摘要：闡述弧光短路在配電網(wǎng)中的危害性，介紹弧光短路的發(fā)生機理及主要影響因素，指出電弧光保護系統(tǒng)的特點、構(gòu)成、作用以及電弧光保護的實際應(yīng)用情況。應(yīng)用結(jié)果表明：電弧光保護裝置運行可靠，模擬試驗動作正確。

關(guān)鍵詞：弧光短路；電孤光保護；廠用電系統(tǒng)

       弧光短路是配電網(wǎng)中嚴(yán)重的故障。尤其是發(fā)生在中、低壓開關(guān)柜內(nèi)部時，由于電弧電阻原因，短路電流往往無法達到過流速斷整定值，因而不能動作決速切斷故障，電弧持續(xù)燃燒釋放巨大能量，將造成開關(guān)柜被嚴(yán)重?zé)龤У臑?zāi)難性后果。開關(guān)柜的弧光短路故障，往往由于未得到及時消除，將發(fā)展為母線故障，其危害是非常嚴(yán)重的，可能造成發(fā)電廠廠用電瓦解、重要用戶停電，嚴(yán)重時會導(dǎo)致多組開關(guān)柜同時燒毀的“火燒連營"事故等。近年來，因母線故障造成巨大短路電流沖擊導(dǎo)致變壓器損壞也不少見，造成了重大的經(jīng)濟損失。

1.1弧光放電發(fā)生的機理當(dāng)兩電間電壓升高時，電近處空氣中的正負離子被電場加速，并在移動過程中與其他空氣分子碰撞產(chǎn)生新的離子，這種離子大量增加的現(xiàn)象稱為電離。當(dāng)空氣被電離時，溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧，這種放電稱為弧光放電?；」夥烹娨话悴恍枰芨叩碾妷?，屬于低電壓大電流放電。

1.2中低壓開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生弧光短路的主要因素

      (1)使用了性能不良的導(dǎo)電體。

      (2)絕緣損壞(包括老化、受潮、裂痕等)。

      (3)人體或其他物品意外接觸到帶電部位。

     (4)操作過程中的失誤或者設(shè)計、安裝錯誤。

     (5)元件損壞，沒有良好的維修和保養(yǎng)設(shè)備。

      (6)過電壓。

1.3不同燃弧時間與設(shè)備損壞程度的關(guān)系

      根據(jù)搜集到的國外資料，不同燃弧時問對設(shè)備造成的損壞程度如下：

       (1)35ms：沒有顯著的損壞，一般可在檢驗絕緣電阻合格后投入使用；

      (2)1001TIS：損壞較小，在開關(guān)柜再次投入運行前需要進行清潔或小修；

      (3)500Iris：設(shè)備損壞很嚴(yán)重，現(xiàn)場人員也受到嚴(yán)重傷害，更換部分設(shè)備才可再投入運行。因此，切斷弧光短路故障的時間非常關(guān)鍵，只有速度更快的保護系統(tǒng)才能提供更有效的保護，在弧光短路故障時保護人和設(shè)備的。 

2.1電弧光保護系統(tǒng)的發(fā)展

        近年來，隨著國內(nèi)電力工業(yè)的高速發(fā)展，中、低壓開關(guān)柜的應(yīng)用數(shù)量越來越多，因開關(guān)柜弧光短路故障而引發(fā)的中、低壓母線故障日益增多。鑒于用戶對供電可靠性的要求越來越高，國內(nèi)專家一直強調(diào)裝設(shè)專用中、低壓母線保護的重要性，用戶也希望能提供一種造價較低、原理簡單、適用于6—35kV的母線保護，以大地減少母線故障對設(shè)備及人員的危害，提高供電可靠性。在這種背景下，電弧光保護系統(tǒng)在我國電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

2.2電弧光保護的作用

     (1)保護附近工作人員免受電弧短路故障造成的傷害。

     (2)保護中、低壓開關(guān)設(shè)備免受嚴(yán)重損壞，防止火災(zāi)事故的發(fā)生。

     (3)保護昂貴的主變壓器或廠用變壓器免受短路電流沖擊而損壞。

     (4)防止波及站用直流系統(tǒng)，避免造成巨大的經(jīng)濟損失。

      (5)大地減少用戶的停電時間，將用戶的停電恢復(fù)時問由原來的2天至3個星期減少到幾個小時。

      (6)延長現(xiàn)有開關(guān)設(shè)備的使用壽命，推遲更換開關(guān)設(shè)備的時間。

       某廠6kV開關(guān)柜采用RIZNEREagleEye光電式電弧光保護系統(tǒng)，其工作原理是：采用電弧光傳感器監(jiān)測電弧光信號，配合過流判斷故障，其可控硅出口小于lms，快速繼電器出口小于8ms以及斷路器3560ms的跳閘時間，從而有效保護開關(guān)設(shè)備。

3.1電弧光保護系統(tǒng)的特點

      (1)采用電弧光及過流雙判據(jù)原理。

      (2)連續(xù)的自我檢測。

      (3)采用光纖傳輸跳閘指令，可控硅高速出口和快速繼電器出口相結(jié)合，動作時間小于8ms。

      (4)主輔元件分離，單系統(tǒng)可以保護256個監(jiān)測點。

      (5)輸入輸出均可編程，配置靈活，適合任何復(fù)雜工況。

      (6)顯示故障位置，便于故障處理，大地提高了供電恢復(fù)速度。

3.2電弧光保護系統(tǒng)的組成

       電弧光保護系統(tǒng)由1個電弧光主控單元、1個電源模塊、2個電流輔助單元、1個弧光單元和若干電弧光傳感器(按間隔量配置)組成。將電弧光傳感器安裝在開關(guān)柜母線室內(nèi)，確保母線室內(nèi)發(fā)生弧光短路故障時能探測到弧光。信號通過光纖和數(shù)據(jù)線傳輸?shù)街骺貑卧骺貑卧罁?jù)設(shè)定邏輯，判斷是否發(fā)出跳閘指令。弧光單元安裝在某個選定的開關(guān)柜中，選擇原則是保證該單元與主控單元和各個開關(guān)柜里裝設(shè)的電弧光傳感器的連接線距離較短。

