淺談電弧光保護(hù)裝置系統(tǒng)在10KV電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

張心志

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(hù)系統(tǒng)及電弧光保護(hù)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(hù)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用展開論述。

關(guān)鍵詞：中低壓；母線故障；母線保護(hù)；電弧光保護(hù)

0前言

目前，電力系統(tǒng)中除了220kV及以上電壓等級(jí)變電站的低壓側(cè)母線按要求裝設(shè)母線保護(hù)外,110kV及以下電壓等級(jí)變電站的35kV及以下電壓等級(jí)的母線并沒有裝設(shè)母線保護(hù)。由于各種原因,中低壓母線的故障幾率相當(dāng)高,但是長(zhǎng)期以來,一旦母線上有故障,只能由帶有較長(zhǎng)延時(shí)的后備保護(hù)來切除中低壓母線故障,無(wú)法快速切除母線故障。所以經(jīng)常出現(xiàn)因?yàn)橹械蛪耗妇€故障持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)而導(dǎo)致故障擴(kuò)大,開關(guān)柜內(nèi)的母排及其他設(shè)備燒毀,甚至發(fā)生爆炸的情況,危及臨近設(shè)備及人員的。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,主變外部斷路器故障產(chǎn)生的電動(dòng)力易使主變繞組變形而損壞,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失并嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為保護(hù)變壓器及母線設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行,降低母線故障時(shí)設(shè)備的受損程度,電力系統(tǒng)迫切需要一個(gè)經(jīng)濟(jì)、可靠的中低壓母線保護(hù)解決方案。而在眾多的備選方案中,電弧光保護(hù)系統(tǒng)是一個(gè)理想的解決方案。

1電弧光保護(hù)工作原理

母線設(shè)備發(fā)生故障時(shí)將出現(xiàn)大電流并產(chǎn)生高達(dá)數(shù)萬(wàn)勒克斯的弧光,電弧光保護(hù)根據(jù)故障時(shí)產(chǎn)生的弧光及大電流來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。電弧光保護(hù)通過弧光探頭或者弧光傳感器來檢測(cè)弧光,同時(shí)通過一個(gè)過流元件來檢測(cè)電流,當(dāng)檢測(cè)到弧光信號(hào)且過流元件動(dòng)作時(shí),保護(hù)動(dòng)作并發(fā)出跳閘命令切除其所保護(hù)母線的電源進(jìn)線和該母線上的母聯(lián)斷路器,隔離故障點(diǎn),同時(shí)發(fā)出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)并對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位,原理見圖1。

2電弧光保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成

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

2．1單元

單元是電弧光保護(hù)系統(tǒng)的核心元件,主要實(shí)現(xiàn)保護(hù)及通訊功能,其主要由電流監(jiān)視元件和光信號(hào)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)過流保護(hù),當(dāng)電流大于過流定值時(shí)過流元件瞬時(shí)動(dòng)作。光信號(hào)檢測(cè)元件檢測(cè)擴(kuò)展單元上傳的弧光動(dòng)作信號(hào),收到該信號(hào)就判定為出現(xiàn)弧光。

2．2擴(kuò)展單元

擴(kuò)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(cè)元件對(duì)弧光探頭捕獲的光經(jīng)放大后與預(yù)選參考電平比較,如果光電平超過預(yù)設(shè)參考電平時(shí),就判定為出現(xiàn)弧光,然后向單元發(fā)出弧光動(dòng)作信號(hào)。擴(kuò)展單元通過光纖與弧光探頭連接,確保弧光信號(hào)在傳輸過程中弧光強(qiáng)度的衰耗。

3應(yīng)用實(shí)例

在某110kV變電站10kV兩段母線各裝設(shè)一套電弧光保護(hù)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(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

3．1保護(hù)判據(jù)的采集

為實(shí)現(xiàn)電弧光保護(hù)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(hù)所用電流繞組為同組;弧光信號(hào)由擴(kuò)展單元向單元提供,擴(kuò)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(gè)斷路器間隔母線室內(nèi)的弧光探頭傳來的弧光信號(hào)。

