電弧光保護在發(fā)電廠(chǎng)10KV廠(chǎng)用電系統中的設計應用方案

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：介紹了電弧光產(chǎn)生、危害及電弧光保護的原理和組成,對發(fā)電廠(chǎng)10KV中壓廠(chǎng)用電系統保護的現狀及存在的不足進(jìn)行了分析,以福建省東南電化股份有限公司熱電廠(chǎng)為例,討論了10kV廠(chǎng)用電系統電弧光保護裝置的設計應用方案.

關(guān)鍵詞:電弧光保護；母線(xiàn)保護；必要性；應用

1電弧光

1.1電弧光的產(chǎn)生

當兩電間電壓升高時(shí)，在電近處空氣中的正負離子被電場(chǎng)加速，在移動(dòng)的過(guò)程中與其它空氣分子碰撞產(chǎn)生新的離子，這種離子大量增加的現象稱(chēng)為“電離".空氣被電離的同時(shí)，溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧，這種放電稱(chēng)為弧光放電.弧光放電一般不需要很高的電壓，當兩點(diǎn)之間的電壓超過(guò)其空氣絕緣強度時(shí)就會(huì )發(fā)生，只要兩端的電壓提供的能量足以補償熱損耗并維持適當的溫度條件，電弧將會(huì )持續發(fā)生.類(lèi)似地，如果電路兩相發(fā)生短路故障也可以產(chǎn)生電弧.

圖1為各種燃弧時(shí)間下產(chǎn)生的電弧能量及對柜材料的損壞程度

表1各種燃弧持續時(shí)間下進(jìn)行試驗得出的對設備造成的損害程度

1.2電弧光的危害

電力系統中發(fā)生故障而產(chǎn)生的電弧光會(huì )造成設備中的壓力和溫度迅速增加，如不及時(shí)切除、將可能造成重大危害.故障時(shí)電弧光發(fā)生產(chǎn)生的氣體會(huì )導致設備劇烈振動(dòng)，固定元件松脫，造成一次、二次設備嚴重污損，絕緣電阻為零.甚至柜爆炸導致人員傷亡；故障時(shí)電弧光發(fā)生產(chǎn)生的高溫會(huì )導致銅排、鋁排、電纜熔毀，絕緣護套著(zhù)火，燃燒產(chǎn)生的有毒煙氣傷害呼吸系統，高溫灼傷皮膚，刺傷眼睛.

2電弧光保護

2.1電弧光保護的原理

供、配電系統遭受感應雷入侵造成各種短路事故，各種人為誤操作引起的事故和操作過(guò)電壓造成的人員傷亡和設備損壞等都會(huì )以瞬間擊穿和短路，引起爆炸、燃燒產(chǎn)生電弧光的形式表現出來(lái)，電弧光它不僅會(huì )對設備造成嚴重毀滅性的破壞，還會(huì )對人身構成直接威脅.這種破壞和威脅是由于電弧光本身的特性所決定的.如圖1和表1所示:根據電弧光特性原理可知，如果能在100ms內切除故障，就能大限度的降低對人身和設備造成的損失.母線(xiàn)電弧光保護系統，突破了常規保護的判據原則，采用了檢測弧光和電流兩個(gè)非關(guān)聯(lián)參數（電量和非電量）作為判據（如圖2所示）；

當檢測到弧光和電流增量時(shí)發(fā)出跳閘指令信號；當檢測到弧光或者電流增量時(shí)發(fā)出報警信號，并不發(fā)出跳閘指令.當故障時(shí)電弧光發(fā)生，裝置會(huì )發(fā)出1ms跳閘輸出信號，迅速切斷故障源，這個(gè)速度遠遠快于傳統的母線(xiàn)保護，加上斷路器35—60ms的跳閘時(shí)間，這樣柜內部切除故障的時(shí)間可以控制在100ms以?xún)?因此，電弧光保護系統可以大大降低故障造成的經(jīng)濟損失，確保操作人員，為快速處理故障、恢復供電創(chuàng )造條件.

2.2電弧光保護的的系統組成

母線(xiàn)電弧光保護系統主要由主控單元(管理控制整個(gè)系統)、電流單元(電流檢測單元)、弧光單元(電弧光檢測單元)、弧光傳感器(把光信號轉換為電信號傳給弧光單元或主控單元)、電源模塊及連接各部件之間的光纖和數據線(xiàn)組成.見(jiàn)圖3：

3電弧光保護的必要性

3.1現階段10KV中壓母線(xiàn)保護存在的問(wèn)題

發(fā)電廠(chǎng)廠(chǎng)用10KV中壓母線(xiàn)是全廠(chǎng)輔機和供電系統供電樞紐，當母線(xiàn)發(fā)生故障時(shí)，將使連接在母線(xiàn)上的所有元件在修復故障母線(xiàn)期間或轉換到另一組母線(xiàn)運行以前被迫停電，還可能引起系統穩定性的破壞，造成嚴重后果.隨著(zhù)電力系統的不斷發(fā)展，對母線(xiàn)保護的快速性、可靠性、靈敏度等要求越來(lái)越高.

