宋兵兵

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

摘要：本文介紹了6-35kV中壓開關柜內部發生電弧故障的原因、危害，以及弧光保護在中壓母線保護中的原理、用途、應用關鍵點，同時還介紹了弧光保護應用現狀。

關鍵詞：中壓開關柜；電弧光保護； 母線保護

0 概述

6kV-35kV中壓成套開關柜作為供電系統的樞紐，由于開關柜尺寸較小、絕緣損壞、產品缺陷等導致開關柜內電弧故障，該類事故危害性高，嚴重的造成開關柜燒毀、人員傷亡和用戶長期停電。所以，當發生開關柜電弧故障時是能否迅速切除故障，對變電站配電系統的安全運行至關重要。另一方面，用戶對供電的可靠性要求也越來越髙，基于以上原因，有必要對中壓開關柜裝設專用快速母線保護-弧光保護。

1 6-35kV開關柜電弧故障原因及危害

6-35kV中壓開關柜在電力系統中常見故障有過流、過壓、短路、電弧等，其中以電弧故障對人身安全和設備危害很大。在我國由于電弧短路事故造成的中壓開關柜嚴重燒毀事故時有發生，如2012年7月，浙江某110kV變電所，10kV出線柜斷路器上觸臂短路，導致相間弧光短路，斷路器上觸臂、開關柜金屬活門熔化，本柜燒毀報廢，相鄰開關柜損壞，該段母線停電。2013年2月，浙江某110kV變電所，10kV柜間母線橋架內，位于開關柜柜頂處的穿墻套管處絕緣擊穿，母線相對地電弧短路故障，導致橋架內C相母排熔化，橋架及母排損壞，橋架拆除維修，該段母線停電等等。

1.1 電弧故障產生的原因

引起開關柜內部電弧短路故障的主要原因有：

（1）開關柜使用的導電體性能不良。

（2）元件損壞，開關柜內部元件（或零部件）因未得到良好的維修和保養而損壞。

（3）絕緣材料損壞, 主要有絕緣材料缺陷（如裂痕），投運年限長久的開關柜因絕緣件老化，最終造成絕緣損壞導致故障。絕緣材料不滿足加強絕緣要求，絕緣爬距不足，潮濕、多灰塵污染環境使用等，導致絕緣故障。

（4）人或者動物誤入，如小動物進入開關柜內部，接觸到帶電體導致故障。

（5）施工（維修）人員將工（器）具遺忘或誤放在開關柜內，導致故障。

（6）操作過程的失誤，如未按正確程序停電、驗電、接地操作，走錯間隔等。

（7）單相接地、諧振、雷電等造成的系統過電壓。

（8） 電網結構的改變，如系統容量的增加，電纜應用增多等。

1.2 6-35kV開關柜電弧故障的危害

開關柜內電弧短路故障的危害主要造成開關設備及鄰近配電設備的損壞和對現場工作人員的傷害。

（1）中壓開關柜電弧短路故障對設備的危害當中壓開關柜發生電弧故障時, 瞬時功率可達40MW，電弧內部溫度可達10,000-20,000 °C，電弧甚至可以通過絕緣物體傳播，不 僅引起絕緣物質燃燒，而且可以引起金屬熔化飛濺，構成引發火災的火源。在高能電弧及故障電流長時間的作用下，開關柜自身會損毀，變壓器會受到嚴重沖擊或損壞 ，由于故障往往未得到及時切除，發展為中壓母線故障，其危害是非常嚴重的，可能導致“火燒連

營”多組開關柜同時燒毀。巨大的母線短路沖擊電流造成主變壓器損壞也有發生，甚至造成發電廠廠用電瓦解、重要用戶停電。

（2）中壓開關柜電弧短路故障對人的危害當開關柜發生內部電弧故障時，對附近的工作人員危險性很大。電弧爆炸散發出大量的熱能輻射和飛濺的熔化金屬，造成的是最嚴重的傷害；弧光的光強約9000LUX，而人眼感受到的光強約300LUX，很容易使人的眼睛刺傷，暫時性失明；電弧爆炸火災產生的巨大的聲響，對人的聽覺造成傷害，可能引起休克；電弧火災產生臭氧、氮氧化物等有毒氣體傷害呼吸系統，可能引起窒息。

2 電弧故障的特性及傳統保護的局限性

（1）根據國內外試驗研究，燃弧時間與造成開關柜損壞程度關系如下：

1）燃弧時間＜35ms，無顯著損壞，開關柜經絕緣檢測試驗合

格后一般可以投人使用。

2）燃弧時間＜100ms，損壞較小，開關柜經內部清潔，簡單維

修，檢驗合格后可以再次投人運行。

3 ）燃弧時間500ms，損壞極其嚴重，開關柜必須更換部件徹底大

修，重新使用前需經全部試驗合格，嚴重的開關柜報廢更換新設備。

可見從保護開關柜，減小設備損壞考慮，保護動作切除故障時

間應小于100ms。

（2）傳統保護及其局限性。

目前普遍采用的中壓開關柜母線保護方案包括以下3種：

1）變壓器后備過流保護方案。這是目前國內應用最廣泛的開關柜母線保護方案，由于考慮到與饋線和母線分段開關的階梯時差配合原則，以致到進線開關時延已達1.0s～1.4s，甚至更長 [2] 。 顯然，不滿足快速切除故障要求。

