10 kV 开关柜中弧光保护的调试和试验

2015-12-25徐明，罗建

重庆电力高等专科学校学报 2015年2期

徐明，罗建

(1.重庆大学，重庆400044;2.重庆电力高等专科学校，重庆400053)

随着电力系统配电网容量增大，10 kV开关柜设备故障对电力系统安全运行的影响越大，经常会有开关柜和母线因绝缘损坏、操作失误、设备老化等原因产生弧光而被烧毁的现象，人员会被电弧攻击，造成人员伤害。弧光产生初期80 ms内对设备损伤比较小，传统的电流保护和接地故障保护由于检测周期长，动作时间慢，不能抑制弧光故障的危害。弧光保护可以快速发出动作信号，切除相关断路器。目前弧光保护最快保护出口时间可达到2.5 ms。虽然弧光保护能够快速保护，但是其现场试验和校验却比传统的继电保护装置复杂，目前还没有专门的调试和试验标准。

本文以某110 kV变电站的10 kV开关柜安装ABB公司的REA100系列型弧光保护系统为例，在现场通过一系列的试验，为弧光保护现场调试和试验提供经验。

1 弧光保护试验仪器

1.1 试验光源选择

弧光保护感光探头主要安装在10 kV开光柜的开关室和电缆室。虽然开关室和电缆室相对封闭，但是由于巡视、检修等工作的开展，带电设备的轻微放电，绝缘子的闪络，以及开关柜上的观察孔、内部照明灯等的设置，都会使感光探头感受到电弧光以外的可见光。模拟可能的几种光线来对弧光保护进行检测。

(1)巡检灯光及柜内照明:采用常规灯珠型手电筒、350流明LED型手电筒和40 W白炽灯三种光源设备模拟。

(2)自然光:采用三基色20 W节能灯。

(3)带电设备放电:采用电击器。

(4)设备检修可能出现的大强度照明:采用照相机闪光灯(闪光指数约为10)。

(5)电弧光:采用金卤光灯。

1.2 试验用测试仪器

(1)LX1010B光照度计:一台手持式光照度计，尺寸为11.6×7×2.9(cm)，测量范围为1 lx～50 000 lx，精度为 1 lx。

(2)PW31E继电保护微机试验仪:一台一体化设计的继电保护测试仪，尺寸为364 mm×200 mm×415 mm，交流电流输出范围为3x30A/270VA，准确度为±0.1%，交流电压输出范围为4 x120V/60VA，准确度为±0.1%。

2 弧光保护调试及试验

试验从以下几个方面进行，以确保弧光保护装置能适应现场情况，确保弧光保护装置的可靠和快速，为今后弧光保护的现场调试和试验探索经验。

2.1 光源试验位置选择

出线柜开关室等同于一个立方体室，开关室内置开关操作机构和灭弧室，内壁为母线和出线金属触头。电缆室呈L型，下部等同L长边，比较空，无遮挡物，后部等同L短边，有CT、出线电缆、观察孔、柜内照明灯等。总路开关柜、PT柜、电容器柜、站变柜又有所差别。ABB公司REA100系列弧光保护安装在开关柜内的安装示意图如图1所示。

图1 开关柜弧光保护及感光器安装示意图

试验光源位置的设置按照靠近易发光及易产生弧光的位置进行考虑，开关室置入开关后在8个边角、开关机构内(选3个点)、灭弧室(选3个点)、开关金属触头、二次室与开关室的缝隙处安置光源。电缆室在底部和上部6个边角、电缆接头处、CT处(选3个点)分别安置光源。光源安置见图2。

图2 试验光源安置位置(标注的位置)

2.2 光源光照强度测试

各光源设备一般按光通量流明(Lumen/lm)进行标注，弧光保护则按照光照度:勒克斯(Lux/lx)进行测量，流明和勒克斯之间的关系为被光均匀照射的物体，在1平方米面积上得到的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯，即1 lx=1 lm/m2。一般来说自然光的照度为150～300 lx，而电弧光的照度可达到10 000 lx以上。

