任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：介紹一種快速而的電弧光保護系統(tǒng)及電弧光保護的工作原理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并就某110kV變電站安裝的10kV母線電弧光保護系統(tǒng)的現(xiàn)場工程應用展開論述。

關(guān)鍵詞：中低壓；母線故障；母線保護；電弧光保護

0前言

目前，電力系統(tǒng)中除了220kV及以上電壓等級變電站的低壓側(cè)母線按要求裝設母線保護外,110kV及以下電壓等級變電站的35kV及以下電壓等級的母線并沒有裝設母線保護。由于各種原因,中低壓母線的故障幾率相當高,但是長期以來,一旦母線上有故障,只能由帶有較長延時的后備保護來切除中低壓母線故障,無法快速切除母線故障。所以經(jīng)常出現(xiàn)因為中低壓母線故障持續(xù)時間過長而導致故障擴大,開關(guān)柜內(nèi)的母排及其他設備燒毀,甚至發(fā)生爆炸的情況,危及臨近設備及人員的。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,主變外部斷路器故障產(chǎn)生的電動力易使主變繞組變形而損壞,造成巨大的經(jīng)濟損失并嚴重威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。為保護變壓器及母線設備的穩(wěn)定運行,降低母線故障時設備的受損程度,電力系統(tǒng)迫切需要一個經(jīng)濟、可靠的中低壓母線保護解決方案。而在眾多的備選方案中,電弧光保護系統(tǒng)是一個理想的解決方案。

1電弧光保護工作原理

母線設備發(fā)生故障時將出現(xiàn)大電流并產(chǎn)生高達數(shù)萬勒克斯的弧光,電弧光保護根據(jù)故障時產(chǎn)生的弧光及大電流來實現(xiàn)保護功能。電弧光保護通過弧光探頭或者弧光傳感器來檢測弧光,同時通過一個過流元件來檢測電流,當檢測到弧光信號且過流元件動作時,保護動作并發(fā)出跳閘命令切除其所保護母線的電源進線和該母線上的母聯(lián)斷路器,隔離故障點,同時發(fā)出保護動作信號并對故障點進行定位,原理見圖1。

2電弧光保護系統(tǒng)的構(gòu)成

電弧光保護系統(tǒng)由單元、擴展單元、弧光傳感器和弧光探頭通過光纖或網(wǎng)線相互連接構(gòu)成,電弧光保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。一套電弧光保護系統(tǒng)保護一段母線,每套電弧光保護系統(tǒng)由一個單元、若干個擴展單元和若干個弧光探頭組成。兩段母線的電弧光保護系統(tǒng)之間通過光纖相互連接各自的單元進行通訊,相互傳遞光信號、過流信號及跳閘信號。單元與擴展單元之間通過網(wǎng)線連接,單元通過網(wǎng)線向擴展單元提供工作電源并接受來自于擴展單元的信號。擴展單元通過光纖與安裝在各個斷路器間隔內(nèi)的弧光探頭連接。同一段母線上的多個擴展單元之間通過網(wǎng)線鏈接，由此實現(xiàn)通訊并獲取工作電源。

2．1單元

單元是電弧光保護系統(tǒng)的核心元件,主要實現(xiàn)保護及通訊功能,其主要由電流監(jiān)視元件和光信號檢測元件組成。電流監(jiān)視元件可選擇使用三相過流判據(jù)或兩相過流判據(jù)和零序過流判據(jù)來實現(xiàn)過流保護,當電流大于過流定值時過流元件瞬時動作。光信號檢測元件檢測擴展單元上傳的弧光動作信號,收到該信號就判定為出現(xiàn)弧光。

2．2擴展單元

擴展單元主要用于增加弧光探頭的接口數(shù)量,其內(nèi)部的光檢測元件對弧光探頭捕獲的光經(jīng)放大后與預選參考電平比較,如果光電平超過預設參考電平時,就判定為出現(xiàn)弧光,然后向單元發(fā)出弧光動作信號。擴展單元通過光纖與弧光探頭連接,確保弧光信號在傳輸過程中弧光強度的衰耗。

3應用實例

在某110kV變電站10kV兩段母線各裝設一套電弧光保護系統(tǒng),兩段10kV母線通過母聯(lián)斷路器連接,10kV電氣主接線及安裝的兩套電弧光保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

