高速铁路牵引变电所母线弧光保护的研究

2011-06-22方怡

电气化铁道 2011年4期

方怡

0 引言

电气化铁路牵引变电所运行状态将直接影响铁路运输的安全稳定。母线是牵引变电所中的一个重要组成部分。由于国内高速客运专线牵引供电系统普遍采用成套开关柜形式，开关柜的尺寸和绝缘裕度较小，再加上铁路现场环境较差，由电弧短路引起开关柜的故障率很高，一旦发生故障将造成27.5 kV母线损坏，直接影响铁路的运营。因此设置相应的快速母线保护装置十分重要。但是，按照国内现行的继电保护设计标准，在中压母线系统一般不配置专用的快速母线保护，而是依靠上一级元件的后备过流保护来切除母线短路故障，这样将导致故障切除时间延长，加大设备的损伤程度[1]。因此，为了保证牵引供电系统的安全运行，27.5 kV开关柜需配置专用的母线保护装置。

1 电弧短路故障

造成开关柜弧光短路的原因有载流回路故障，绝缘故障，外来物体，人为因素和系统因素等。

1.1 电弧短路的特点及其危害

开关柜内电弧连续燃烧，将产生大量高温金属气体，逐渐发展成为两相短路，并最终过渡到三相短路，即所谓电弧短路故障。电弧短路有别于“金属性”短路，是一种随机物理现象。在开关柜中，开关设备发生短路故障产生的电弧快速释放能量使开关设备中的压力和温度迅速增大，电弧一旦点燃，周围的空气就立刻电离，产生强大的爆炸性压力和高温，如不及时切除，将造成以下几个方面的重大损害：

（1）电缆包覆层着火，引起金属（铜排、铝排）熔毁、气化，并产生大量有毒碳黑烟气，造成设备表面严重污染，绝缘电阻降为零，造成火灾、爆炸等。

（2）电弧温度可达20 000℃，空气受热膨胀则会在开关柜内部产生巨大的压力，造成柜体变形、破碎，甚至爆炸。

（3）成套开关柜中的电弧移动速度非常快，电弧从短路点沿母线背离电源侧方向“窜出”，烧毁开关柜。

（4）母线故障引发的巨大短路电流往往对昂贵的主变压器造成冲击，使其绝缘损坏、寿命缩短，甚至被烧毁。

电弧故障的危害程度取决于电弧电流及切除时间。如图1所示，电弧产生的能量与电流成指数规律快速上升。

1.2 开关柜内部燃弧耐受时间

IEC298《交流金属封闭开关设备和控制设备》标准附录AA中规定的内部燃弧时间是100 ms，也就是说，开关柜可以承受的电弧燃烧时间为100 ms，从保护开关柜方面考虑，保护装置动作时间应在100 ms内切除故障以防止弧光短路故障进一步发展扩大造成更大的危害。

图1 电弧燃烧时间与电弧能量之间的关系

根据国外实测资料，在成套配电装置中，单相电弧接地过渡到两相短路的时间为0.5～0.6 s。从两相短路过渡到三相短路的时间和两相电弧短路的电流大小及开关柜构造（尺寸）有关。当短路电流2～10 kA时，时间约0.10～0.02 s[4]。为了降低电弧短路时开关柜损坏的程度，应尽量缩短电弧短路保护装置的动作时间。表1为国外在各种燃弧持续时间下进行试验得出的对设备造成的损害程度。

表1 电弧燃烧时间对应的设备损坏情况表

2 母线电弧光保护的必要性

铁路供电系统27.5 kV母线是整个供电系统的重要枢纽，当母线故障时电压降低影响系统稳定运行，必须快速切除。此外，母线上短路故障电流非常大，延时切除将造成母线结构和设备的严重损坏，甚至引起变压器的损坏。因此，迅速切除故障对牵引供电系统的安全运行至关重要[5～7]。

母线故障常用的保护方案主要有以下3种：变压器后备过电流保护方案；馈线过流元件闭锁进线过电流保护方案；采用环流原理的高阻抗母线保护方案。3种方案的保护跳闸时间为1.0～1.5 s，不能满足快速切除故障及保护覆盖范围的要求。

采用双绕组接线形式的牵引变电所主变压器，从27.5 kV馈线开始向上级整定，级差按照0.3 s考虑，27.5 kV馈线过电流保护整定为0.7 s，变压器过电流后备保护整定为1.0 s。由于发生弧光故障在断路器动作前，故障短路电弧是一直在燃烧的，即保护动作时间加上断路器分闸时间之和为电弧燃烧的持续时间，理论上总故障切除时间大约如下：