3.3電弧光保護的邏輯

       (1)6kV段任一開關(guān)柜的母線室產(chǎn)生弧光(現(xiàn)場試驗用手電筒光源模擬)，主控單元都能發(fā)出光報警(綠燈變紅燈閃爍)，并能顯示相應(yīng)正確的地址，但不發(fā)送跳閘信號。

       (2)6kV段工作電源進線柜或備用電源進線柜三相電流中的任何一相出現(xiàn)過流情況(現(xiàn)場試驗采用繼電保護測試儀給電流的方式模擬)，主控單元都能發(fā)出過流報警(綠燈變紅燈閃爍)，并能顯示相應(yīng)正確的地址，但不發(fā)送跳閘信號。

       (3)6kV段任一開關(guān)柜的母線室產(chǎn)生弧光，同時工作電源進線柜或備用電源進線柜三相電流中的任一相出現(xiàn)過流情況(試驗?zāi)M方法同上)，主控單元都能發(fā)出光報警和過流報警，并能顯示相應(yīng)正確的地址，同時送出相應(yīng)的跳閘信號。

       (4)工作電源進線柜任何一相給過流信號并同時在任一個弧光通道給弧光信號時，主控單元發(fā)跳閘信號給工作電源進線柜跳閘出口及閉鎖快切出口繼電器。

       (5)備用電源進線柜任何一相給過流信號并同時在任一個弧光通道給弧光信號時，主控單元發(fā)跳閘信號給備用電源進線柜跳閘出口及閉鎖快切出口繼電器。

3.4電弧光保護實際應(yīng)用情況

        該廠機組6kV廠用電系統(tǒng)共有4段母線，每段母線均配有該電弧光保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)2010年投入運行以來，其6kV廠用電系統(tǒng)未發(fā)生過電弧光短路事故；但從機組大修時的檢測報告來看，電弧光保護裝置均能正確動作。目前，該廠已將電弧光傳感器的檢查以及整套裝置的試驗列為大修中停母線檢修的標(biāo)準(zhǔn)項目，以確保裝置能夠正常運行。

4.1概述

       中低壓母線發(fā)生短路故障時，所產(chǎn)生的電弧光對設(shè)備及人員會造成很大的傷害。在電力系統(tǒng)中，由于設(shè)備故障、人為地錯誤操作或錯誤接線、絕緣材料老化和機械磨損、灰塵、溫度、濕度、腐蝕等環(huán)境因素、電纜接頭制作不良、過電壓、其他原因如動物鼠害等可能在開關(guān)設(shè)備內(nèi)造成短路故障并產(chǎn)生電弧光。

        電弧光一旦產(chǎn)生，其危害程度取決于電弧光電流及切除時間，電弧產(chǎn)生的能量與12t成指數(shù)規(guī)律快速上升。只有在短時間內(nèi)切除故障才能使設(shè)備不遭受損害。若總切除時間大于100ms，輕則設(shè)備局部燒損，重則造成柜爆炸以及人員傷亡，有的可能引發(fā)火災(zāi)。

        安科瑞ARB5系列弧光保護裝置外觀時尚、大屏幕液晶顯示，圖形化多語言菜單，操作快捷方便;具有強大的功能集成:集保、測量、控制、監(jiān)測、通訊、故障錄波、事件記錄等多種功能于一體,準(zhǔn)確實時監(jiān)測弧光信號，保護電流，適用于中低級電網(wǎng)的弧光故障迅速切除裝置。

4.2應(yīng)用場所

       適用于石油化工、數(shù)據(jù)、電網(wǎng)電廠、機場軌道交通、醫(yī)療公共設(shè)施等行業(yè)。

4.3安科瑞ARB5弧光保護產(chǎn)品選型說明

      ARB5系列弧光保護裝置由ARB5-M主控單元、ARB5-E擴展單元、ARB5-S弧光探頭、等配件構(gòu)成。

 

       ARB5-M弧光主控單元

 

注：1、*表示可選附件。

2、主控板和采集板數(shù)量之和不能大于4。

3、弧光探頭到采集板的長度不能超過20米。

4、如有特殊要求，請?zhí)貏e注明。

 

4.4安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品功能和技術(shù)參數(shù)

 

4.5安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品現(xiàn)場安裝

 

        弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下：

 

 

       現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展，配電網(wǎng)容量的逐漸增加，中低壓母線故障對電力系統(tǒng)運行的影響越來越嚴(yán)重。它不僅使中壓開關(guān)設(shè)備嚴(yán)重?zé)龤?，造成“火燒連營"事故；而且可能損壞昂貴的變壓器，造成十分嚴(yán)重的經(jīng)濟損失，因此非常有必要安裝電弧光保護。此外，電弧光保護的應(yīng)用不能按照國外初設(shè)計模式，僅僅保護母線橋自身弧光短路，應(yīng)用實踐中要積改進，既作為中低壓母線保護又成為饋線側(cè)弧光短路的快速保護神。

 

參考文獻

[1]許震，丁鑫.電弧光保護及其在6kV廠用電系統(tǒng)的應(yīng)用[J].2016（3）：18.

[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.

作者介紹：

柏為為，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為中低壓供電系統(tǒng)繼電保護和弧光保護。