至可以通过绝缘物体传播,不 仅引起绝缘物质燃烧,而且可以引起金属熔化飞溅,构成引发火灾的火源。在高能电弧及故障电流长时间的作用下,开关柜自身会损毁,变压器会受到严重冲击或损坏 ,由于故障往往未得到及时切除,发展为中压母线故障,其危害是非常严重的,可能导致“火烧连营”多组开关柜同时烧毁。巨大的母线短路冲击电流造成主变压器损坏也有发生,甚至造成发电厂厂用电瓦解、重要用户停电。

    (2)中压开关柜电弧短路故障对人的危害当开关柜发生内部电弧故障时,对附近的工作人员危险性很大。电弧爆炸散发出大量的热能辐射和飞溅的熔化金属,造成的烧伤是最严重的伤害;弧光的光强约9000LUX,而人眼感受到的最大光强约300LUX,很容易使人的眼睛刺伤,暂时性失明;电弧爆炸火灾产生的巨大的声响,对人的听觉造成伤害,可能引起休克;电弧火灾产生臭氧、氮氧化物等有毒气体伤害呼吸系统,可能引起窒息。

    2 电弧故障的特性及传统保护的局限性

    (1)根据国内外试验研究,燃弧时间与造成开关柜损坏程度关系如下:

    1)燃弧时间<35ms,无显著损坏,开关柜经绝缘检测试验合格后一般可以投人使用。

    2)燃弧时间<100ms,损坏较小,开关柜经内部清洁,简单维修,检验合格后可以再次投人运行。

    3 )燃弧时间500ms,损坏极其严重,开关柜必须更换部件彻底大修,重新使用前需经全部试验合格,严重的开关柜报废更换新设备。可见从保护开关柜,减小设备损坏考虑,保护动作切除故障时间应小于100ms。

    (2)传统保护及其局限性。

    目前普遍采用的中压开关柜母线保护方案包括以下3种:

    1)变压器后备过流保护方案。这是目前国内应用最广泛的开关柜母线保护方案,由于考虑到与馈线和母线分段开关的阶梯时差配合原则,以致到进线开关时延已达1.0s~1.4s,甚至更长 [2] 。 显然,不满足快速切除故障要求。

    2)馈线速断保护闭锁的变压器后备过流保护,保护动作时间为300-400ms,仍不满足100ms内切除故障要求。

    3)高阻抗母线保护方案,保护动作时间为一般为35-60ms。因成本技术原因,不适合中压系统使用。可见目前的传统保护,不能满足100ms内快速切除电弧故障的要求。

    (3)另一方面,虽然国家标准GB3906-2006和国家电网公司设备招标技术要求规定开关柜内部燃弧试验持续时间不小于0.5s,由于电力设备制造行业过度竞争,产品价格低廉,当燃弧时间由0.1s提供到0.5s,成本需大幅提高。另外,现场事故已经暴露了开关柜在内部故障方面的实际性能。一般厂家提供的运行设备还达不到型式试验柜的标准,所以仅靠开关柜自身难以抵抗燃弧故障破坏。

          可见,目前解决电弧光危害的最有效方法,是在规定时间内快速切断故障电源。在开关柜内加装弧光保护装置,当柜内有微小弧光时,迅速切断进线电源,使故障尽早发现,将故障限定在最小范围内,尽可能减小损失。

    3 弧光保护 

    3.1 弧光保护原理

    弧光保护系统使用光纤监测电弧光信号,配合过流判断故障,其快速继电器出口一般小于2.5ms,加上断路器动作时间30-50ms,能在100ms内迅速切除故障,有效保护开关设备。

    3.2 弧光保护装成

    弧光保护主要有主控单元、弧光检测辅助单元、过流检测辅助

    单元、弧光检测、数据线和光纤组成。

    3.3 弧光保护用途

    (1)用于中压开关柜母线系统保护

    国内6-35 kV 母线一般不配置专用母线保护,采用弧光保护系统用于母线保护,可以弥补该缺陷,其功能和作用完全等同并优于现有各种原理的母差保护,可以保护整段母线。目前,国内中压系统使用的弧光保护主要应用于母线保护。

