高衛(wèi)東

(山西省送變電工程公司,山西太原 030012)

0 引言

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展,6～35 kV開(kāi)關(guān)柜的應(yīng)用數(shù)量越來(lái)越多,由開(kāi)關(guān)柜弧光短路故障引發(fā)低壓母線故障日益增多,弧光短路嚴(yán)重?zé)龤ч_(kāi)關(guān)設(shè)備的事故時(shí)有發(fā)生,主變壓器由于遭受外部短路電流沖擊損壞的事故也逐年增加,這些事故若處理不當(dāng)甚至?xí)U(kuò)大發(fā)展為輸電網(wǎng)事故,造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

開(kāi)關(guān)柜IEC298標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)部燃弧耐受時(shí)間是100 ms,即開(kāi)關(guān)柜可承受的電弧燃燒時(shí)間為100 ms。發(fā)生弧光故障,在斷路器動(dòng)作跳閘切斷故障前,短路電弧一直在燃燒,電弧燃燒的持續(xù)時(shí)間為保護(hù)動(dòng)作時(shí)間加斷路器跳閘時(shí)間之和。從開(kāi)關(guān)柜方面考慮,要求保護(hù)動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于100 ms切除故障,以防止弧光短路故障進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大造成更大的損害。對(duì)于變壓器規(guī)定110 kV及以上電壓等級(jí)的變壓器熱穩(wěn)定允許時(shí)間為2.0 s,動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間為0.25 s[1]。實(shí)際由于靈敏度等原因,變電站低壓側(cè)出口短路依靠主變壓器后備過(guò)流保護(hù)切除故障的動(dòng)作時(shí)間往往在2 s以上,離0.25 s的變壓器動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間相差甚遠(yuǎn),由此造成主變壓器的損壞,同時(shí)危及母線、開(kāi)關(guān)等設(shè)備。

因此,為保證主變壓器及母線、開(kāi)關(guān)等設(shè)備的安全運(yùn)行,有必要在變電站低壓開(kāi)關(guān)柜裝設(shè)快速、可靠的保護(hù)裝置。

1 電弧光產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)

當(dāng)兩電極間電壓升高時(shí),在電極最近處空氣中的正負(fù)離子被電場(chǎng)加速,在移動(dòng)的過(guò)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”。空氣被電離的同時(shí),溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧,這種放電稱為電弧光放電。電弧光放電一般不需要很高的電壓,屬于低電壓大電流放電。它產(chǎn)生的條件是小間隙和大電流,如果增加間隙或減小電流,電弧將會(huì)消失。產(chǎn)品因絕緣損壞、元件老化、過(guò)電壓、污染、腐蝕、柜體結(jié)構(gòu)不合理、維護(hù)不到位、人為失誤等因素均可導(dǎo)致故障電弧光的產(chǎn)生。故障電弧發(fā)展迅速、破壞力大、極易傳播,電弧中心溫度超過(guò)10 000℃,弧光的光強(qiáng)度可超過(guò)正常的照明光強(qiáng)2 000倍。當(dāng)發(fā)生電弧光短路故障時(shí)有兩個(gè)顯著特征:電流增大,光強(qiáng)增大。

2 電弧光保護(hù)介紹

電弧光保護(hù)是根據(jù)35 kV及以下開(kāi)關(guān)柜故障時(shí)的特征而開(kāi)發(fā)的保護(hù)裝置,它采用檢測(cè)弧光和過(guò)流雙判據(jù)原理,具有原理簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠迅速、對(duì)變電站一次設(shè)備無(wú)特殊要求、適應(yīng)各種運(yùn)行方式、且在各種運(yùn)行方式下保護(hù)不需要切換等優(yōu)點(diǎn),是變電站低壓開(kāi)關(guān)柜很好的保護(hù)配置。