2）饋線速斷保護閉鎖的變壓器后備過流保護,保護動作時間為300-400ms，仍不滿足100ms內切除故障要求。

3）高阻抗母線保護方案，保護動作時間為一般為35-60ms。因成本技術原因，不適合中壓系統使用�？梢娔壳暗膫鹘y保護，不能滿足100ms內快速切除電弧故障的要求。

(3)另一方面，雖然國家標準GB3906-2006和國家電網公司設備招標技術要求規定開關柜內部燃弧試驗持續時間不小于0.5s，由于電力設備制造行業過度競爭，產品價格低廉，當燃弧時間由0.1s提供到0.5s,成本需大幅提高。另外，現場事故已經暴露了開關柜在內部故障方面的實際性能。一般廠家提供的運行設備還達不到型式試驗柜的標準，所以僅靠開關柜自身難以抵抗燃弧故障破壞。

可見，目前解決電弧光危害的最有效方法，是在規定時間內快速切斷故障電源。在開關柜內加裝弧光保護裝置，當柜內有微小弧光時，迅速切斷進線電源，使故障盡早發現，將故障限定在最小范圍內，盡可能減小損失。

3 弧光保護 

3.1 弧光保護原理

弧光保護系統使用光纖監測電弧光信號，配合過流判斷故障，其快速繼電器出口一般小于2.5ms，加上斷路器動作時間30-50ms，能在100ms內迅速切除故障，有效保護開關設備。

3.2 弧光保護裝成

弧光保護主要有主控單元、弧光檢測輔助單元、過流檢測輔助

單元、弧光檢測、數據線和光纖組成。

3.3 弧光保護用途

（1）用于中壓開關柜母線系統保護

國內6-35 kV 母線一般不配置專用母線保護，采用弧光保護系統用于母線保護，可以彌補該缺陷，其功能和作用完全等同并優于現有各種原理的母差保護,可以保護整段母線。目前，國內中壓系統使用的弧光保護主要應用于母線保護。

（2）用于中壓饋線柜保護

以檢測到電弧光作為判據，也可與過流保護配合，在開關柜內單相對地燃弧時就發出跳閘信號，及早斷開斷路器，減小事故損失。

3.4 弧光保護應用關鍵點

電弧光保護裝置關鍵技術主要包括：

(1)電子設備穩定性及抗干擾技術；

(2)傳感器及其信號處理技術；

(3)故障電流快速識別技術； 

(4)故障快速跳閘信號輸出及一次設備快速開斷技術； 

(5)弧光故障初期單相燃弧接地狀態的預警技術。

4 弧光保護應用現狀

弧光保護在歐美國家得到了比較廣泛的應用，在一些國家甚至已成為中低壓開關柜的標準配置 [5] 。國內電弧光保護裝置應用，正從發電企業逐步擴展到供電企業。自2011年起，南方電網的如云南、貴州，國家電網的如江蘇、浙江、山東、湖北省公司等省公司，均選擇變電站進行試點，作為10kV和35kV母線的快速保護。2009年以來，國內已有南京、武漢天津多家企業開發生產具有自主知識產權的弧光保護系列產品，如南京南瑞繼保電氣開發的PCS-9656電弧光保護系統；自主研發了紫外光弧光傳感器，解決了普通光纖弧光傳感器容易受干擾光影響的問題。弧光保護在實際應用中也存在問題，如缺乏產品標準及規程的支撐，產品的電子裝置過于復雜，部分謹慎用戶只投運保護裝置而不投入保護輸出等，弧光保護產品在技術層面還具有一定的提升空間。

5、安科瑞弧光保護裝置功能及選型 

5.1裝置簡介

ARB5系列弧光保護裝置是安科瑞電氣股份有限公司在總結了現有產品運行經驗的基礎上，融合了國內外先進技術，采用基于ARM9內核的32位閃存微控制器，根據中國電力系統不斷發展的需求研制和生產的適用于中低壓等級電網的弧光故障迅速切除裝置。其外觀時尚、大屏幕液晶顯示，圖形化多語言菜單，操作快捷方便；具有強大的功能集成：集保護、測量、控制、監測、通訊、故障錄波、事件記錄等多種功能于一體,準確實時監測弧光信號，保護電流；在線記錄事件量達256條，先進先出（FIFO）動態刷新，帶有時間標記，掉電不丟失。支持IEC61850通信功能(MMS)和GOOSE通信功能，實現與IEC61850站控層無縫連接，強大的GOOSE跳閘、GOOSE網絡聯鎖功能及可視化的可編程邏輯軟件優化了二次接線，IRIG-B、SNTP、PPS等多種對時方式確保全站時鐘的統一。ARB5-E擴展單元開關柜就地安裝，ARB5-M主控單元可以就地安裝也可以組屏安裝，是構成智能電網的理想元件。