    (2)用于中压馈线柜保护

    以检测到电弧光作为判据,也可与过流保护配合,在开关柜内单相对地燃弧时就发出跳闸信号,及早断开断路器,减小事故损失。

    3.4 弧光保护应用关键点

    电弧光保护装置关键技术主要包括:

    (1) 电子设备稳定性及抗干扰技术;

    (2) 传感器及其信号处理技术;

    (3) 故障电流快速识别技术;

    (4) 故障快速跳闸信号输出及一次设备快速开断技术;

    (5)弧光故障初期单相燃弧接地状态的预警技术。

    4 弧光保护应用现状

          弧光保护在欧美国家得到了比较广泛的应用,在一些国家甚至已成为中低压开关柜的标准配置 [5] 。国内电弧光保护装置应用,正从发电企业逐步扩展到供电企业。自2011年起,南方电网的如云南、贵州,国家电网的如江苏、浙江、山东、湖北省公司等省公司,均选择变电站进行试点,作为10kV和35kV母线的快速保护。2009年以来,国内已有南京、武汉天津多家企业开发生产具有自主知识产权的弧光保护系列产品,如南京南瑞继保电气开发的PCS-9656电弧光保护系统;自主研发了紫外光弧光传感器,解决了普通光纤弧光传感器容易受干扰光影响的问题。弧光保护在实际应用中也存在问题,如缺乏产品标准及规程的支撑,产品的电子装置过于复杂,部分谨慎用户只投运保护装置而不投入保护输出等,弧光保护产品在技术层面还具有一定的提升空间。

    5、安科瑞弧光保护装置功能及选型

    5.1装置简介

          ARB5系列弧光保护装置是安科瑞电气股份有限公司在总结了现有产品运行经验的基础上,融合了国内外先进技术,采用基于ARM9内核的32位闪存微控制器,根据中国电力系统不断发展的需求研制和生产的适用于中低压等级电网的弧光故障迅速切除装置。其外观时尚、大屏幕液晶显示,图形化多语言菜单,操作快捷方便;具有强大的功能集成:集保护、测量、控制、监测、通讯、故障录波、事件记录等多种功能于一体,准确实时监测弧光信号,保护电流;在线记录事件量达256条,先进先出(FIFO)动态刷新,带有时间标记,掉电不丢失。支持IEC61850通信功能(MMS)和GOOSE通信功能,实现与IEC61850站控层无缝连接,强大的GOOSE跳闸、GOOSE网络联锁功能及可视化的可编程逻辑软件优化了二次接线,IRIG-B、SNTP、PPS等多种对时方式确保全站时钟的统一。ARB5-E扩展单元开关柜就地安装,ARB5-M主控单元可以就地安装也可以组屏安装,是构成智能电网的理想元件。

    中、低压母线发生短路故障时,所产生的电弧光对设备及人员会造成极大的伤害。在电力系统中,由于下列原因可能在开关设备内造成短路故障并产生电弧光:  

        设备故障

        人为错误操作或错误接线

        绝缘材料老化和机械磨损

         灰尘、温度、湿度、腐蚀等环境因素

         电缆接头制作不良

         过电压

          其他原因(动物鼠害等)

          电弧光一旦产生,其危害程度取决于电弧光电流及切除时间,电弧产生的能量与I²t成指数规律快速上升。只有在极短时间内切除故障才能使设备不遭受损害。若总切除时间大于100ms,轻则设备局部烧损,重则造成开光柜爆炸以及人员伤亡,还可能引发火灾。

    5.2主要特点及功能

     

    (1)高度集成:集保护、测量、控制、监测、通讯、录波、事件记录等多种功能于一体。

    (2)弧光保护功能搭配ARB5-S弧光传感器,通过保护装置之间的配合,可以方便实现弧光保护功能而不用增加其它任何成本,大大提升了产品性价比。实时监测环境光强,ARB5-S弧光传感器动作阈值可设,可根据不同场合设定不同动作值。

    (3)扩展功能:同一插槽位置可配置不同功能板件,很方便实现开入、开出等通道的扩展。

    (4)通讯功能:采用独立的ARM9通信处理器进行通讯管理,可提供1路RS485、2路以太网通讯接口、1路打印RS232接口和1路IRIG-B码对时接口;通讯协议支持IEC61850、modbus RTU、modbus TCP、IEC103,可实现遥测、遥信、遥控、保护定值设定及查询、装置工作状态、SOE事件记录、录波数据等传输功能。