根據IEC298標準和國標GB3906-1991的規定，10KV中壓柜承受的內部燃弧時(shí)間僅為100ms，任何時(shí)間的延長(cháng)都會(huì )超出柜設計承受的.

中壓母線(xiàn)在國標《電力裝置的繼電保護和自動(dòng)裝置設計規范》(GB50062－92)中沒(méi)有專(zhuān)門(mén)要求對中壓母線(xiàn)配備專(zhuān)用保護.而是利用進(jìn)線(xiàn)的后備保護來(lái)兼顧的.但進(jìn)線(xiàn)與出線(xiàn)的保護需要相互配合：一般速斷保護延時(shí)的級差至少為300毫秒，甚至500毫秒；而過(guò)流保護的配合級差更是長(cháng)達1－2秒.導致在發(fā)生母線(xiàn)短路故障時(shí)未能在時(shí)間切除故障，變壓器后備過(guò)流保護，是現階段采用的廣泛的中壓母線(xiàn)保護，其通常保護動(dòng)作時(shí)間定值為1秒以上，顯然速度上遠遠無(wú)法滿(mǎn)足快速切除母線(xiàn)故障的要求.

3.2 10KV中壓母線(xiàn)故障幾率較高

10KV中壓母線(xiàn)配電系統由于系統出線(xiàn)多、操作頻繁、三相導體線(xiàn)間距離與大地的距離比較近，運行條件惡劣，系統運行方式改變頻繁，人為誤操作也更容易發(fā)生，因此10KV中壓母線(xiàn)的故障幾率遠遠超于高壓母線(xiàn)的故障幾率，這已是不爭的事實(shí).據報道，我國電力系統每年中壓手車(chē)柜就有幾百面被燒毀.究其原因大多是因為沒(méi)有裝設專(zhuān)門(mén)的中壓母線(xiàn)保護，未能快速切除故障造成的.所以，為了保證變壓器及母線(xiàn)設備的運行，根據繼電保護快速性的要求，迫切需要配置專(zhuān)用中壓母線(xiàn)保護.

3.3母線(xiàn)弧光保護的可靠性

電弧光保護系統測量的電和光是兩個(gè)不同的物理性質(zhì)的參數，采用光信號和故障電流信號雙判據的動(dòng)作原理決定了它的誤動(dòng)作率比系統中其他主保護（進(jìn)、饋線(xiàn)、變壓器等）要小得多.動(dòng)作迅速可靠，開(kāi)光柜內的故障切除時(shí)間可控制在100ms以?xún)?，遠快于傳統母線(xiàn)保護，可將故障損失降低到小.

4電弧光保護在福建省東南電化股份有限公司熱電廠(chǎng)10KV廠(chǎng)用電系統中的應用

4.1福建省東南電化股份有限公司熱電廠(chǎng)10KV廠(chǎng)用電系統介紹

福建省東南電化股份有限公司熱電廠(chǎng)10KV廠(chǎng)用電的接線(xiàn)方案為：10KV中廠(chǎng)用電母線(xiàn)按爐分段，每臺鍋爐設置一段高壓母線(xiàn)，鍋爐負荷按爐分段引接，總共四段10kV母線(xiàn).其中10kVI段和IV段互為備用，10kVII段和III段互為備用.10kVI段和IV段、10kVII段和III段之間設快切聯(lián)絡(luò ).

4.2電弧光保護方案

電弧光保護的對象是10KV廠(chǎng)用電I、II、III、IV段母線(xiàn)，現以10KV廠(chǎng)用電I、IV段母線(xiàn)為例進(jìn)行方案說(shuō)明（見(jiàn)圖4），10KV廠(chǎng)用電II、III段母線(xiàn)方案與I、IV段母線(xiàn)相同，僅是弧光傳感器數量變化.10KV廠(chǎng)用電I、IV段母線(xiàn)各有15和8個(gè)柜，兩段母線(xiàn)1號柜均為其各自10KV廠(chǎng)用電母線(xiàn)段的工作電源進(jìn)線(xiàn)柜.電弧光保護系統采RIZN-ER-EagleEye

母線(xiàn)電弧光保護系統，整套系統由主控單元（EagleEye-MU）、弧光單元（EagleEyeACR）、電流單元（EagleEye-CR）、弧光傳感器（EagleEye-FLS）、電源模塊（POWER-UNIT）及連接各部件之間的光纖和數據線(xiàn)組成.

