电弧光保护在热电厂10KV厂用电系统的应用与分析

2013-08-07陈曦

赤峰学院学报·自然科学版 2013年16期

陈曦

（福建省东南电化股份有限公司，福建福州 350309）

1 电弧光

1.1 电弧光的产生

当两电极间电压升高时，在电极最近处空气中的正负离子被电场加速，在移动的过程中与其它空气分子碰撞产生新的离子，这种离子大量增加的现象称为“电离”.空气被电离的同时，温度随之急剧上升产生电弧，这种放电称为弧光放电.弧光放电一般不需要很高的电压，当两点之间的电压超过其空气绝缘强度极限时就会发生，只要两端的电压提供的能量足以补偿热损耗并维持适当的温度条件，电弧将会持续发生.类似地，如果电路两相发生短路故障也可以产生电弧.

1.2 电弧光的危害

电力系统中发生故障而产生的电弧光会造成开关设备中的压力和温度迅速增加，如不及时切除、将可能造成重大危害.故障时电弧光发生产生的气体会导致开关设备剧烈振动，固定元件松脱，造成一次、二次设备严重污损，绝缘电阻为零.甚至开关柜爆炸导致人员伤亡；故障时电弧光发生产生的高温会导致铜排、铝排、电缆熔毁，绝缘护套着火，燃烧产生的有毒烟气伤害呼吸系统，高温灼伤皮肤，强光刺伤眼睛.

2 电弧光保护

2.1 电弧光保护的原理

供、配电系统遭受感应雷入侵造成各种短路事故，各种人为误操作引起的事故和操作过电压造成的人员伤亡和设备损坏等都会以瞬间击穿和短路，引起爆炸、燃烧产生电弧光的形式表现出来，电弧光它不仅会对设备造成严重毁灭性的破坏，还会对人身安全构成直接威胁.这种破坏和威胁是由于电弧光本身的特性所决定的.如图1和表1所示:根据电弧光特性原理可知，如果能在100ms内切除故障，就能最大限度的降低对人身和设备造成的损失.母线电弧光保护系统，突破了常规保护的判据原则，率先采用了检测弧光和电流两个非关联参数（电量和非电量）作为判据（如图2所示）；当检测到弧光和电流增量时发出跳闸指令信号；当检测到弧光或者电流增量时发出报警信号，并不发出跳闸指令.当故障时电弧光发生，装置会发出1ms跳闸输出信号，迅速切断故障源，这个速度远远快于传统的母线保护，加上断路器35—60ms的跳闸时间，这样开关柜内部切除故障的时间完全可以控制在100ms以内.因此，电弧光保护系统可以大大降低故障造成的经济损失，确保操作人员安全，为快速处理故障、恢复供电创造条件.

图1 为各种燃弧时间下产生的电弧能量及对开关柜材料的损坏程度

表1 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

图2 电弧光保护原理示意图

2.2 电弧光保护的的系统组成

母线电弧光保护系统主要由主控单元(管理控制整个系统)、电流单元(电流检测单元)、弧光单元(电弧光检测单元)、弧光传感器(把光信号转换为电信号传给弧光单元或主控单元)、电源模块及连接各部件之间的光纤和数据线组成.见图3：

图3

3 电弧光保护的必要性

3.1 现阶段10KV中压母线保护存在的问题

发电厂厂用10KV中压母线是全厂辅机和供电系统供电枢纽，当母线发生故障时，将使连接在母线上的所有元件在修复故障母线期间或转换到另一组无故障母线运行以前被迫停电，还可能引起系统稳定性的破坏，造成严重后果.随着电力系统的不断发展，对母线保护的快速性、可靠性、灵敏度等要求越来越高.

根据IEC298标准和国标GB3906-1991的规定，10KV中压开关柜承受的内部燃弧时间仅为100ms，任何时间的延长都会超出开关柜设计承受的极限.

中压母线在国标《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》(GB50062－92)中没有专门要求对中压母线配备专用保护.而是利用进线开关的后备保护来兼顾的.但进线开关与出线开关的保护需要相互配合：一般速断保护延时的级差至少为300毫秒，甚至500毫秒；而过流保护的配合级差更是长达1－2秒.导致在发生母线短路故障时未能在第一时间切除故障，变压器后备过流保护，是现阶段采用的最广泛的中压母线保护，其通常保护动作时间定值为1秒以上，显然速度上远远无法满足快速切除母线故障的要求.

3.2 10KV中压母线故障几率较高

10KV中压母线配电系统由于系统出线多、操作频繁、三相导体线间距离与大地的距离比较近，运行条件恶劣，系统运行方式改变频繁，人为误操作也更容易发生，因此10KV中压母线的故障几率远远超于高压母线的故障几率，这已是不争的事实.据报道，我国电力系统每年中压手车柜就有几百面被烧毁.究其原因大多是因为没有装设专门的中压母线保护，未能快速切除故障造成的.所以，为了保证变压器及母线开关设备的安全运行，根据继电保护快速性的要求，迫切需要配置专用中压母线保护.

