母線弧光保護在中低壓開關柜中的應用

安科瑞 耿敏花

　　摘要：電力成套設備快速發(fā)展的今天，設備的安全穩(wěn)定運行至關重要。而隨著電力行業(yè)和應用領域的復雜化和深入性,使得中低壓成套開關設備發(fā)生故障的可能性也隨之變大。成套開關設備中母線故障產(chǎn)生的弧光將燒壞其他電器元件,從而導致事故擴大,往往造成較大的經(jīng)濟損失,而母線弧光保護正好解決了這個難題，能夠很好的保護開關設備并降低損失。

　　關鍵詞：中低壓開關柜；母線弧光保護

　　0引言

　　中低壓成套開關柜作為電能生產(chǎn)與分配的基礎設施之一，使用量逐年增加，并且使用場合的復雜性也在增加，使用遵循的規(guī)范標準要求也隨著社會的發(fā)展而提高。如何保證中低壓開關柜安全可靠運行、降低電氣事故損失越來越多地受到重視。

　　弧光放電事故是中低壓開關柜內(nèi)嚴重的事故之一，由于電弧電阻的原因，故障電流往往達不到保護定值而不能迅速切斷故障，或者弧光故障電流達到了保護啟動值，動作時間不能快速切斷故障。

　　弧光放電不僅會造成停電事故，還會造成設備嚴重損壞和人身傷害事故，帶來不可估量的損失。

　　1弧光故障事故危害

　　弧光產(chǎn)生時溫度可達到4500℃，內(nèi)部溫度可達到10000～20000℃。弧光產(chǎn)生時瞬時功率可達到40MW，弧光光強可超過正常照明光強2000多倍。因此中低壓開關柜內(nèi)因故障而產(chǎn)生電弧時若不能及時采取合理措施，則會產(chǎn)生諸多危害。

　　（1）對設備的危害：電弧發(fā)生時產(chǎn)生大量高溫高壓氣體，氣體瞬時沖擊波可造成開關柜體變形、破碎；沖擊波爆破震動可造成開關柜劇烈震動，使各連接處緊固件松脫；產(chǎn)生的高溫可引起電纜燃燒、銅排融化、鋁排氣化，甚至將開關柜外殼金屬融化、元器件嚴重損壞并引起火災。

　　（2）對人的危害：高溫灼傷皮膚；熔化的金屬蒸發(fā)并滲入人的皮膚表層造成皮膚金屬化；高強度弧光傷害眼睛，甚至造成角膜脫落；高溫燃燒產(chǎn)生的粉塵和有毒有害氣體損傷呼吸系統(tǒng)；弧光電流作用于人體可使肌肉產(chǎn)生非自主劇烈收縮，也可損傷肌腱、皮膚、血管、神經(jīng)組織等。

　　電弧產(chǎn)生的能量與I 2t成指數(shù)規(guī)律快速上升，其不僅與故障電流的大小有關，還與燃弧時間有關。根據(jù)故障點的不同，通常情況下故障短路電流會在幾千安至幾十安，故障若不能及時切除以熄滅電弧，則會產(chǎn)生巨大能量。總之，開關柜發(fā)生內(nèi)部電弧故障，不論是對開發(fā)設備還是對附近的工作人員，其危險性都很大。

圖1 電弧能量-時間曲線

　　因此，很有必要引入快速切除弧光故障的保護系統(tǒng)。安科瑞ARB5系列弧光保護裝置通過弧光+電流雙重判據(jù)或弧光單判據(jù)啟動保護，其弧光單判據(jù)動作時間≤7ms；弧光+電流雙判據(jù)動作時間≤20ms，為快速切除中低壓弧光故障提供了技術支持。

　　2中低壓開關柜弧光保護必要性

　　國家標準相關規(guī)定，110kV及以上的電壓級別的變壓器的熱穩(wěn)定允許時間和動穩(wěn)定時間分別是2s和0.25s。一般，在低壓側(cè)出口出現(xiàn)短路故障時時間往往超過2s，不能滿足變壓器動穩(wěn)定時間要求，這樣就會導致變壓器損壞。

　　為了解決開關柜弧光短路故障問題，可以采取一些常規(guī)性防護措施，比如加強開關柜的結構，設置釋放板和泄壓通道將氣流等輸出柜體。但此類措施會提高設備成本，對電力企業(yè)的經(jīng)濟效益帶來影響。

　　弧光保護相比這些防護措施，可以從根本上限制故障電弧，從而解決開關柜弧光短路故障對工作人員和開關設備的影響和危害。一方面，可以在開關柜耐受燃弧時間內(nèi)采用中低壓母線保護快速切除故障；另一方面，能減少用戶停電時間，可盡快恢復生產(chǎn)。此外，對于使用年限很長需要進行改造的開關柜，采用弧光保護可合理延長其使用壽命，從而減少對開關設備的投資費用。

　　3安科瑞ARB5系列弧光保護

　　安科瑞ARB5系列弧光保護裝置主要由ARB5-M主控單元、ARB5-S弧光探頭及光纖組成。

　　（1）  ARB5-M主控單元特點

　　1）啟動條件可選弧光單判據(jù)或弧光+電流雙判據(jù)。其中電流突變量啟動系數(shù)可整定范圍為0.05~10In，電流常量啟動系數(shù)可整定范圍為0.05~10In。

　　2）11路可編程跳閘出口。

　　3）4組3相電流采集。

　　4）支持20路弧光探頭信號采集。

　　5）弧光故障點定位。

　　6）弧光光纖鏈路自檢及裝置異常自檢。

　　7）4組失靈保護。

　　8）支持IEC61850，便于組建數(shù)字化智能變電站。

　　（2）  ARB5-S弧光探頭特點

　　1）自帶濾光功能。

　　2）無源型弧光傳感器。

　　3）探測角度≥180°。

圖2 ARB5-S弧光探頭探測角度

　　4中低壓開關柜母線弧光保護的應用

　　安科瑞ARB5系列弧光保護裝置廣泛應用于中低壓開關柜母線保護。

　　（1） 某機場10kV開關柜母線弧光保護

圖3 某機場10kV開關柜ARB5弧光保護安裝圖

　　（2） 某工廠0.4kV開關柜母線弧光保護

圖4 某工廠0.4kV開關柜ARB5弧光保護安裝圖

　　5結語

　　在電力系統(tǒng)運行中，由于自身電容量等因素的限制，需要對中低壓開關柜與母線進行合理地保護，因此，需要從中低壓開關柜電弧光短路故障原因和現(xiàn)有的中低壓母線保護方案存在的問題進行分析，明確故障問題帶了的嚴重危害，通過應用弧光保護，合理處理故障問題，從而更好地保護實現(xiàn)開關柜與母線的保護。