    (5)自检功能具备软、硬件实时自检、硬件配置自动识别与报警功能、光纤回路链路状态实时监测和断链报警功能。

    (6)可编程逻辑功能各保护功能、继电器、开入量具有逻辑组态功能,用户可以现场根据需要来进行设定:保护动作出口和信号输出可自由整定、开入量可通过设定实现非电量保护功能和闭锁保护功能。

    (7)友好人机界面:大屏幕图形液晶显示,动态显示一次系统图、实时波形图、故障录波图、各种电气参数及保护信息,多语言菜单切换,操作快捷方便。

    (8)故障录波功能:采用COMTRADE标准录波格式,可记录20个录波报告,可将故障前、故障中、故障后的电流、电压、断路器状态和保护信息完整真实记录下来,为用户进行故障分析提供依据。

    (9)故障自动推画面功能:当保护动作或者有告警信息时,装置自动弹出画面,提示用户动作或者告警的保护。

    (10)调试接口装置具有专门的以太网调试接口,通过专用配置软件,可以就地和远方实现程序升级、定值设定、故障分析,提高了用户的使用和维护方便性,提高了工作效率。

    (11)电磁兼容装置强弱电严格分开,采取硬件、软件抗干扰措施,装置的抗干扰能力大大提高,对外电磁辐射满足相关标准。

    (12)全封闭机箱采用全封闭半层4U标准机箱,机箱深度较小,既适合集中组屏安装,也可开关柜分散安装;独特机箱设计方便拼接。

    5.3装置尺寸

    ARB5-M和ARB5-E机箱尺寸一致  

    前面板图               

          后面板图

     

    外形尺寸和开孔尺寸图

     

    5.4选型表

    项目名称:                                          订货数量:

    ARB5-M弧光主控单元选型表

    技术参数代码

    代码说明

    待选代码

    弧光主控板数

    0

    0块主控板,可接0块采集板信号

     

    1

    1块主控板,可接6块采集板信号

     

    2

    2块主控板,可接12块采集板信号

     

    3

    3块主控板,可接18块采集板信号

     

    4

    4块主控板,可接24块采集板信号

     

    弧光采集板数

    0

    0块采集板,可直接采集0个弧光探头信号

     

    1

    1块采集板,可直接采集5个弧光探头信号

     

    2

    2块采集板,可直接采集10个弧光探头信号

     

    3

    3块采集板,可直接采集15个弧光探头信号

     

    4

    4块采集板,可直接采集20个弧光探头信号

     

    电流输入

    1

    1A

     

    5

    5A

     

    电源

    1

    装置电源为DC110V,开入电源DC110V

     

    2

    装置电源为DC220V,开入电源DC220V

     

    3

    装置电源为AC110V,开入电源DC24V(装置自带)

     

    4

    装置电源为AC220V,开入电源DC24V(装置自带)

     

    数字化功能

    0

    不需要

     

    1

    支持MMS

     

    2*

    支持MMS,GOOSE

     

    注:1、*表示可选附件,需要另外增加费用1500元。

    2、主控板和采集板数量之和不能大于4。

    3、弧光探头到采集板的长度不能超过20米。

    4、如有特殊要求,请特别注明。

    订货示例:

    主控单元支持1块弧光主控板信号接收,同时本身自带9个弧光探头的采集信号;

    二次额定相电流为5A,装置电源和开入电源为DC110V;

    支持GOOSE通讯。

    根据选型表,确定型号为:ARB5-M 12512。

    6、结语

           自从弧光保护装置引入我国,通过引进产品及自主研发,作为中压母线保护的重要方式,正在电力领域发挥积极作用。弧光保护改进了传统继电保护的概念和理念,与传统保护比较具有不可替代的技术优势和成本优势,并给电力企业和电力用户带来安全效益和经济效益。

    参考文献:

    [1] 王爱民.弧光保护在中压开关柜及中低压母线上的应用[J].内蒙古电力技术,2006,24(增刊):110-111.

    [2] 马步青.6—35kV中压开关柜电弧故障与弧光保护应用探讨

    [3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06月版.

    [4]智能电网用户端电力监控/电能管理/电气安全产品报价手册.2020.06月版.

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