中低压母线电弧光保护系统的应用分析

摘要：电弧光保护在变电站运行过程中具有十分重要的意义，文章对电力系统中的中、低压设备的运行问题进行分析，并且提出了电弧光保护方式，迅速切除变电站运行过程中的故障点，保障变电站的安全稳定运行。

关键词：电弧光保护；变电站；安全稳定运行；燃弧耐受时间

0引言

在变电站运行过程中，安全性和稳定性是重要因素，近年来在变电站的建设中，由于户内开关柜占地面积小，操作集中，方便运行和维护等特点，在变电站中大量配置中低压开关柜运行过程中由于各种原因造成开关设备被严重烧毁的事故越来越多，对变电站事故的处理不当，会直接影响变电站运行的安全性与稳定性，导致电网事故不断扩大，不仅会带来严重的经济损失，还可能造成人员伤亡事故。在变电站设计过程中，为了保证变压器、母线、开关设备的安全运行，都遵照相关规范配置保护装置，但目前国内35kV及以下的母线一般不配置快速母线保护，而是由变压器的后备过流保护来切除母线故障，由后备保护动作切除故障的时间至少为0.5s，这样就加大了对设备的损伤程度。因此，在变电站中低压开关柜中配置电弧光保护，一旦出现故障，可以及时将故障切除，防止故障进一步扩大。

1中低压开关柜设备运行过程中的问题和运行要求

1.1开关柜设备运行过程中的问题

在变电站设计过程中，110kV及以上的母线会设置母，电压等级在35kV及以下的母线系统中一般不配置快速母线保护，而是依赖上变压器的后备过流保护来切除母线短路故障，这样导致了故障切除时间的延长，加大了设备的损伤程度。

在设备的使用过程中母线上的操作比较频繁，设备绝缘老化、机械磨损是必然现象，运行条件发生改变以及人为操作错误，会导致母线故障率升高，对变电站的运行存在安全隐患。

1.2开关柜安全运行要求

(1)开关柜内部燃弧耐受时间。根据IEC298标准，开关柜内部燃弧耐受时间为100ms，当前市面上销售的开关柜是按照该标准要求设计的，开关柜使用过程中可以承受的电弧燃烧时间为100ms。由于电弧光故障一般都发生在断路器动作前，故障短路电弧一直处于燃烧状态，保护动作时间与断路器分闸时间之和为电弧燃烧的持续时间。因此，从开关柜保护的角度来讲，保护动作应该要在100ms内迅速做出响应，对电弧短路故障进行切除，防止故障进一步扩大而造成更大的危害。

(2)开关柜弧光故障防护。除了加强开关柜的结构外，还应对母线配置快速保护，在开关柜耐受燃弧时间以内切除故障，从根本上限制故障电弧，对开关设备的损坏和人员安全的危害。

2电弧光母线保护系统

电弧光保护是一种快速、可靠的母线保护系统，根据检测弧光和过流双判据原理，能够迅速对变电站中出现的故障进行响应，对于各种运行方式都适用，为变电站中低压的母线保护提供了解决方案。电弧光保护系统主要包括以下几个方面的内容：

2.1主单元

主单元是电弧保护系统中的主要部分，主要对短路电流以及来自电弧光传感器的动作信息进行检测，并且对收集到的故障信息进行处理、判断，从而发出故障处理信号，对故障进行切除。电弧光保护系统要在同时检测到弧光和过流时才会发出相应地切断闸指令，如果进线断路器没有及时动作对故障进行切除，则系统会启动断路器失灵保护逻辑，发出跳闸指令跳上级的断路器进行故障切除。此外，电弧保护系统的主单元还会根据辅助单元传递的弧光传感器的动作信息，对弧光故障点的位置进行确定，发出温度报警信息。

2.2辅助单元

电弧保护系统的辅助单元一般都安装在开关柜中，每一个辅助单元可以与10个弧光传感器、1个温度传感器、1个便携式弧光传感器相连。当系统发生弧光故障的时候辅助单元可以对弧光传感器中传递来的动作信息进行收集，并且将其传递给主单元，主单元再对故障进行分析和响应。在主单元中可以显示辅助单元和弧光传感器的地址编号，有助于及时对故障进行解除。

2.3弧光传感器

弧光传感器是对故障进行感应的主要部件，安装在开关柜的各间隔室中，弧光传感器是光感应元件，如果出现弧光故障时，光强度大幅度增加，传感器检测光强，将光信号转换成电流信号，并且传输给辅助单元。

2.4电流单元

电流单元主要检测系统中电流的变量，并且可以将其送到主控单元上，对这些数据进行分析和处理，然后将处理结果作为判断系统电流情况的依据。

2.5电弧光保护系统

该系统采用弧光检测和过电流检测的方式，实现对整个变电站运行设备的双重检测与判断，如果同时检测到弧光与电流增量信号，说明设备和系统出现了故障，则需要快速启动继电器，发出跳闸的指令，当系统中只检测到其中一个信号的时候，则只需要发出报警信号，通知技术人员系统出现故障即可。