本文主要以Rizner-EagleEye光電式電弧光保護(hù)系統(tǒng)為例來(lái)介紹,該電弧光保護(hù)系統(tǒng)使用光纖檢測(cè)電弧光信號(hào),配合過(guò)流判據(jù),其快速繼電器 (采用可控硅開(kāi)關(guān))出口時(shí)間小于1 ms,而常規(guī)繼電器出口時(shí)間小于8 ms,如果加上斷路器35～60 ms的跳閘時(shí)間,即能夠有效保護(hù)主變壓器及母線、開(kāi)關(guān)等設(shè)備。

2.1 電弧光保護(hù)系統(tǒng)主要特點(diǎn)

a)采用弧光檢測(cè)及過(guò)流檢測(cè)雙判據(jù)原理,動(dòng)作可靠。

b)弧光檢測(cè)采用無(wú)源弧光探頭,光纖傳輸長(zhǎng)達(dá)100 m,抗電磁干擾能力強(qiáng)。

c)采用光纖傳輸跳閘指令,可控硅開(kāi)關(guān)出口,動(dòng)作時(shí)間小于1 ms。

d)顯示故障位置,便于故障處理,極大提高恢復(fù)供電速度。

2.2 系統(tǒng)組成

主要由主控單元、弧光單元、電流單元組成,單元之間用光纜線和數(shù)據(jù)傳輸線連接。電弧光保護(hù)系統(tǒng)采用微處理器控制系統(tǒng)功能,通過(guò)編程可匹配不同的運(yùn)行方式。

2.3 各單元功能

2.3.1 主控單元

管理控制整個(gè)系統(tǒng),主控單元通過(guò)檢測(cè)過(guò)電流和弧光動(dòng)作信號(hào),對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷,發(fā)出跳閘信號(hào)以切除故障。系統(tǒng)只有同時(shí)檢測(cè)到弧光和過(guò)流時(shí)才發(fā)出跳閘命令。僅有弧光動(dòng)作信號(hào)或者過(guò)電流信號(hào),系統(tǒng)不會(huì)輸出跳閘命令,但是在主控單元上會(huì)顯示報(bào)警信號(hào)。

主控單元具備可編程邏輯功能,可直接操作4個(gè)斷路器。通過(guò)快速繼電器能夠同時(shí)操作更多的斷路器。主控單元有4個(gè)數(shù)據(jù)傳輸接口,每個(gè)接口可聯(lián)結(jié)6個(gè)弧光或電流單元,共可接24個(gè)弧光或電流單元。所有接口都能用不同的參數(shù)編程。通過(guò)主控單元中的顯示,可以準(zhǔn)確判斷電弧光和過(guò)流的位置。

2.3.2 弧光單元

通過(guò)安裝在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的弧光傳感器 (弧光探頭),把弧光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出至主控單元,作為保護(hù)動(dòng)作的一個(gè)判據(jù)。

2.3.3 電流單元

通過(guò)對(duì)進(jìn)線電流的檢測(cè),把過(guò)電流信號(hào)輸出至主控單元,作為保護(hù)動(dòng)作的一個(gè)判據(jù)。

3 實(shí)際應(yīng)用分析

3.1 某變電站35 kV系統(tǒng)電弧光保護(hù)配置

如圖1所示。

35 kVⅠ段、Ⅱ段各配置一套電弧光保護(hù)裝置BH1和BH2,兩套保護(hù)之間采用光纖通訊聯(lián)系。

圖1 電弧光保護(hù)配置圖

兩套保護(hù)裝置BH1和BH2分別安裝于1號(hào)及2號(hào)主變35 kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi),BH1電流取自1號(hào)主變35 kV側(cè)電流互感器,BH2電流取自2號(hào)主變35 kV側(cè)電流互感器。

電弧光傳感器安裝在各開(kāi)關(guān)柜母線室內(nèi),以確保母線室內(nèi)發(fā)生任何弧光故障時(shí)都能感受弧光,發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。

3.2 電弧光保護(hù)動(dòng)作邏輯分析

圖2為一臺(tái)電弧光保護(hù)裝置邏輯圖,對(duì)側(cè)另一臺(tái)弧光保護(hù)裝置邏輯圖與此相同。

圖2 電弧光保護(hù)裝置邏輯圖

動(dòng)作分析如下。

本側(cè)弧光信號(hào)動(dòng)作,H1動(dòng)作,同時(shí)本側(cè)過(guò)流起動(dòng),Y2動(dòng)作,通過(guò)快速接點(diǎn) (可控硅開(kāi)關(guān))跳進(jìn)線開(kāi)關(guān)。

