弧光保護在發電廠10KV廠用電系統中的設計應用

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

關鍵詞:電弧光保護；母線保護；必要性；應用

1.1電弧光的產生

       當兩電間電壓升高時，在電近處空氣中的正負離子被電場加速，在移動的過程中與其它空氣分子碰撞產生新的離子，這種離子大量增加的現象稱為“電離”.空氣被電離的同時，溫度隨之急劇上升產生電弧，這種放電稱為弧光放電.弧光放電一般不需要很高的電壓，當兩點之間的電壓超過其空氣絕緣強度時就會發生，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，電弧將會持續發生.類似地，如果電路兩相發生短路故障也可以產生電弧.

圖1為各種燃弧時間下產生的電弧能量及對柜材料的損壞程度

表1各種燃弧持續時間下進行試驗得出的對設備造成的損害程度

1.2電弧光的危害

       電力系統中發生故障而產生的電弧光會造成設備中的壓力和溫度迅速增加，如不及時切除、將可能造成重大危害.故障時電弧光發生產生的氣體會導致設備劇烈振動，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；故障時電弧光發生產生的高溫會導致銅排、鋁排、電纜熔毀，絕緣護套著火，燃燒產生的有毒煙氣傷害呼吸系統，高溫灼傷皮膚，刺傷眼睛.

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電壓造成的人員傷亡和設備損壞等都會以瞬間擊穿和短路，引起爆炸、燃燒產生電弧光的形式表現出來，電弧光它不僅會對設備造成嚴重毀滅性的破壞，還會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.母線電弧光保護系統，突破了常規保護的判據原則，率先采用了檢測弧光和電流兩個非關聯參數（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發出跳閘指令信號；當檢測到弧光或者電流增量時發出報警信號，并不發出跳閘指令.當故障時電弧光發生，裝置會發出1ms跳閘輸出信號，迅速切斷故障源，這個速度遠遠快于傳統的母線保護，加上斷路器35—60ms的跳閘時間，這樣柜內部切除故障的時間完全可以控制在100ms以內.因此，電弧光保護系統可以大大降低故障造成的經濟損失，確保操作人員，為快速處理故障、恢復供電創造條件.

2.2電弧光保護的的系統組成

       母線電弧光保護系統主要由主控單元(管理控制整個系統)、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組成.見圖3：

3.1現階段10KV中壓母線保護存在的問題

       發電廠廠用10KV中壓母線是全廠輔機和供電系統供電樞紐，當母線發生故障時，將使連接在母線上的所有元件在修復故障母線期間或轉換到另一組無故障母線運行以前被迫停電，還可能引起系統穩定性的破壞，造成嚴重后果.隨著電力系統的不斷發展，對母線保護的快速性、可靠性、靈敏度等要求越來越高.

       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間僅為100ms，任何時間的延長都會超出柜設計承受的.

       中壓母線在國標《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》(GB50062－92)中沒有專門要求對中壓母線配備專用保護.而是利用進線的后備保護來兼顧的.但進線與出線的保護需要相互配合：一般速斷保護延時的級差至少為300毫秒，甚至500毫秒；而過流保護的配合級差更是長達1－2秒.導致在發生母線短路故障時未能在時間切除故障，變壓器后備過流保護，是現階段采用的廣泛的中壓母線保護，其通常保護動作時間定值為1秒以上，顯然速度上遠遠無法滿足快速切除母線故障的要求.

3.2 10KV中壓母線故障幾率較高

       10KV中壓母線配電系統由于系統出線多、操作頻繁、三相導體線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生，因此10KV中壓母線的故障幾率遠遠超于高壓母線的故障幾率，這已是不爭的事實.據報道，我國電力系統每年中壓手車柜就有幾百面被燒毀.究其原因大多是因為沒有裝設專門的中壓母線保護，未能快速切除故障造成的.所以，為了保證變壓器及母線設備的運行，根據繼電保護快速性的要求，迫切需要配置專用中壓母線保護.

3.3母線弧光保護的可靠性

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

4.1福建省東南電化股份有限公司熱電廠10KV廠用電系統介紹

       福建省東南電化股份有限公司熱電廠10KV廠用電的接線方案為：10KV中廠用電母線按爐分段，每臺鍋爐設置一段高壓母線，鍋爐負荷按爐分段引接，總共四段10kV母線.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段之間設快切聯絡.

4.2電弧光保護方案

       電弧光保護的對象是10KV廠用電I、II、III、IV段母線，現以10KV廠用電I、IV段母線為例進行方案說明（見圖4），10KV廠用電II、III段母線方案與I、IV段母線相同，僅是弧光傳感器數量變化.10KV廠用電I、IV段母線各有15和8個柜，兩段母線1號柜均為其各自10KV廠用電母線段的工作電源進線柜.電弧光保護系統采RIZN-ER-EagleEye

母線電弧光保護系統，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組成.

       主控單元（1MU）裝設在10KV廠用電I段工作電源進線柜二次控制室門板上，主控單元有4個數據傳輸接口，共可接24個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個弧光檢測接口，若系統超過16個弧光信號的輸入，可選擇采用弧光單元.考慮到10KV廠用電I段母線系統要求的弧光檢測點為15個，將剩余1個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的位置（見圖5）.

       電流單元1CR安裝在10KV廠用電I段的工作電源進線柜，電流單元2CR安裝在10KV廠用電IV段的工作電源進線柜，電流單元用于檢測過電流信號，A、B、C三相電流均可檢測.只要其中一相超過過流啟動值便會發出告警信號，電流信號取至10KV廠用電I、IV段母線工作電源進線柜電流互感器，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廠用電I、IV段的工作電源進線電流互感器均為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調節，整定范

圍從0.5In至5In.考慮到整定值應按躲過本段母線上大一臺電動機起動時流過進線的電流總值，二次額定電流為1A，設置流過I段的整定值為2In=2A，設置流過IV段的整定值為1.5In=1.（見圖5）.光纖（HFBR—EUS）使用單芯塑性纖維光纖，易于安裝和使用，光纖線傳輸抗電磁干擾，并確保了電弧光保護系統小的響應時間.

       弧光單元1ACR安裝在10KV廠用電IV段的工作電源進線柜.弧光傳感器是探測弧光的光感應元件,安裝在KYN28柜的母線隔室上側中部內，既保證足夠的絕緣距離，同時又有足夠的角度能檢測到柜內弧光.當發生電弧光故障時，光的強度大幅度增加弧光傳感器就會把光信號傳送給主控單元或者弧光單元.每個弧光單元具有10個弧光檢測接口，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撥碼來設定.考慮到10KV廠用電I段母線系統要求的弧光檢測點為8個，將剩余2個弧光傳感器接口做為備用（見圖5）.弧光傳感器的感光強度則通過弧光單元面板上的電位計來調節設定，可以從10KLUX調節至50KLUX.調試使用20B5型閃光燈照射弧光傳感器，根據現場實際環境情況，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柜的二次倉內（見圖5）.

4.3整體調試和運行情況

       10KV廠用電I、IV段工作電源進線柜電流互感器通入二次電流，逐步加大到母線段流過的整定值，用大于30KLUX閃光燈照射弧光傳感器，報警和跳閘動作正確，保護動作時間均小于70ms，完全滿足切除故障的時間在100ms以內的保護要求.

    電弧光保護系統投入運行已一年時間，運行穩定，僅發生過一次光信號超過光整定值的報警情況發生.未發生誤動、拒動等現象.

6安科瑞ARB5-M弧光保護產品現場安裝

弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下。

       10KV中壓柜弧光短路故障事故時有發生，裝設專門的中壓母線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，實際應用效果良好.