采用LX1010B光照度计进行光照度测试，测试步骤如下所示。

(1)将各光源设备用照度计分别进行测量，测试其照度值，测试结果见表1。从测试结果来看，金卤灯的照度最大，并且辐射范围广，由于存在聚焦问题，因此在25 cm处达到70 000 lx的最大照度;LED电筒由于光线集中，照度计感受到的照度也比较大，5 cm处达到60 000 lx;在测试过程中肉眼感受到光线最强的是照相机闪光灯，但是测试始终只有200 lx左右，该照度计采样频率为2次/秒，而闪光灯的最大亮度保持时间短，因此无法测量出其照度真实值;电击器所打出的电火花由于亮度微弱，照度计的测量值很小。从测试结果还可以看出，随着光源距离的变远，照度值下降幅度较大。

表1 各光源设备照度值

(2)将开关摇出后，在自然光线下将弧光保护调节至动作，用照度计在感光探头位置测试目前的照度，测试结果见表2。在开关场内打开顶部日光灯，照度计测试到环境照度有200～300 lx，但由于感光探头均安装在柜内，即使开关场的照明全开，柜内测试的照度仍为0 lx，弧光保护不能动作。

(3)弧光保护扩展单元REA107有拨盘，可调节感光灵敏度，为了测试其调节范围，将照度计的感光器与感光探头捆绑在一起，使其感光量基本一致，用40 W白炽灯照射，弧光保护的感光灵敏度调节范围由照度计的读数来看在300～800 lx之间。

(4)将弧光保护REA101、REA107的感光灵敏度均调节至最不灵敏状态，用各种光源在不同位置发光，记录弧光保护的动作情况，并用照度计在探头位置测试照度，测试结果见表2。考虑各出线开关柜结构一致，因此只选择其中一个开关柜进行全面试验，试验中有几点是存在测试误差的:一是各种光源设备大小不一，难以保证每种光源在每个部位的测试位置完全一致;二是电筒、闪光灯、金卤灯等光源的光线具有指向性，很小的角度偏差都会造成测试结果有较大差异;三是透镜式弧光传感器为探头形状，而照度计的光感应区为一直径5 cm的圆面，虽然在测试时尽量保证感光度一致，但是照度计的读数并不能完全代表弧光保护感光探头的感光度，只能作为一个参考值。测试中由于开关柜设计比较紧凑，开关推入柜内后有些位置光源设备无法到达，部分测试项目是无法实施的，在测试表中均进行了标注。

从测试结果来看，透镜式弧光传感器是比较灵敏的，即使将保护装置调节至感光最不灵敏状态，常用的白炽灯和节能灯照射范围在30 cm内，都会使弧光保护动作。一般巡视使用的LED手电筒，范围在1 m以内，直射探头都会使弧光保护动作。但是总路柜所使用的缠绕式光纤则光灵敏度较低，即使将REA101调节至最灵敏状态，测试表中所列的所有光源设备，近距离照射均无法使弧光保护动作，只有用闪光指数达到40的外置式闪光灯，才能使弧光保护动作。

表2 感光探头安装处照度值(弧光保护感光最不灵敏状态)

续表2

2.3 弧光保护动作时间检测

对弧光保护的整体动作时间进行测试，本次工程采用单刀双掷开关一个，PW31E继电保护微机试验仪一台，40 W白炽灯一个。单刀双掷开关分别接通光源回路和微机试验仪启动接点回路，拟测试以下时间。

(1)不经电流判据，光源发光到弧光保护出口接点动作的时间，测试结果见表3中的时间测试1。该项目主要测试弧光保护对弧光的响应时间，测试了几次，动作时间均在40 ms左右。这个结果与弧光保护说明书所说的最短动作时间小于2.5 ms相去甚远。经过分析，估计原因是白炽灯从接通电源到点亮有个延时，只是肉眼无法感知。因此采取了另一个加入电流判据闭锁的测试方法，在REA101中设置电流闭锁判据，先将白炽灯点亮，测试仪再瞬间加入电流，测试结果见表3的时间测试2，从结果来看，时间为4 ms，基本达到所号称的2.5 ms。

(2)不经电流判据，弧光保护动作到开关跳闸的时间，测试结果见表3中时间测试1。该项目主要测试开关机构动作的行程时间。

(3)不经电流判据，从光源发光到开关跳闸的整组动作时间，测试结果见表3。整组时间基本等于弧光保护动作时间加上开关机构动作时间，测试结果正确。

(4)经电流判据，光源发光到弧光保护出口接点动作的时间，测试结果见表4。该项目主要测试加入电流判据是否会影响弧光保护的动作时间，从测试结果来看，加入电流判据并不会对弧光保护的动作时间造成延迟。