主控單元（1MU）裝設在10KV廠(chǎng)用電I段工作電源進(jìn)線(xiàn)柜二次控制室門(mén)板上，主控單元有4個(gè)數據傳輸接口，共可接24個(gè)弧光單元或者電流單元；輸出接口包括4路快速跳閘輸出和6路常規繼電器跳閘輸出，還有16個(gè)弧光檢測接口，若系統超過(guò)16個(gè)弧光信號的輸入，可選擇采用弧光單元.考慮到10KV廠(chǎng)用電I段母線(xiàn)系統要求的弧光檢測點(diǎn)為15個(gè)，將剩余1個(gè)弧光傳感器接口做為備用.主控單元根據弧光傳感器輸送的信息，能準確的判斷故障點(diǎn)的位置（見(jiàn)圖5）.

電流單元1CR安裝在10KV廠(chǎng)用電I段的工作電源進(jìn)線(xiàn)柜，電流單元2CR安裝在10KV廠(chǎng)用電IV段的工作電源進(jìn)線(xiàn)柜，電流單元用于檢測過(guò)電流信號，A、B、C三相電流均可檢測.只要其中一相超過(guò)過(guò)流啟動(dòng)值便會(huì )發(fā)出告警信號，電流信號取至10KV廠(chǎng)用電I、IV段母線(xiàn)工作電源進(jìn)線(xiàn)柜電流互感器，為了確保連接可靠，電流互感器二次電流端子是直接連接到EagleEye-CR電流單元的端子上的.10KV廠(chǎng)用電I、IV段的工作電源進(jìn)線(xiàn)電流互感器均為2000/1，電流單元可匹配1A的電流互感器，電流的整定從面板上的電位計來(lái)調節，整定范圍從0.5In至5In.考慮到整定值應按躲過(guò)本段母線(xiàn)上大一臺電動(dòng)機起動(dòng)時(shí)流過(guò)進(jìn)線(xiàn)的電流總值，二次額定電流為1A，設置流過(guò)I段的整定值為2In=2A，設置流過(guò)IV段的整定值為1.5In=1.（見(jiàn)圖5）.光纖（HFBR—EUS）使用單芯塑性纖維光纖，易于安裝和使用，光纖線(xiàn)傳輸抗電磁干擾，并確保了電弧光保護系統小的響應時(shí)間.

弧光單元1ACR安裝在10KV廠(chǎng)用電IV段的工作電源進(jìn)線(xiàn)柜.弧光傳感器是探測弧光的光感應元件,安裝在KYN28柜的母線(xiàn)隔室上側中部?jì)?，既保證足夠的絕緣距離，同時(shí)又有足夠的角度能檢測到柜內弧光.當發(fā)生電弧光故障時(shí)，光的強度大幅度增加弧光傳感器就會(huì )把光信號傳送給主控單元或者弧光單元.每個(gè)弧光單元具有10個(gè)弧光檢測接口，這些接口均為光纖接口，用于連接弧光傳感器，弧光單元的地址可以通過(guò)撥碼來(lái)設定.考慮到10KV廠(chǎng)用電I段母線(xiàn)系統要求的弧光檢測點(diǎn)為8個(gè)，將剩余2個(gè)弧光傳感器接口做為備用（見(jiàn)圖5）.弧光傳感器的感光強度則通過(guò)弧光單元面板上的電位計來(lái)調節設定，可以從10KLUX調節至50KLUX.調試使用20B5型閃光燈照射弧光傳感器，根據現場(chǎng)實(shí)際環(huán)境情況，光整定值為30KLUX.

設置了獨立的電源模塊，電源給主控單元供電，再由主控單元提供給電流單元和弧光單元，該模塊裝在與主控單元同一個(gè)柜的二次倉內（見(jiàn)圖5）.

4.3整體調試和運行情況

10KV廠(chǎng)用電I、IV段工作電源進(jìn)線(xiàn)柜電流互感器通入二次電流，逐步加大到母線(xiàn)段流過(guò)的整定值，用大于30KLUX閃光燈照射弧光傳感器，報警和跳閘動(dòng)作正確，保護動(dòng)作時(shí)間均小于70ms，滿(mǎn)足切除故障的時(shí)間在100ms以?xún)鹊谋Ｗo要求.

電弧光保護系統投入運行已一年時(shí)間，運行穩定，僅發(fā)生過(guò)一次光信號超過(guò)光整定值的報警情況發(fā)生.未發(fā)生誤動(dòng)、拒動(dòng)等現象.

5 安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品選型說(shuō)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）主控板和采集板數量之和不能大于4。

（3）弧光探頭到采集板的長(cháng)度不能超過(guò)20米。

（4）如有特殊要求，請特別注明。

5.1安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品功能和技術(shù)參數

6安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品現場(chǎng)安裝

弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下。

7結論

10KV中壓柜弧光短路故障事故時(shí)有發(fā)生，裝設專(zhuān)門(mén)的中壓母線(xiàn)保護裝置是十分必要的.電弧光保護系統可以快速而有選擇的切除故障，從而大限度的減少弧光短路對設備的危害，提高供電的可靠性，實(shí)際應用效果良好.

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