對(duì)側(cè)弧光信號(hào)動(dòng)作輸入本裝置,同時(shí)本側(cè)過(guò)流起動(dòng),Y1動(dòng)作,通過(guò)快速接點(diǎn) (可控硅開(kāi)關(guān))跳分段開(kāi)關(guān)。

本側(cè)弧光信號(hào)動(dòng)作、對(duì)側(cè)弧光信號(hào)動(dòng)作、本側(cè)過(guò)流起動(dòng)任一條件滿足,H2動(dòng)作,裝置發(fā)弧光或過(guò)流報(bào)警信號(hào)。

本側(cè)弧光信號(hào)動(dòng)作,H1動(dòng)作,經(jīng)SC1把該信號(hào)通過(guò)光纖傳至對(duì)側(cè)弧光保護(hù)裝置,作為對(duì)側(cè)弧光保護(hù)動(dòng)作的一個(gè)判據(jù)。

3.3 不同運(yùn)行方式下保護(hù)動(dòng)作分析

如圖3所示。

圖3 電弧光保護(hù)裝置動(dòng)作示意圖

3.3.1 運(yùn)行方式一

1DL、3DL合位,2DL分位,由1號(hào)變帶Ⅰ、Ⅱ段母線。

如故障發(fā)生在K2處,1號(hào)保護(hù)裝置BH1收到2號(hào)保護(hù)裝置BH2發(fā)來(lái)的Ⅱ段弧光動(dòng)作信號(hào),同時(shí)本側(cè)過(guò)流起動(dòng),保護(hù)跳3DL切除故障。BH2由于本側(cè)電流不起動(dòng),保護(hù)不動(dòng)作。動(dòng)作結(jié)果是切除Ⅱ段母線,Ⅰ段正常供電。

如故障發(fā)生在K1處,1號(hào)保護(hù)裝置BH1收到本側(cè)發(fā)的Ⅰ段弧光動(dòng)作信號(hào),同時(shí)本側(cè)過(guò)流起動(dòng),保護(hù)跳1DL切除故障。BH2由于本側(cè)電流不起動(dòng),保護(hù)不動(dòng)作。動(dòng)作結(jié)果是切除Ⅰ、Ⅱ段母線。

3.3.2 運(yùn)行方式二

2DL、3DL合位,1DL分位,由2號(hào)變帶Ⅰ、Ⅱ段母線。

如果故障發(fā)生在K1處,2號(hào)保護(hù)裝置BH2收到1號(hào)保護(hù)裝置BH1發(fā)來(lái)的Ⅰ段弧光動(dòng)作信號(hào),同時(shí)本側(cè)過(guò)流起動(dòng),保護(hù)跳3DL切除故障。BH1由于本側(cè)電流不起動(dòng),保護(hù)不動(dòng)作。動(dòng)作結(jié)果是切除Ⅰ段母線,Ⅱ段正常供電。

如果故障發(fā)生在K2處,2號(hào)保護(hù)裝置BH2收到本側(cè)發(fā)的Ⅱ段弧光動(dòng)作信號(hào),同時(shí)本側(cè)過(guò)流起動(dòng),保護(hù)跳2DL切除故障。BH1由于本側(cè)電流不起動(dòng),保護(hù)不動(dòng)作。動(dòng)作結(jié)果是切除Ⅰ、Ⅱ段母線。