3．2電弧光保護(hù)系統(tǒng)定值設(shè)置

1)對(duì)保護(hù)動(dòng)作條件進(jìn)行整定,保護(hù)動(dòng)作條件可選擇只要光信號(hào)而不需要過流信號(hào)或者同時(shí)需要光信號(hào)和過流信號(hào)。因電弧光保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作將使一段母線失電,為防止保護(hù)誤動(dòng),保護(hù)動(dòng)作條件設(shè)置為同時(shí)需要光信號(hào)和過流信號(hào)。

2)選擇光參考電平,選擇光補(bǔ)償方式,按廠家建議設(shè)置為自動(dòng)背景光補(bǔ)償。

3)對(duì)過流定值進(jìn)行整定,過流可選擇過電流為相電流或零序電流?？紤]到對(duì)各種故障的適應(yīng)性,選擇相電流且過流定值參照主變后備保護(hù)過流Ⅰ段定值進(jìn)行整定。

4)對(duì)光纖通道進(jìn)行整定,設(shè)定每個(gè)光纖接口的工作方式(輸入或輸出)及接收或者發(fā)送信號(hào)的種類(光信號(hào)、過流信號(hào)跳閘信號(hào))。圖3為例,為確保一臺(tái)主變退出運(yùn)行,由另一臺(tái)主變通過母聯(lián)向兩段母線供電時(shí),兩個(gè)單元中有一個(gè)檢測(cè)到過流,保護(hù)也能正確動(dòng)作,應(yīng)將信號(hào)種類設(shè)定為過流信號(hào)。

3．3電弧光保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作邏輯

1）在檢測(cè)到弧光信號(hào)且過流條件滿足時(shí),保護(hù)動(dòng)作并經(jīng)兩個(gè)高速跳閘出口跳相應(yīng)母線進(jìn)線斷路器及該母線的母聯(lián)斷路器。

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

3．4電弧光保護(hù)系統(tǒng)的調(diào)試

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該保護(hù)的設(shè)計(jì)要求,在安裝調(diào)試過程中進(jìn)行如下調(diào)試項(xiàng)目:

1)用強(qiáng)光源照射每個(gè)斷路器柜的弧光探頭,

檢查弧光傳感器動(dòng)作情況,記下各個(gè)間隔的弧光探頭所對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈編號(hào),用斷路器編號(hào)標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)燈,便于日后進(jìn)行故障定位。

2)檢驗(yàn)動(dòng)作邏輯是否符合要求,一種是要光信號(hào)而不需要過流信號(hào),另一種是在同時(shí)需要光信號(hào)和過流信,兩種動(dòng)作條件下的保護(hù)。

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

4)核對(duì)上傳的信號(hào)是否正確。

5)帶斷路器做傳動(dòng)試驗(yàn),保護(hù)動(dòng)作邏輯正確,斷路器動(dòng)作行為正確,正確動(dòng)作率100,同時(shí)正確閉鎖10kV備自投,保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不大于3ms。由此可知,電弧光保護(hù)在動(dòng)作時(shí)間上比其他中低壓母線保護(hù)有巨大的*性,見表1。設(shè)備損壞見表2。

4安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)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(fèi)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(zhǎng)度不能超過20米。

（4）如有特殊要求，請(qǐng)?zhí)貏e注明。

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

6安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)安裝

弧光保護(hù)主控單元、探頭安裝圖如下。

7結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,將母線短路故障時(shí)間控制在100ms甚至更短的時(shí)間以內(nèi),可在很大程度上降低故障對(duì)母線設(shè)備及主變的損害程度見表2,同時(shí)降低設(shè)備受損程度還可以減少開關(guān)柜停電檢修的時(shí)間,針對(duì)中低壓開關(guān)柜故障特性開發(fā),原理簡(jiǎn)單,動(dòng)作迅速可靠,對(duì)現(xiàn)有設(shè)備無(wú)特殊要求的電弧光保護(hù)系統(tǒng)是一種實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的較為理想的保護(hù)解決方案。

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作者簡(jiǎn)介：

張心志，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司