電弧光保護系統在中低壓母線保護中的應用

1. 概述

　　在電力系統中，35kV及以下電壓等級的母線由于沒有穩定問題，一般未裝設母線保護。然而，由于中低壓母線上的出線多，操作頻繁，三相導體線間距離與大地的距離比較近，容易受小動物危害，設備制造質量比高壓設備差，設備絕緣老化和機械磨損，運行條件惡劣，系統運行條件改變，人為和操作錯誤等原因，中低壓母線的故障幾率比高壓、超高壓母線高得多。但長期以來，人們對中低壓母線的保護一直不夠重視，大多采用帶有較大延時的后備保護來切除母線上的故障，往往使故障被發展、擴大，從而造成巨大的經濟損失。

近年來,由于各種原因開關設備被嚴重燒毀，有的甚至發展成“火燒連營”的事故時有發生。而主變壓器由于遭受外部短路電流沖擊損壞的事故也逐年增加，這些配網事故處理不當甚至被擴大發展為輸電網事故，造成重大的經濟損失，已引起電力部門的廣泛關注。究其原因大多是因為沒有裝設中低壓母線保護，未能快速切除故障造成的。所以，為了保證變壓器及母線開關設備的安全運行，根據繼電保護快速性的要求，迫切需要配置專用中低壓母線保護。

　　本文首先介紹開關柜弧光短路故障以及變壓器動穩定時間對中低壓母線保護動作時間的要求；其次介紹開關柜弧光短路故障的防護措施及現有的中低壓母線保護方案；最后介紹一新型的電弧光中低壓母線保護系統。

2.開關柜內部燃弧耐受時間及變壓器動穩定時間指標

2.1 開關柜內部電燃弧耐受時間

　　IEC298標準附錄AA中規定的內部燃弧時間是100ms，目前市場上銷售的開關柜基本上是按照IEC298標準生產的，也就是說，開關柜可以承受的電弧燃燒時間為100ms。由于發生弧光故障在斷路器動作前，故障短路電弧是一直在燃燒的，即保護動作時間加上斷路器分閘時間之和，即為電弧燃燒的持續時間。也就是說，從保護開關柜方面考慮，保護動作時間應在小于100ms切除故障以防止弧光短路故障進一步發展擴大造成更大的危害。

上表為國外對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。

2.2 變壓器的動穩定時間

　　據有關資料統計，一些地區110kV及以上等級的變壓器遭受短路故障電流沖擊直接導致損壞的事故，約占全部事故的50%以上，與前幾年統計相比呈大幅度上升的趨勢。這類故障的案例很多，特別是變壓器低壓側出口（低壓母線）短路時形成的故障一般需要更換繞組，嚴重時可能要更換全部繞組，從而造成十分嚴重的后果和損失。

　　國標規定的110kV及以上電壓等級的變壓器的熱穩定允許時間為2秒，動穩定時間為0.25秒。但實際上，在低壓側出口短路故障靠過流后備保護切除的動作時間往往在2秒以上，離0.25秒的變壓器的動穩定時間相差甚遠。所以，可以說，繼電保護的不完善也是造成變壓器損壞的重要原因。

　　目前針對近區（低壓母線）短路故障引起變壓器損壞的保護的動作時間太長，遠大于變壓器允許承受的短路電流持續時間，顯然不能滿足保護變壓器的要求，迫切需要改善變壓器保護，使其保護動作滿足小于變壓器允許動穩定時間0.25秒的要求。

3. 開關柜弧光短路故障的防護措施

3.1 消極性防護措施

　　采用這種措施的目的是限制故障電弧產生的各種效應，如加強開關柜的結構，密封隔離各單元室、設置釋放板和泄壓通道等。采用這種措施在一定程度上能減少損壞程度；另一方面，如果要采用通過加強結構的方式來較大地提高開關柜的燃弧耐受時間的話，則需要增加很大的設備費用。下表為國外對增加開關柜內部燃弧耐受時間和相應增加成本進行評估的結果。

3.2 積極性防護措施

　　采用高速專用中壓母線保護切除故障以限制故障電弧的持續時間，從根本上限制故障電弧，消除其各種效應對設備和人員的危害。如果中低壓母線保護能在開關柜耐受燃弧時間以內切除故障的話，將最大限度地限制弧光故障對開關設備的損壞; 從另一方面看，限制開關設備的損壞，即阻斷了故障發展的可能性，從而可避免主變壓器長時間遭受短路電流的沖擊而損壞。這也是目前迫切需要的最有效的限制弧光短路故障損壞開關設備及變壓器的防護措施。

4. 現有的中壓母線保護方案及存在的問題

　　從以上討論的保護開關設備目前普遍采用的中壓母線保護方案如下:

4.1變壓器后備過流保護方案:

　　這是目前國內應用最廣泛的中壓母線保護方案。由于考慮到與饋線和母線分段開關的配合，保護跳閘時間一般整定為1.0 - 1.4秒，有的甚至更長，達2.0秒以上。這一動作速度很顯然是遠遠不能滿足快速切除中壓母線故障要求的。

4.2饋線過流保護閉鎖變壓器過流保護方案:

　　這是近年來微機過流保護在中壓饋線廣泛應用，國外提出的利用饋線過流元件閉鎖變壓器過流保護的應用較為廣泛的過流閉鎖式保護方案。這一方案與變壓器后備過流保護方案相比其動作速度有了一定的提高，典型動作時間為300 - 400ms。但對于要求100ms以內切除故障顯然也是不能滿足要求。

4.3采用環流原理的高阻抗母線保護方案:

　　這是國外某些重要項目曾采用的專用電流差動中壓母線保護方案，典型的保護動作時間為35-60ms?？紤]到斷路器的分閘時間，這一動作速度對要求100ms 以內切除故障來說也嫌慢。采用這種方案的接線復雜，對CT的要求高，安裝在有很多出線的6-35kV母線上有很多困難，也很不經濟。此外，由于其保護范圍由于受到CT安裝位置的限制，不能保護到發生故障幾率較高的電纜室電纜接頭處的故障。因此也不適合中壓母線保護應用。

　　從實際應用情況來看，現有的保護方案是顯然不能滿足快速切除母線故障或保護覆蓋范圍要求的，迫切需要采用一種新型中壓母線保護系統，以解決目前實際運行中由于中低壓母線發生故障幾率較高、延遲切除故障導致故障發展、擴大，從而造成的巨大的經濟損失的問題。

5. 新型電弧光母線保護系統及應用情況

5.1 系統組成

　　HRDHG微機智能電弧光保護裝置是一種快速可靠的專用中低壓母線保護系統，它采用檢測弧光和過流雙判據原理，具有原理簡單、動作可靠迅速、對變電站一次設備無特殊要求、適應于各種運行方式、且在各種運行方式下保護不需要切換等優點，為目前發電廠、變電站、工業及商業配電系統380V - 35kV中低壓母線保護理想的解決方案。

5.1.1主單元

　　主單元包含有電流檢測,它通過檢測短路電流和來自弧光傳感器的動作信息，并對收集的數據進行處理、判斷，發出跳閘信號以切除故障。該系統只要在同時檢測到弧光和過流時才發出跳閘指令。在進線斷路器未能動作切除故障時，它將啟動斷路器失靈保護邏輯，發出跳閘指令給上游斷路器切除故障。此外，主單元根據輔助單元傳送來的弧光傳感器的動作信息和溫度傳感器測量的溫度，提供弧光故障點的定位和溫度報警信息。

5.1.2輔助單元

　　輔助單元安裝在開關柜中。每個輔助單元可接入24個弧光傳感器。輔助單元的地址通過拔碼開關設定。當系統發生弧光故障時，輔助單元收集來自弧光傳感器的動作信息并傳送給主單元，在主單元上顯示輔助單元和弧光傳感器的地址編號，有利于及時檢修和排除故障。

5.1.3弧光傳感器

　　弧光傳感器安裝在開關柜各間隔室中，可實現對由簡單到各種復雜接線中、低壓開關柜提供有選擇性的保護?；」鈧鞲衅髯鳛楣飧袘?，將檢測在發生弧光故障時突然增加的光強，并將光信號轉換成電流信號傳送給輔助單元。

5.2 應用情況

　　HRDHG微機智能電弧光保護裝置作為一種原理簡單、動作快速可靠、保護覆蓋范圍廣、安裝維護方便的電弧光保護系統,用戶遍及發電廠、變電站以及工業商業用戶等領域。

6. 結語

　　現代電力系統的發展，配電網容量的逐漸增大，中低壓母線故障對電力系統安全運行的影響越來越嚴重。它不僅使中壓開關設備嚴重燒毀，造成“火燒連營”事故；而且可能損壞昂貴的變壓器，造成十分嚴重的經濟損失。此外，這些事故如果處理不當還會發展為輸電網故障，嚴重危害整個電力系統的安全運行。因此，很有必要在配電系統引入適應其故障模式的中低壓母線保護系統以快速切除中低壓母線故障，保證輸配電網的安全運行。

　　隨著現代微機和光電子技術的發展，各種新型母線保護原理和裝置不斷出現，為實現中低壓專用母線保護提供了各種解決方案。電弧光保護作為一種針對中壓開關柜故障特性開發的中低壓母線保護系統，具有原理簡單、動作可靠迅速、對變電站一次設備無特殊要求、適應于各種運行方式、且在各種運行方式下保護不需要切換等優點，為用戶提供了一個理想的中低壓母線保護解決方案。