3.3.3 運(yùn)行方式三

1DL、2DL、3DL合位,由1號(hào)、2號(hào)變同時(shí)帶Ⅰ、Ⅱ段母線。

如果故障發(fā)生在K1處,2號(hào)保護(hù)裝置BH2收到1號(hào)保護(hù)裝置BH1發(fā)來(lái)的Ⅰ段弧光動(dòng)作信號(hào),同時(shí)本側(cè)過(guò)流起動(dòng),保護(hù)動(dòng)作跳3DL;1號(hào)保護(hù)裝置BH1收到本側(cè)發(fā)的Ⅰ段弧光動(dòng)作信號(hào),同時(shí)本側(cè)過(guò)流起動(dòng),保護(hù)動(dòng)作跳1DL。動(dòng)作結(jié)果是切除Ⅰ段母線,Ⅱ段正常供電。

如果故障發(fā)生在K2處,1號(hào)保護(hù)裝置BH1收到2號(hào)保護(hù)裝置BH2發(fā)來(lái)的Ⅱ段弧光動(dòng)作信號(hào),同時(shí)本側(cè)過(guò)流起動(dòng),保護(hù)動(dòng)作跳3DL;2號(hào)保護(hù)裝置BH2收到本側(cè)發(fā)的Ⅱ段弧光動(dòng)作信號(hào),同時(shí)本側(cè)過(guò)流起動(dòng),保護(hù)動(dòng)作跳2DL。動(dòng)作結(jié)果是切除Ⅱ段母線,Ⅰ段正常供電。

可見(jiàn),在各種運(yùn)行方式下,電弧光保護(hù)裝置具有很好的選擇性,可以快速地切除故障點(diǎn),同時(shí)保證正常母線供電。

4 電弧光保護(hù)的整定及應(yīng)用注意事項(xiàng)

4.1 整定

本保護(hù)裝置有兩個(gè)定值,即過(guò)電流定值、光強(qiáng)度定值。

過(guò)電流定值通過(guò)裝置面板上的電位器整定,整定范圍是 (50%～500%)×In,In為電流互感器二次額定電流值,裝置的額定電流可以設(shè)置為5 A或1 A。低壓側(cè)母線發(fā)生故障時(shí)短路電流可達(dá)到幾千乃至上萬(wàn)安培電流,出廠推薦定值為250%×In。

光強(qiáng)度定值通過(guò)裝置面板上的電位器整定,整定范圍是10～50 klux(lux勒克司,照度單位,為距離一個(gè)光強(qiáng)1 cd的光源,在1 m處接受的照明強(qiáng)度)。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜發(fā)生弧光短路時(shí),光強(qiáng)度可達(dá)到100 klux,出廠推薦定值為30 klux。當(dāng)對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),可將定值調(diào)為10 klux,此時(shí)用強(qiáng)光手電筒近距離照射弧光傳感器探頭,可發(fā)出弧光動(dòng)作信號(hào),試驗(yàn)完畢應(yīng)將定值調(diào)回。

4.2 應(yīng)用注意事項(xiàng)

光強(qiáng)度定值整定30 klux時(shí),一般的環(huán)境光線甚至強(qiáng)光手電筒照射也難以啟動(dòng)弧光傳感器,不必?fù)?dān)心弧光傳感器誤動(dòng)作。

發(fā)生開(kāi)關(guān)柜區(qū)外出口附近短路時(shí),短路電流很大,有可能過(guò)流起動(dòng),但是沒(méi)有弧光動(dòng)作信號(hào),保護(hù)裝置只是發(fā)出過(guò)流起動(dòng)信號(hào)而不跳閘出口,運(yùn)行值班人員可以根據(jù)裝置面板上信號(hào)燈進(jìn)行分析判斷。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著微機(jī)和光電技術(shù)的發(fā)展,各種新型原理的保護(hù)裝置不斷出現(xiàn),電弧光保護(hù)作為一種針對(duì)低壓開(kāi)關(guān)柜故障特性開(kāi)發(fā)的保護(hù)裝置,原理簡(jiǎn)單,動(dòng)作可靠迅速,適用于多種運(yùn)行方式。因此,采用電弧光保護(hù)是35 kV及以下開(kāi)關(guān)柜發(fā)生弧光短路時(shí)較為理想的一個(gè)保護(hù)方案。

[1] 劉萬(wàn)順.電力系統(tǒng)故障分析 [M].北京:中國(guó)電力出版社,1998:20-60.