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電弧光及保護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)介
1.1概述
在我國(guó)，中、低壓母線短路故障中，重點(diǎn)設(shè)備和人員傷害主要由電弧光引起，然而，我國(guó)的大多數(shù)中低壓母線沒有設(shè)置快速母線保護(hù)，而只是采用了簡(jiǎn)單的消弧裝置和變壓器后備保護(hù)。這些保護(hù)智能化較低，動(dòng)作速度慢，往往會(huì)延長(zhǎng)故障切除時(shí)間，從而進(jìn)一步擴(kuò)大設(shè)備損壞程度，甚至?xí)稹盎馃B營(yíng)”的惡性事故，沖擊變壓器一次運(yùn)行，影響整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。
弧光保護(hù)系統(tǒng)是我公司根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，吸收國(guó)外電弧光保護(hù)的特點(diǎn)，結(jié)合行業(yè)檢測(cè)及保護(hù)配置相關(guān)規(guī)程，自主研發(fā)出具有*創(chuàng)新技術(shù)、具有廣泛實(shí)用性、高可靠性的新型電弧光保護(hù)系統(tǒng)。采用弧光檢測(cè)和過(guò)電流檢測(cè)雙判據(jù)原理，具有保護(hù)動(dòng)作速度快、可靠性高等特點(diǎn)。
1.2電弧光產(chǎn)生的原因
引起開關(guān)柜弧光短路故障的原因很多，一般分為以下五類
1）絕緣故障：主要是柜中絕緣材料爬距不足，未滿足加強(qiáng)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(yùn)行年限較長(zhǎng)的開關(guān)柜，在強(qiáng)電磁場(chǎng)作用下絕緣老化，也可能造成絕緣損壞而導(dǎo)致故障。
2）載流回路不良：由于一些接頭截面不夠，緊固螺栓松動(dòng)，手車柜觸頭接觸不良，在大電流流過(guò)時(shí)引起發(fā)熱，冒火進(jìn)而引起相間，相對(duì)地?fù)舸┑鹊取?/span>
3）外來(lái)物體的進(jìn)入：如小動(dòng)物（老鼠等）進(jìn)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）認(rèn)為操作錯(cuò)誤：如走錯(cuò)間隔，誤操作，未對(duì)工作區(qū)域進(jìn)行接地，未對(duì)工作區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)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(yīng)用增多，保護(hù)及自控裝置配置不當(dāng)，系統(tǒng)諧振過(guò)電壓等。
1.3電弧光的危害
開關(guān)柜內(nèi)的發(fā)生短路弧光的功率可高達(dá)100MW，電弧燃燒所產(chǎn)生的能量與電弧的燃燒時(shí)間及短路電流變化值呈指數(shù)倍增長(zhǎng)（如下圖所示），燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓將會(huì)逐步摧毀元器件、銅排以及成列的開關(guān)柜，高明亮的弧光和有毒氣體對(duì)人體也有巨大的傷害。
要保證設(shè)備不受結(jié)構(gòu)性損傷，必須盡量縮短切除時(shí)間。
以下為國(guó)外資料介紹的各種燃弧時(shí)間長(zhǎng)短和對(duì)設(shè)備造成的損壞程度的評(píng)估：
燃弧時(shí)間 | 設(shè)備損壞程度 |
35 ms | 沒有顯著的損壞，一般可以在檢驗(yàn)絕緣電阻后投入使用 |
100ms | 損壞較小，在開關(guān)柜再次投入運(yùn)行以前需要進(jìn)行清潔或某些小的修理 |
500ms | 設(shè)備損壞很嚴(yán)重，在現(xiàn)場(chǎng)的人員也受到嚴(yán)重的傷害，必須更換部分設(shè)備才可以再投入運(yùn)行。 |
1.4電弧光保護(hù)系統(tǒng)作用及應(yīng)用領(lǐng)域
電弧光保護(hù)系統(tǒng)，可以起到以下作用：
減少或降低電弧光對(duì)于人體的傷害；
減少或降低電弧光短路故障對(duì)于設(shè)備的損害；
避免變壓器因近距離母線故障造成動(dòng)穩(wěn)定破壞，延長(zhǎng)變壓器的使用壽命；
縮短電弧光故障切除時(shí)間，避免波及站內(nèi)直流系統(tǒng)造成重大損失；
減少因電弧光故障造成設(shè)備停運(yùn)的時(shí)間，更快地恢復(fù)供電；
