10KV中壓開關(guān)設備弧光保護系統(tǒng)方案
一、典型的弧光事故案例
中壓開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部電弧故障釋放的能量很大，其總能量取決于短路電流大小、故障電弧燃燒的時間、同時燃燒的電弧的數(shù)量等因素。下面列舉幾個真實的弧光故障案例。
2003年至2011年，海勃灣發(fā)電廠 6kV 廠用系統(tǒng)開關(guān)柜發(fā)生了 5 次不同程度的燒毀事故。事故起因是6kV饋線或母線發(fā)生單相接地故障，由于接地點容性電流較大，接地點電弧不能完全熄滅，電弧反復重燃，由于電弧電阻的原因，短路電流往往達不到過流速斷整定值而不能動作快速切斷故障，又由于其它設備絕緣水平低，故障迅速發(fā)展為相間短路，電弧持續(xù)燃燒釋放出巨大的能量，從而造成災難性的后果，導致開關(guān)柜被嚴重燒毀。
20l2年7月，浙江某ll0kV變電所，10kV饋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(guān)柜金屬活門熔化，本柜燒毀報廢，相鄰開關(guān)柜損壞，該段母線停電。
2013年2月，浙江某l10kV 變電所，l0kV柜間母線橋架內(nèi)，位于開關(guān)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(nèi)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。
從以上幾個案例可以看出，近年來由于母線孤光故障導致的電氣事故屢屢發(fā)生，其不僅會造成對現(xiàn)場人員的傷害以及開關(guān)設備的損毀，更嚴重的將導致多組開關(guān)柜同時燒毀的“火燒連營”事故。造成重大的經(jīng)濟損失甚至社會問題。
二、 電弧光產(chǎn)生的原因
電弧光產(chǎn)生的主要有如下幾種：
（1）絕緣故障：主要是柜中絕緣材料爬距不足，未滿足加強絕緣要求，在臟污環(huán)境，天氣潮濕下發(fā)生絕緣故障。另外由于絕緣材料材質(zhì)缺陷，運行年限較長的開關(guān)柜，在強電磁場作用下絕緣老化，也可能造成絕緣損壞而導致故障。這種危害最難避免，尤其是戶外配電室產(chǎn)生的可能性和概率更高。
（2）載流回路不良：由于一些接頭截面不夠，緊固螺栓松動，手車柜觸頭接觸不良，在大電流流過時引起發(fā)熱、冒火從而引起相間，相對地擊穿等等。
（3）外來物體的進入：如小動物（老鼠等）進入開關(guān)柜內(nèi)部，或維修人員在工作完成后將工具遺留在開關(guān)柜內(nèi)。
（4）人為操作錯誤：如走錯間隔、誤操作、未對工作區(qū)域進行接地、未對工作區(qū)域進行驗電等。
（5）系統(tǒng)方面的原因：如系統(tǒng)容量增大、接地方式改變、電纜應用增多、保護及自控裝置配置不當、系統(tǒng)諧振過電壓等。
三、電弧光所帶來的影響
開關(guān)柜弧光短路故障產(chǎn)生的危害主要表現(xiàn)在對現(xiàn)場工作人員的傷害和開關(guān)設備及鄰近配電設備的損害方面。
(1)對人的危害
A: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,使角膜上皮脫落,出現(xiàn)怕光、流淚、異物感、結(jié)膜充血等癥狀;
B:電弧爆炸造成的燒傷是最嚴重的傷害,主要來自于電爆時散發(fā)出大量的熱能輻射和飛濺的熔化金屬;再者就是衣物被點燃后燃燒和熔滴而造成的嚴重燒傷;
C:電弧周圍的空氣在弧光強烈輻射作用下,還會產(chǎn)生臭氧、氮氧化物等有毒氣體傷害呼吸系統(tǒng)。
(2)對設備的影響
弧光短路是配電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)生在中、低壓開關(guān)柜內(nèi)部最嚴重的故障。由于電弧電阻的原因，短路電流往往達不到過流速斷整定值而不能動作快速切斷故障。電弧持續(xù)燃燒會釋放出巨大的能量，從而造成開關(guān)柜被嚴重燒毀。開關(guān)柜的弧光短路故障,往往由于沒有得到及時清除,發(fā)展為中壓母線故障。其危害是非常嚴重的，如造成發(fā)電廠廠用電瓦解、重要用戶停電，更嚴重的將導致多組開關(guān)柜同時燒毀的“火燒連營”事故。而近年來由于母線故障巨大的短路電流沖擊造成主變壓器損壞也不少見，這些事故均造成重大的經(jīng)濟損失。
四、 弧光保護解決的問題
4.1 弧光保護分類
我公司生產(chǎn)的BS-MU系列弧光保護方案作為開關(guān)柜電弧故障防護重要手段。目前主要應用在對中高壓壓開關(guān)柜內(nèi)母線監(jiān)測保護、電纜觸頭的監(jiān)測保護、斷路器觸點的監(jiān)測保護、其他重要電器元件的監(jiān)測保護。
目前智能電弧光保護主要分為如下幾類：
A:母線弧光保護
近年來，因各種原因引起母線故障，導致開關(guān)設備嚴重燒毀，并造成“火燒連營”事故的案例時有發(fā)生；主變壓器因遭受外部短路電流沖擊損壞的事故也逐年增加。為滿足繼電保護快速性的要求，在中高壓開關(guān)柜柜內(nèi)需配置電弧光保護裝置。目前各電網(wǎng)公司在110 kV 及以下配電柜中正逐步應用弧光保護系統(tǒng)。