安装了电弧光保护装置的设备和系统具有断路器失灵保护功能，即当进线断路器发生拒动的时候，会发出越级跳闸的信号，从而对上短路信号进行切断，确保系统运行稳定。

3电弧光保护在变电站中的应用

本文以某变电站为例，对电弧光保护在变电站中的应用进行分析与探讨。

某变电站安装应用了ARB5型弧光保护系统，几年来系统的运行十分稳定可靠，在保护母线方面发挥了重要作用。本工程的接线方式为2条电源进线，单母分段，一共有14面开关柜和2个母线桥。弧光保护配置的方式主要是：一台ARB5主控单元，16个光探头、300米光纤。将主控单元安装在10kV进线柜的面板上，光探头安装在14面柜以及两个母线槽中。在对本工程进行安装的时候，是在处于运行过程中的变电站上加装弧光设备，所以由于停电的时间较短，为了保证能够完成安装调试工作，要提前做好准备。安装的步骤主要为以下几个方面：（1）根据变电站加装弧光系统的实际情况，由弧光系统设备厂家的设计人员对电气安装图纸进行设计，将图纸提供给变电站相关技术人员审核，结合变电站的实际情况进行改进，直到图纸符合要求。（2）对安装所需要的辅材以及辅件进行准备，变电站要根据设计人员提供的图纸，提前在开关柜上开好装置以及压板安装孔，为安装做好准备。（3）当变电站确定停电时间之后，要提前通知厂家，由厂家安排技术人员到现场进行配合安装。变电站停电时要考虑综合因素，确定具体时间。（4）在停电的前一天需要将主控制装置安装完毕，停电之后，变电站技术人员要安排弧光设备常见的技术人员，打开开关柜的柜门，在安装完毕之后及时关闭柜门。（5）电源的进线、母线以及总控单元之间的CT线可以由变电站技术人员辅助敷设完成，弧光保护出口所跳开关也应该由变电站敷设。（6）具体的安装和调试过程应该由厂家技术人员完成。（7）所有的装置调试完毕之后，由厂家的技术人员对变电站的技术人员进行培训。培训之后要进行测试，测试验收合格之后即完成整个项目。

在本项目中，电弧光保护系统要针对实际系统的实际情况，在技术方面，电弧光保护装置应该能够提供“故障报警信号”、“故障动作信号”到计算机监控系统，有助于计算机监控系统及时发现变电站设备运行过程中的故障与问题，提高解决效率，减少对电力传输的影响。同时，电弧光保护的出口跳闸继电器应该要满足启动功率不小于5W、动作电压介于55-70之间、动作时间不小于10ms的要求。

对弧光保护系统进行安装的时候，应该要遵循一定的技术规范：（1）KGN柜的安装。在安装KGN柜的时候应该要按照保护母线隔室、母线侧隔离刀闸室的原则，在柜子上侧中部进行安装，不仅可以确保有足够的绝缘距离，还能有足够的角度检测到柜内的弧光是否满足要求。对于本项目中35kV的开关柜来讲，应该在母线隔室、母线侧隔离刀闸室中各自安装一个弧光传感器，如果是10kV，如果母线与母线侧隔离刀闸同时在一室，则只需要安装一个弧光传感器，如果母线和母线侧隔离刀闸不在同一室，则需要分别安装弧光传感器。（2）KYN柜安装。安装KYNN柜的时候只能在母线隔室安装，在上侧中部安装不仅可以保证足够的绝缘距离，还能保证及时检测到柜子内的弧光。（3）为了避免电弧光保护的无选择性跳闸情况出现，应该要进一步简化二次回路，变电站中的35kV和10kV母线要采用分列运行的方式。（4）新建的变电站在投产之前应该要装设相应的电弧光保护装置，运行变电站可以结合开关柜的大修情况，假装电弧光保护装置。

4安科瑞ARB5-M弧光保护产品选型说明

ARB5-弧光主控单元

技术参数代码

代码说明

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

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）

电源

0

不需要

1

支持MMS

2

支持MMS，GOOSE

（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。

5安科瑞ARB5-M弧光保护产品功能和技术参数

型号

主要功能

技术参数

ARB5-M弧光保护主控单元

8组弧光保护

可选配4块采集板，1块采集板可采集5路探头，共支持20路弧光探头直接采集。

亦可选配4块主控板（即可接入4台ARB5-E扩展单元）1块主控板可接收6块采集板的探头，共支持120路弧光探头采集。

4组失灵保护

4组电流回路TA监测

4组三相电流采集

11路可编程跳闸出口

非电量保护

装置故障告警

2路RS485

2路以太网

1路打印接口

1路IRIG-B码对时接口

支持IEC61850、modbusRTU、modbusTCP、IEC103

支持GOOSE输入输出（选配）

ARB5-E弧光保护扩展单元

弧光信号采集

可选配6块采集板，1块采集板可采集5路探头，共支持30路弧光探头直接采集。

模拟状态传输

需要配合ARB5-M主控单元使用

ARB5-S弧光探头

弧光信号监测

点式弧光传感器，可安装于

母线室、电缆室或断路器室。

现场调试及工程服务费

视项目情况核价

6安科瑞ARB5-M弧光保护产品现场安装

弧光保护主控单元、探头安装图如下。

7结束语

综上所述，采用电弧光保护系统对变电站进行保护，其动作时间为5-7ms，可以迅速实现对故障的响应和处理，使变电设备的损失减到小，大大提高了变电站运行的安全性和运行效率。