淺析電弧光保護在發電廠10KV廠用電係統中的設計應用方案

更新時間：2022-12-13 | 點擊率：669

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中壓廠用電係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廠用電係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電弧光

1.1電弧光的產生

當兩(liang) 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(yu) 其它空氣分子碰撞產(chan) 生新的離子，這種離子大量增加的現象稱為(wei) “電離".空氣被電離的同時，溫度隨之急劇上升產(chan) 生電弧，這種放電稱為(wei) 弧光放電.弧光放電一般不需要很高的電壓，當兩(liang) 點之間的電壓超過其空氣絕緣強度時就會(hui) 發生，隻要兩(liang) 端的電壓提供的能量足以補償(chang) 熱損耗並維持適當的溫度條件，電弧將會(hui) 持續發生.類似地，如果電路兩(liang) 相發生短路故障也可以產(chan) 生電弧.

圖1為各種燃弧時間下產生的電弧能量及對櫃材料的損壞程度

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

電力係統中發生故障而產(chan) 生的電弧光會(hui) 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(chan) 生的氣體(ti) 會(hui) 導致設備劇烈振動，固定元件鬆脫，造成一次、二次設備嚴(yan) 重汙損，絕緣電阻為(wei) 零.甚至櫃爆炸導致人員傷(shang) 亡；故障時電弧光發生產(chan) 生的高溫會(hui) 導致銅排、鋁排、電纜熔毀，絕緣護套著火，燃燒產(chan) 生的有毒煙氣傷(shang) 害呼吸係統，高溫灼傷(shang) 皮膚，刺傷(shang) 眼睛.

2電弧光保護

2.1電弧光保護的原理

供、配電係統遭受感應雷入侵造成各種短路事故，各種人為(wei) 誤操作引起的事故和操作過電壓造成的人員傷(shang) 亡和設備損壞等都會(hui) 以瞬間擊穿和短路，引起爆炸、燃燒產(chan) 生電弧光的形式表現出來，電弧光它不僅(jin) 會(hui) 對設備造成嚴(yan) 重毀滅性的破壞，還會(hui) 對人身構成直接威脅.這種破壞和威脅是由於(yu) 電弧光本身的特性所決(jue) 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(nei) 切除故障，就能大限度的降低對人身和設備造成的損失.母線電弧光保護係統，突破了常規保護的判據原則，采用了檢測弧光和電流兩(liang) 個(ge) 非關(guan) 聯參數（電量和非電量）作為(wei) 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，並不發出跳閘指令.當故障時電弧光發生，裝置會(hui) 發出1ms跳閘輸出信號，迅速切斷故障源，這個(ge) 速度遠遠快於(yu) 傳(chuan) 統的母線保護，加上斷路器35—60ms的跳閘時間，這樣櫃內(nei) 部切除故障的時間可以控製在100ms以內(nei) .因此，電弧光保護係統可以大大降低故障造成的經濟損失，確保操作人員，為(wei) 快速處理故障、恢複供電創造條件.

2.2電弧光保護的的係統組成

母線電弧光保護係統主要由主控單元(管理控製整個(ge) 係統)、電流單元(電流檢測單元)、弧光單元(電弧光檢測單元)、弧光傳(chuan) 感器(把光信號轉換為(wei) 電信號傳(chuan) 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電弧光保護的必要性

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係統供電樞紐，當母線發生故障時，將使連接在母線上的所有元件在修複故障母線期間或轉換到另一組母線運行以前被迫停電，還可能引起係統穩定性的破壞，造成嚴(yan) 重後果.隨著電力係統的不斷發展，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中壓櫃承受的內(nei) 部燃弧時間僅(jin) 為(wei) 100ms，任何時間的延長都會(hui) 超出櫃設計承受的.

中壓母線在國標《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規範》(GB50062－92)中沒有專(zhuan) 門要求對中壓母線配備專(zhuan) 用保護.而是利用進線的後備保護來兼顧的.但進線與(yu) 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(wei) 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，變壓器後備過流保護，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(wei) 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中壓母線配電係統由於(yu) 係統出線多、操作頻繁、三相導體(ti) 線間距離與(yu) 大地的距離比較近，運行條件惡劣，係統運行方式改變頻繁，人為(wei) 誤操作也更容易發生，因此10KV中壓母線的故障幾率遠遠超於(yu) 高壓母線的故障幾率，這已是不爭(zheng) 的事實.據報道，我國電力係統每年中壓手車櫃就有幾百麵被燒毀.究其原因大多是因為(wei) 沒有裝設專(zhuan) 門的中壓母線保護，未能快速切除故障造成的.所以，為(wei) 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(zhuan) 用中壓母線保護.