B:饋線弧光保護
饋線開關(guān)柜下部的電纜連接頭等部位是絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，此處如發(fā)生單相對地擊穿，鑒于短路電流太小，一般不易啟動過流保護；而單相對地擊穿很容易發(fā)展為兩相或三相對地短路，即便此時過流保護動作，設備已經(jīng)遭到了比較嚴重的損壞?；」獗Ｗo裝置系統(tǒng)以檢測到電弧光為保護判據(jù)，在單相對地燃弧時就對饋線開關(guān)發(fā)跳閘指令，及早跳閘使故障損失減少到最低，后期一般只需簡單的恢復絕緣就能將設備重新投入運行，從而大大減少了停電時間和維修成本。
4.2弧光保護組成
弧光保護由以下主要部件組成：
(1)弧光主控單元（CPU）：主控單元為電弧光保護裝置的控制中心，它收集來自弧光檢測輔助單元及過流檢測輔助單元的采樣信號，并對收集的數(shù)據(jù)進行處理、判斷，發(fā)出跳閘信號以切除故障。在配置有弧光檢測輔助單元和過流檢測輔助單元的情況下，電弧光保護系統(tǒng)只有在同時檢測到弧光和過流時才發(fā)出跳閘指令。
(2)弧光檢測單元（DI）：弧光檢測輔助單元采集來自弧光探頭的光感信號，并將弧光傳感器的光感信號傳送給弧光主控單元。
(3)采樣檢測單元（AC）：采樣檢測單元可以實時監(jiān)測母線電壓、進線電流和零序電流。在電弧光保護裝置中，采用過流檢測單元有二方面的作用：其一是作為弧光保護的閉鎖元件進一步提高保護系統(tǒng)的可靠性；其二是與弧光檢測輔助單元配合提高有選擇性的跳閘信號。
(4)弧光傳感器(ARC)：弧光傳感器安裝在開關(guān)柜各間隔室中，可實現(xiàn)對各種接線中、低開關(guān)柜提高有選擇性的保護?；」馓筋^通過光纖可將光感信號直接傳送給弧光檢測單元，因此，具有動作速度快、不受開關(guān)柜內(nèi)部強電磁場干擾的特點。
(5)開關(guān)量輸入輸出單元(DI&DO)：開關(guān)量輸入輸出單元，可以實時檢測斷路器的實時位置，發(fā)出控制信號來控制對應的斷路器分合閘和保護動作信號以及告警信號。
弧光保護裝置應具備數(shù)字化廠站需要，適應智能電網(wǎng)未來發(fā)展趨勢。作為單一母線段弧光綜合保護裝置，裝置可通過弧光傳感器接收光信號。當開關(guān)柜內(nèi)任一區(qū)域出現(xiàn)弧光，弧光保護系統(tǒng)可根據(jù)產(chǎn)生弧光危害的區(qū)域進行判定。
在進線柜、饋線柜、母聯(lián)柜等具有斷路器的開關(guān)柜內(nèi)，需要分布在母線室、斷路器室和電纜室安裝弧光傳感器。在PT柜、計量柜及隔離柜等開關(guān)柜內(nèi)，需要在母線室安裝弧光傳感器。當弧光事故出現(xiàn)在母線室，弧光保護可通過母線室弧光傳感器和進線保護電流進行雙判定，條件滿足跳開相應進線柜開關(guān)。同時裝置可通過母線室弧光傳感器和母聯(lián)柜保護電流進行雙判定，條件滿足跳開母聯(lián)柜開關(guān)。當饋線柜內(nèi)的斷路器室和電纜室出現(xiàn)弧光事故，弧光保護直接跳開相應饋線柜。
4.3 母線弧光保護特點
裝置可接入4組保護采樣電流信號作為電流判據(jù)，能夠同時保護4面開關(guān)柜。所用傳感器應為獨立電流互感器，盡量避免與其他保護裝置共用。
裝置具備失電預警、告警信號和動作信號獨立信號出口。裝置應有具備6路快速繼電器跳閘出口，2個滅弧元件合閘出口，1個閉鎖備自投出口。跳閘出口可自由關(guān)聯(lián)所有弧光信號點以及保護電流。
裝置可接入48路弧光傳感器。傳感器選用無源光纖型弧光傳感器，具備ST標準接口方便接線。光電轉(zhuǎn)換在裝置內(nèi)部完成。不采用擴展單元，以保證跳閘速度和裝置的一致性。
裝置具備電流弧光雙判據(jù)跳閘，純弧光跳閘和純弧光告警功能，軟件設置當適應復雜的運行方式，并方便擴容。保護純弧光動作時間不大于7ms，雙判據(jù)動作時間不大于15ms。
裝置具備16路開入信號量。考慮到傳輸距離，須使用有源開入量。支持外接DC220V或DC110V電源輸入。開入具備閉鎖弧光節(jié)點，可外接閉鎖信號閉鎖弧光保護功能。
裝置可支持2路485通訊（Modbus通訊規(guī)約）。具備GPS對時對時接口。裝置具備3路以太網(wǎng)通訊接口，支持IEC60870-5-103通訊規(guī)約。
裝置的整定值及內(nèi)部邏輯可就地編程設定，可設置多組定值組，適應不同運行方式需要。
裝置應具有故障錄波功能。數(shù)據(jù)在裝置掉電后不會丟失，并能查詢其事故報告。
弧光傳感器應使用方便安裝的無源光纖型弧光傳感器。用戶可根據(jù)現(xiàn)場實際鋪設需求選擇對應的傳感器。傳感器線纜建議使用專用的ST光纖接口式光纖進行接線。光纖長度不得超過30米，且避免折彎。傳感器建議選用紫外光弧光傳感器，有效避免可見光干擾。傳感器監(jiān)測角度須大于180°，且角度衰減小于80%。光譜響應帶寬：280nm~400nm。光閾值范圍：1-10mw/cm2。
4.4安裝示意圖