電弧光保護(hù)系統(tǒng)，主要應(yīng)用于以下場(chǎng)合：
1）電力變電站
2）火電廠電氣段開關(guān)柜母線室及饋線柜
3）風(fēng)電場(chǎng)升壓站集電線路開關(guān)柜
4）箱式變電站
5）鋁鎂行業(yè)大型直流整流柜
本系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：
滿足電磁兼容（EMC）標(biāo)準(zhǔn)；
符合中國(guó)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求；
采用過(guò)流及弧光雙重判據(jù)，可靠性高；
新型光纖連接傳輸，光電轉(zhuǎn)換在裝置內(nèi)完成，抗電磁力強(qiáng)；
采用過(guò)濾干擾光的新型弧光傳感器，具有過(guò)濾干擾光的功能，避免可見光傳感器受環(huán)境光照影響引起誤動(dòng)；
出口跳閘時(shí)間小于10ms，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的母線保護(hù)，對(duì)開關(guān)柜的內(nèi)部弧光故障總切除時(shí)間可以控制在75ms以內(nèi)；
全漢字顯示，操作習(xí)慣和傳統(tǒng)數(shù)字式保護(hù)*一致；
跳閘出口邏輯可編程；
弧光傳感器動(dòng)作值三檔可調(diào)；
電弧光保護(hù)系統(tǒng)的組成
2.1目前國(guó)內(nèi)用于中、低壓系統(tǒng)的保護(hù)及其局限性
1）變壓器后備過(guò)流保護(hù)，典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為1.2s~2s。
2）采用饋線速斷保護(hù)閉鎖變壓器后備過(guò)流保護(hù)，典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為300ms~500ms。
3）高阻抗母線差動(dòng)保護(hù)，典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為30ms~50ms。
上述保護(hù)均有致命的弱點(diǎn)就是動(dòng)作時(shí)間太慢，根據(jù)電弧光危害示意圖所示，保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間不能超過(guò)20ms，否則會(huì)產(chǎn)生不可修復(fù)的器件損壞，從而延長(zhǎng)故障修復(fù)時(shí)間。
2.2本系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)
1）、動(dòng)作迅速可靠：
采用了可靠的快速算法，可以在短時(shí)間內(nèi)判斷弧光變化信號(hào)和電流變化信號(hào)并迅速出口，從發(fā)現(xiàn)故障到出口跳閘時(shí)間間隔優(yōu)于10ms，確保開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備的弧光在75ms以內(nèi)切除。
2、全數(shù)字化設(shè)計(jì)：
本裝置采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)，配置靈活，動(dòng)作精度高，而且排除了由于旋鈕或其他機(jī)械設(shè)計(jì)導(dǎo)致的誤差隱患。
3、保護(hù)原理簡(jiǎn)單、合理
根據(jù)弧光產(chǎn)生時(shí)的特點(diǎn)，裝置采用弧光和電流雙重判據(jù)，判據(jù)簡(jiǎn)單且可以有效的保證動(dòng)作的準(zhǔn)確性。
4、強(qiáng)大的電氣性能：
弧光探頭設(shè)計(jì)、連接線等全部采用耐高溫、阻燃的高分子材料，具有的電氣隔離效果。裝置*EMC的標(biāo)準(zhǔn)，保證了弧光保護(hù)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和動(dòng)作的可靠性。
5、故障信息記錄全面
在故障弧光發(fā)生并引起裝置跳閘后，主控單元或饋線保護(hù)單元可以準(zhǔn)確的記錄弧光探頭檢測(cè)到故障弧光的位置信息，且可以詳細(xì)記錄動(dòng)作時(shí)刻的三相電流值。
2.3弧光保護(hù)系統(tǒng)組成
弧光保護(hù)系統(tǒng)主要由主控單元（含弧光采集單元）和弧光傳感器組成，為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用需求，分為了母線型弧光保護(hù)系統(tǒng)和饋線型弧光保護(hù)系統(tǒng)。如下圖所示：