27.5 kV馈线故障切除时间为700 ms（保护跳闸时间）+50 ms（断路器本体动作时间）=750 ms；27.5 kV进线故障切除时间为1 000 ms（保护跳闸时间）+ 50 ms（断路器本体动作时间）= 1 050 ms。

其动作时间远远超过ICE 298标准附录AA中规定的中低压开关柜内部耐受的最大燃弧时间（100 ms）。一旦开关柜发生弧光短路故障，设备将遭到严重的损害。

而采用弧光保护设备后，保护跳闸时间仅为10 ms，则27.5 kV馈线切除故障时间和27.5 kV进线切除故障时间均降为60 ms。

弧光保护可以保证弧光故障燃烧时间限制在100 ms以内，尽可能快地有选择切除故障。据早期国外统计资料表明，每年每1 000台开关柜就有7台遭到损坏[8]。由于认识到开关柜弧光保护的重要性，各国政府的重视和有关指令性文件、规程规定，苏联和欧美等地的开关柜加装电弧光保护比率已经超过95%。国外著名的开关柜生产厂家，如Reyrolle、ABB、Siemens、Schneider、Moeller、Holec等公司，其中低压开关柜均配套使用了电弧光保护系统[9]。因此，开关柜内设置弧光保护装置是必要的。

3 电弧光保护装置系统及其应用

3.1 电弧光保护装置构成与功能

电弧光保护动作判据为故障产生时的弧光及电流增量，当同时检测到弧光和电流增量时发出跳闸命令。

电弧光保护装置由电弧光控制部分和弧光传感器组成。弧光传感器可放置在开关设备的任何位置，但一般安装在母线室内，以检测母线故障，根据光电传感器的实际物理位置可实现保护分区的功能，并在电弧光控制单元上显示故障发生的位置，该功能可减少断电的处理时间，使快速恢复供电成为可能。该方案为目前较理想的解决方案。

3.2 电弧光保护系统

电弧光保护系统原理简单可靠（采用检测弧光和过电流双判据原理）、动作迅速（保护动作时间小于10 ms，包括断路器分闸的总故障切除时间可保证在100 ms以内）、可以进行故障点定位（可显示检测到弧光短路点的位置）、配置灵活（通过弧光传感器实现对保护分区的覆盖）、适应性强（可适应各种中、低压母线接线方式提供有选择性的保护应用），并且具有断路器失灵保护，即在主断路器拒动时发出跳闸指令跳上一级断路器，提高保护系统的安全性。其主要由以下几个部分构成：

（1）主控单元。主控单元包含有电流检测和断路器失灵保护，一个主控单元能同时保护几个独立的开关柜，通过检测短路电流和来自弧光传感器的动作信息，并对收集的数据进行处理、判断，发出跳闸信号以切除故障。该系统只有同时检测到弧光和过电流时才发出跳闸指令。在进线断路器未能动作切除故障时，它将启动断路器失灵保护逻辑，发出跳闸指令给上游断路器切除故障。此外，主单元根据辅助单元传送来的弧光传感器的动作信息和温度传感器测量的温度，提供弧光故障点的定位和温度报警信息。

（2）辅助单元。当系统发生弧光故障时，辅助单元收集来自弧光传感器的动作信息并传送给主单元，在主单元上显示辅助单元和弧光传感器的地址编号，有利于及时检修和排除故障。

（3）弧光传感器。弧光传感器安装在开关柜内，是探测弧光的光感元件。当发生电弧短路故障时，光的强度会大幅度增加，弧光传感器内的感光元件会把光信号转换为电信号传给辅助单元。电弧光保护系统的感光范围灵敏度可以进行调节。在封闭式母线系统中，每个开关柜内装一个弧光传感器。在开放式母线系统中，弧光传感器的间隔约为5～6 m。

3.3 电弧光保护工程应用

根据某海外工程设计，其牵引变电所招标文件要求低压开关柜必须配置弧光保护装置。如“乌兹别克斯坦的土其马其—安格让电气化铁路工程”，“白俄罗斯的日罗宾—奥西波维奇段电气化改造工程”等。

其中乌兹别克工程已于2010年4月顺利开通。全线共设3个牵引变电所，运行期间有2个所发生过弧光保护跳闸事件，所内其他保护装置均未动作，另一牵引变电所无任何保护装置动作。运营人员及技术人员立刻根据弧光保护装置信息进行定点查找，其原因是电容回路设置的电阻值不合理，出现击穿故障。考虑到3个牵引变电所具有相同的保护配置，因此工程人员检查第3个变电所电容回路开关柜，发现由于弧光保护装置未动作，柜内电阻及其回路已完全烧毁，开关柜内部已经熏黑。而弧光保护装置未动作的原因是由于测试人员将弧光保护装置设置于测试位，并未投入使用，故没有及时发现故障，使得事故进一步发生。