中、低壓母線發生短路故障時，所產生的電弧光對設備及人員會造成極大的傷害。在電力系統中，由于下列原因可能在開關設備內造成短路故障并產生電弧光：  

設備故障 

人為錯誤操作或錯誤接線 

絕緣材料老化和機械磨損 

灰塵、溫度、濕度、腐蝕等環境因素 

電纜接頭制作不良 

過電壓 

其他原因（動物鼠害等） 

電弧光一旦產生，其危害程度取決于電弧光電流及切除時間，電弧產生的能量與I2t成指數規律快速上升。只有在極短時間內切除故障才能使設備不遭受損害。若總切除時間大于100ms，輕則設備局部燒損，重則造成開光柜爆炸以及人員傷亡，還可能引發火災。

5.2主要特點及功能

 

（1）高度集成：集保護、測量、控制、監測、通訊、錄波、事件記錄等多種功能于一體。

（2）弧光保護功能：搭配ARB5-S弧光傳感器，通過保護裝置之間的配合，可以方便實現弧光保護功能而不用增加其它任何成本，大大提升了產品性價比。實時監測環境光強，ARB5-S弧光傳感器動作閾值可設，可根據不同場合設定不同動作值。

（3）擴展功能：同一插槽位置可配置不同功能板件，很方便實現開入、開出等通道的擴展。

（4）通訊功能：采用獨立的ARM9通信處理器進行通訊管理，可提供1路RS485、2路以太網通訊接口、1路打印RS232接口和1路IRIG-B碼對時接口；通訊協議支持IEC61850、modbus RTU、modbus TCP、IEC103，可實現遙測、遙信、遙控、保護定值設定及查詢、裝置工作狀態、SOE事件記錄、錄波數據等傳輸功能。

（5）自檢功能：具備軟、硬件實時自檢、硬件配置自動識別與報警功能、光纖回路鏈路狀態實時監測和斷鏈報警功能。

（6）可編程邏輯功能：各保護功能、繼電器、開入量具有邏輯組態功能，用戶可以現場根據需要來進行設定：保護動作出口和信號輸出可自由整定、開入量可通過設定實現非電量保護功能和閉鎖保護功能。

（7）友好人機界面：大屏幕圖形液晶顯示，動態顯示一次系統圖、實時波形圖、故障錄波圖、各種電氣參數及保護信息，多語言菜單切換，操作快捷方便。

（8）故障錄波功能：采用COMTRADE標準錄波格式，可記錄20個錄波報告，可將故障前、故障中、故障后的電流、電壓、斷路器狀態和保護信息完整真實記錄下來，為用戶進行故障分析提供依據。

（9）故障自動推畫面功能：當保護動作或者有告警信息時，裝置自動彈出畫面，提示用戶動作或者告警的保護。

（10）調試接口：裝置具有專門的以太網調試接口，通過專用配置軟件，可以就地和遠方實現程序升級、定值設定、故障分析，提高了用戶的使用和維護方便性，提高了工作效率。

（11）電磁兼容：裝置強弱電嚴格分開，采取硬件、軟件抗干擾措施，裝置的抗干擾能力大大提高，對外電磁輻射滿足相關標準。

（12）全封閉機箱：采用全封閉半層4U標準機箱，機箱深度較小，既適合集中組屏安裝，也可開關柜分散安裝；獨特機箱設計方便拼接。

5.3裝置尺寸

ARB5-M和ARB5-E機箱尺寸一致

  

 

5.4選型表

項目名稱：                                          訂貨數量：

 

注：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度不能超過20米。

4、如有特殊要求，請特別注明。

訂貨示例：

主控單元支持1塊弧光主控板信號接收，同時本身自帶9個弧光探頭的采集信號；

二次額定相電流為5A，裝置電源和開入電源為DC110V；

支持GOOSE通訊。

根據選型表，確定型號為：ARB5-M 12512。

6、結語

自從弧光保護裝置引入我國，通過引進產品及自主研發，作為中壓母線保護的重要方式，正在電力領域發揮積極作用�；」獗Ｗo改進了傳統繼電保護的概念和理念，與傳統保護比較具有不可替代的技術優勢和成本優勢,并給電力企業和電力用戶帶來安益和經濟效益。

參考文獻：

[1]王愛民.弧光保護在中壓開關柜及中低壓母線上的應用[J].內蒙古電力技術,2006,24(增刊):110-111.

[2]馬步青.6—35kV中壓開關柜電弧故障與弧光保護應用探討

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06月版.

[4]智能電網用戶端電力監控/電能管理/電氣安全產品報價手冊.2020.06月版.