圖2 弧光保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
2.3.1 主控單元
主控單元是母線型弧光保護(hù)系統(tǒng)的核心。它檢測(cè)分析故障信號(hào)、接收分析采集單元的弧光故障信號(hào)，并對(duì)兩種信號(hào)進(jìn)行綜合分析判斷。在滿足跳閘條件時(shí)，發(fā)出跳閘指令以切除故障。
主控單元一般安裝在進(jìn)線柜或緊鄰進(jìn)線柜的開關(guān)柜的二次控制門板上。主控單元有：
1）16個(gè)弧光信號(hào)檢測(cè)接口，用于接收來(lái)自弧光傳感器的弧光故障信號(hào)；
2）2路RS485；
3）4路快速跳閘輸出接口，符合IEC255-23繼電器標(biāo)準(zhǔn)。
4）2路報(bào)警出口，其中一路為裝置故障出口。
5）12路電流輸入，檢測(cè)4組三相電流信號(hào)，用于判斷故障電流。
6）主控單元可以根據(jù)客戶需要擴(kuò)展弧光采集單元、或者電流單元
2.3.2 弧光擴(kuò)展采集單元
弧光擴(kuò)展采集單元與主控單元配合使用，是弧光保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于采集故障弧光，并將判斷后的結(jié)果通過(guò)高速總線傳遞給主控單元。單個(gè)弧光采集單元可以安裝16路弧光探頭，根據(jù)系統(tǒng)的大小可以任意增減弧光采集單元的數(shù)量。弧光采集單元通常安裝在選定的開關(guān)柜內(nèi)中?；」獠杉瘑卧哂?/span>
1）16個(gè)弧光信號(hào)檢測(cè)接口，用于接收來(lái)自弧光傳感器的弧光故障信號(hào)；
2）2個(gè)數(shù)據(jù)通訊接口，1路RS485，1路CAN總線；
2.3.3 弧光傳感器
弧光傳感器中的探頭安裝在柜內(nèi)各間隔中，可實(shí)現(xiàn)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、有選擇性的保護(hù)。弧光探頭作為光感應(yīng)元件，在發(fā)生弧光故障時(shí)檢測(cè)突然增加的光強(qiáng)。主流應(yīng)用分為光纖式弧光傳感器和電纜式弧光傳感器兩種。
1）光纖式弧光傳感器
光纖式弧光傳感器，前置探頭采集弧光信號(hào)中的*光譜信息，并通過(guò)專用光纖將光信號(hào)傳送給弧光采集單元或主控單元，弧光單元或主控單元完成光信號(hào)的分析處理與采集。
2）電纜式弧光傳感器
電纜式弧光傳感器，前置探頭采集弧光信號(hào)中的*光譜信息，并在探頭處完成光信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，輸出4-20mA的電流信號(hào)傳送給弧光單元或弧光保護(hù)主控單元。
2.4 技術(shù)特點(diǎn)
本系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：
滿足電磁兼容（EMC）標(biāo)準(zhǔn)；
符合中國(guó)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求；
采用過(guò)流及弧光雙重判據(jù)，可靠性高；
新型光纖連接傳輸，光電轉(zhuǎn)換在裝置內(nèi)完成，抗電磁力強(qiáng)；
采用過(guò)濾干擾光的新型弧光傳感器，具有過(guò)濾干擾光的功能，避免可見光傳感器受環(huán)境光照影響引起誤動(dòng)；
出口跳閘時(shí)間小于10ms，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的母線保護(hù)，對(duì)開關(guān)柜的內(nèi)部弧光故障總切除時(shí)間可以控制在75ms以內(nèi)；
全漢字顯示，操作習(xí)慣和傳統(tǒng)數(shù)字式保護(hù)*一致；
跳閘出口邏輯可編程；
弧光傳感器動(dòng)作值三檔可調(diào)；
2.5.裝置原理說(shuō)明
1）電弧光保護(hù)功能
電弧光保護(hù)以電流單元為基礎(chǔ)分組，弧光探頭可以整定關(guān)聯(lián)到任意一組電流信號(hào)上。
當(dāng)弧光單元把光信號(hào)從弧光傳感器傳輸?shù)街骺貑卧獣r(shí)，并且同時(shí)電流啟動(dòng)元件動(dòng)作，電弧光保護(hù)動(dòng)作；裝置可選擇弧光信號(hào)動(dòng)作單判據(jù)作為動(dòng)作邏輯判斷。
圖3 電弧光保護(hù)邏輯圖
2) 裝置自檢
當(dāng)裝置檢測(cè)到本身硬件故障時(shí)，發(fā)出告警信號(hào)，同時(shí)閉鎖整套保護(hù)。硬件故障包括：采樣回路故障、RAM出錯(cuò)、定值出錯(cuò)等。