3.3母線弧光保護的可靠性

電弧光保護係統測量的電和光是兩(liang) 個(ge) 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(jue) 定了它的誤動作率比係統中其他主保護（進、饋線、變壓器等）要小得多.動作迅速可靠，開光櫃內(nei) 的故障切除時間可控製在100ms以內(nei) ，遠快於(yu) 傳(chuan) 統母線保護，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10KV廠用電係統中的應用

4.1福建省東南電化股份有限公司熱電廠10KV廠用電係統介紹

福建省東(dong) 南電化股份有限公司熱電廠10KV廠用電的接線方案為(wei) ：10KV中廠用電母線按爐分段，每台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(wei) 備用，10kVII段和III段互為(wei) 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(wei) 例進行方案說明（見圖4），10KV廠用電II、III段母線方案與(yu) I、IV段母線相同，僅(jin) 是弧光傳(chuan) 感器數量變化.10KV廠用電I、IV段母線各有15和8個(ge) 櫃，兩(liang) 段母線1號櫃均為(wei) 其各自10KV廠用電母線段的工作電源進線櫃.電弧光保護係統采RIZN-ER-EagleEye

母線電弧光保護係統，整套係統由主控單元（EagleEye-MU）、弧光單元（EagleEyeACR）、電流單元（EagleEye-CR）、弧光傳(chuan) 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段工作電源進線櫃二次控製室門板上，主控單元有4個(ge) 數據傳(chuan) 輸接口，共可接24個(ge) 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(ge) 弧光檢測接口，若係統超過16個(ge) 弧光信號的輸入，可選擇采用弧光單元.考慮到10KV廠用電I段母線係統要求的弧光檢測點為(wei) 15個(ge) ，將剩餘(yu) 1個(ge) 弧光傳(chuan) 感器接口做為(wei) 備用.主控單元根據弧光傳(chuan) 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段的工作電源進線櫃，電流單元2CR安裝在10KV廠用電IV段的工作電源進線櫃，電流單元用於(yu) 檢測過電流信號，A、B、C三相電流均可檢測.隻要其中一相超過過流啟動值便會(hui) 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櫃電流互感器，為(wei) 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(wei) 2000/1，電流單元可匹配1A的電流互感器，電流的整定從(cong) 麵板上的電位計來調節，整定範

圍從(cong) 0.5In至5In.考慮到整定值應按躲過本段母線上大一台電動機起動時流過進線的電流總值，二次額定電流為(wei) 1A，設置流過I段的整定值為(wei) 2In=2A，設置流過IV段的整定值為(wei) 1.5In=1.（見圖5）.光纖（HFBR—EUS）使用單芯塑性纖維光纖，易於(yu) 安裝和使用，光纖線傳(chuan) 輸抗電磁幹擾，並確保了電弧光保護係統小的響應時間.

弧光單元1ACR安裝在10KV廠用電IV段的工作電源進線櫃.弧光傳(chuan) 感器是探測弧光的光感應元件,安裝在KYN28櫃的母線隔室上側(ce) 中部內(nei) ，既保證足夠的絕緣距離，同時又有足夠的角度能檢測到櫃內(nei) 弧光.當發生電弧光故障時，光的強度大幅度增加弧光傳(chuan) 感器就會(hui) 把光信號傳(chuan) 送給主控單元或者弧光單元.每個(ge) 弧光單元具有10個(ge) 弧光檢測接口，這些接口均為(wei) 光纖接口，用於(yu) 連接弧光傳(chuan) 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段母線係統要求的弧光檢測點為(wei) 8個(ge) ，將剩餘(yu) 2個(ge) 弧光傳(chuan) 感器接口做為(wei) 備用（見圖5）.弧光傳(chuan) 感器的感光強度則通過弧光單元麵板上的電位計來調節設定，可以從(cong) 10KLUX調節至50KLUX.調試使用20B5型閃光燈照射弧光傳(chuan) 感器，根據現場實際環境情況，光整定值為(wei) 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(yu) 主控單元同一個(ge) 櫃的二次倉(cang) 內(nei) （見圖5）.