3.3 母线弧光保护的可靠性

电弧光保护系统测量的电和光是两个不同的物理性质的参数，采用光信号和故障电流信号双判据的动作原理决定了它的误动作率比系统中其他主保护（进、馈线、变压器等）要小得多.动作迅速可靠，开光柜内的故障切除时间可控制在100ms以内，远快于传统母线保护，可将故障损失降低到最小.

4 电弧光保护在福建省东南电化股份有限公司热电厂10KV厂用电系统中的应用

4.1 福建省东南电化股份有限公司热电厂10KV厂用电系统介绍

福建省东南电化股份有限公司热电厂10KV厂用电的接线方案为：10KV中厂用电母线按炉分段，每台锅炉设置一段高压母线，锅炉负荷按炉分段引接，总共四段10kV母线.其中10kV I段和IV段互为备用，10kV II段和III段互为备用.10kV I段和IV段、10kV II段和III段之间设快切联络开关.

4.2 电弧光保护方案

电弧光保护的对象是10KV厂用电I、II、III、IV段母线，现以10KV厂用电I、IV段母线为例进行方案说明（见图4），10KV厂用电II、III段母线方案与I、IV段母线相同，仅是弧光传感器数量变化.10KV厂用电I、IV段母线各有15和8个开关柜，两段母线1号柜均为其各自10KV厂用电母线段的工作电源进线柜.电弧光保护系统采用RIZN-ER-EagleEye母线电弧光保护系统，整套系统由主控单元（EagleEye-MU）、弧光单元（EagleEye-ACR）、电流单元（EagleEye-CR）、弧光传感器（EagleEye-FLS）、电源模块（POWER-UNIT）及连接各部件之间的光纤和数据线组成.

图4

主控单元（1MU）装设在10KV厂用电I段工作电源进线柜二次控制室门板上，主控单元有4个数据传输接口，共可接24个弧光单元或者电流单元；输出接口包括4路快速跳闸输出和6路常规继电器跳闸输出，还有16个弧光检测接口，若系统超过16个弧光信号的输入，可选择采用弧光单元.考虑到10KV厂用电I段母线系统要求的弧光检测点为15个，将剩余1个弧光传感器接口做为备用.主控单元根据弧光传感器输送的信息，能准确的判断故障点的位置（见图5）.

电流单元1CR安装在10KV厂用电I段的工作电源进线柜，电流单元2CR安装在10KV厂用电IV段的工作电源进线柜，电流单元用于检测过电流信号，A、B、C三相电流均可检测.只要其中一相超过过流启动值便会发出告警信号，电流信号取至10KV厂用电I、IV段母线工作电源进线柜电流互感器，为了确保连接可靠，电流互感器二次电流端子是直接连接到EagleEye-CR电流单元的端子上的.10KV厂用电I、IV段的工作电源进线电流互感器均为2000/1，电流单元可匹配1A的电流互感器，电流的整定从面板上的电位计来调节，整定范围从0.5In至5In.考虑到整定值应按躲过本段母线上最大一台电动机起动时流过进线开关的电流总值，二次额定电流为1A，设置流过I段的整定值为2In=2A，设置流过IV段的整定值为1.5In=1.5A（见图5）.光纤（HFBR—EUS）使用单芯塑性纤维光纤，易于安装和使用，光纤线传输抗电磁干扰，并确保了电弧光保护系统最小的响应时间.

弧光单元1ACR安装在10KV厂用电IV段的工作电源进线柜.弧光传感器是探测弧光的光感应元件,安装在KYN28开关柜的母线隔室上侧中部内，既保证足够的绝缘距离，同时又有足够的角度能检测到柜内弧光.当发生电弧光故障时，光的强度大幅度增加弧光传感器就会把光信号传送给主控单元或者弧光单元.每个弧光单元具有10个弧光检测接口，这些接口均为光纤接口，用于连接弧光传感器，弧光单元的地址可以通过拨码开关来设定.考虑到10KV厂用电I段母线系统要求的弧光检测点为8个，将剩余2个弧光传感器接口做为备用（见图5）.弧光传感器的感光强度则通过弧光单元面板上的电位计来调节设定，可以从10K LUX调节至50K LUX.调试使用20B5型强力闪光灯照射弧光传感器，根据现场实际环境情况，光整定值为30KLUX.

设置了独立的电源模块，电源给主控单元供电，再由主控单元提供给电流单元和弧光单元，该模块装在与主控单元同一个开关柜的二次仓内（见图 5）.