3．1保護判據(jù)的采集

為實現(xiàn)電弧光保護系統(tǒng)的功能,過流元件采集主變10kV側(cè)電流,且采用的電流繞組與主變10kV側(cè)后備保護所用電流繞組為同組;弧光信號由擴展單元向單元提供,擴展單元通過光纖采集安裝于空氣絕緣鎧裝開關(guān)柜的每個斷路器間隔母線室內(nèi)的弧光探頭傳來的弧光信號。

3．2電弧光保護系統(tǒng)定值設置

1)對保護動作條件進行整定,保護動作條件可選擇只要光信號而不需要過流信號或者同時需要光信號和過流信號。因電弧光保護系統(tǒng)動作將使一段母線失電,為防止保護誤動,保護動作條件設置為同時需要光信號和過流信號。

2)選擇光參考電平,選擇光補償方式,按廠家建議設置為自動背景光補償。

3)對過流定值進行整定,過流可選擇過電流為相電流或零序電流。考慮到對各種故障的適應性,選擇相電流且過流定值參照主變后備保護過流Ⅰ段定值進行整定。

4)對光纖通道進行整定,設定每個光纖接口的工作方式(輸入或輸出)及接收或者發(fā)送信號的種類(光信號、過流信號跳閘信號)。圖3為例,為確保一臺主變退出運行,由另一臺主變通過母聯(lián)向兩段母線供電時,兩個單元中有一個檢測到過流,保護也能正確動作,應將信號種類設定為過流信號。

3．3電弧光保護系統(tǒng)動作邏輯

1）在檢測到弧光信號且過流條件滿足時,保護動作并經(jīng)兩個高速跳閘出口跳相應母線進線斷路器及該母線的母聯(lián)斷路器。

2)電弧光保護動作應閉鎖10kV備用電源自投裝置,防止在兩段母線各自獨立運行時,10kV母線發(fā)生故障,電弧光保護動作切除主變10kV側(cè)斷路器后,10kV備自投裝置動作將10kV母聯(lián)合閘于10kV故障母線。(要求電弧光保護系統(tǒng)至少提供2個高速跳閘出口用于跳運行斷路器,及兩副常規(guī)繼電器接點用于發(fā)信及閉鎖備自投。)

3．4電弧光保護系統(tǒng)的調(diào)試

根據(jù)現(xiàn)場對該保護的設計要求,在安裝調(diào)試過程中進行如下調(diào)試項目:

1)用強光源照射每個斷路器柜的弧光探頭,

檢查弧光傳感器動作情況,記下各個間隔的弧光探頭所對應的信號燈編號,用斷路器編號標識對應的信號燈,便于日后進行故障定位。

2)檢驗動作邏輯是否符合要求,一種是要光信號而不需要過流信號,另一種是在同時需要光信號和過流信,兩種動作條件下的保護。

3)檢驗過流元件的動作值、返回值、返回系數(shù)是否符合規(guī)程要求。

4)核對上傳的信號是否正確。

5)帶斷路器做傳動試驗,保護動作邏輯正確,斷路器動作行為正確,正確動作率100,同時正確閉鎖10kV備自投,保護動作時間不大于3ms。由此可知,電弧光保護在動作時間上比其他中低壓母線保護有巨大的優(yōu)yue性,見表1。設備損壞見表2。

4安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品選型說明

ARB5-弧光主控單元

（1）＊表示可選附件，需要另外增加費用1500元。

（2）主控板和采集板數(shù)量之和不能大于4。

（3）弧光探頭到采集板的長度不能超過20米。

（4）如有特殊要求，請?zhí)貏e注明。

5安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品功能和技術(shù)參數(shù)

6安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品現(xiàn)場安裝

弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下。

7結(jié)束語

綜上所述,將母線短路故障時間控制在100ms甚至更短的時間以內(nèi),可在很大程度上降低故障對母線設備及主變的損害程度見表2,同時降低設備受損程度還可以減少開關(guān)柜停電檢修的時間,針對中低壓開關(guān)柜故障特性開發(fā),原理簡單,動作迅速可靠,對現(xiàn)有設備無特殊要求的電弧光保護系統(tǒng)是一種實現(xiàn)這個目標的較為理想的保護解決方案。

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作者簡介：

任運業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究中低壓綜合保護及絕緣監(jiān)測系統(tǒng)。