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（寧波電業(yè)局，浙江寧波351000）

基于RTDS的中壓母線弧光保護(hù)試驗研究

丁北平，吳英俊，陳琳燦，林鈞，姚一軍

（寧波電業(yè)局，浙江寧波351000）

為實現(xiàn)中壓母線的快速保護(hù)，根據(jù)現(xiàn)場變電站運行參數(shù)，用RTDS仿真試驗系統(tǒng)連接開發(fā)的中壓母線快速弧光保護(hù)裝置，構(gòu)建了中壓母線電弧光保護(hù)實時閉環(huán)系統(tǒng)模型。通過設(shè)置不同類型的故障點模擬中壓母線的各類故障，錄波并分析保護(hù)的動作行為，研究弧光保護(hù)作為中壓母線快速保護(hù)的可行性，并驗證了其滿足保護(hù)選擇性與靈敏性的設(shè)計初衷。

中壓母線；弧光保護(hù)；選擇性；RTDS

在國內(nèi)電力系統(tǒng)中，中低壓母線目前沒有全面配置母線保護(hù)，母線故障均靠上一級保護(hù)裝置的后備保護(hù)來切除，如降壓變電站中利用主變壓器保護(hù)中復(fù)合電壓過電流來切除中低壓母線上的故障。為了和中低壓系統(tǒng)饋線保護(hù)在選擇性上的配合，往往帶著很大的延時，所以不能快速地切除中低壓母線上的故障，無論是對中低壓配電裝置本身還是對上一級設(shè)備造成的沖擊和損壞都很大，因此完全有必要采用一套快速保護(hù)來保證中低壓配電設(shè)備的可靠運行。

RTDS是由加拿大曼巴托尼直流研究中心推出的電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)。利用RTDS實時數(shù)字仿真平臺，建立繼電保護(hù)裝置數(shù)字動模系統(tǒng)，開展繼電保護(hù)裝置的數(shù)字動模試驗研究，可以全面考核繼電保護(hù)裝置在實際工況下的整體性能。為此，采用RTDS系統(tǒng)對中壓母線弧光保護(hù)進(jìn)行了動模試驗。

1 中壓母線弧光保護(hù)

1.1 傳統(tǒng)電壓母線保護(hù)的不足

（1）統(tǒng)計表明中壓開關(guān)柜故障多數(shù)是由饋線路故障發(fā)展至母線故障，多發(fā)生在開關(guān)柜的電纜室和開關(guān)室，需要有選擇性的保護(hù)。

（2）開關(guān)與TA（電流互感器）間是傳統(tǒng)保護(hù)的死區(qū)，開關(guān)柜內(nèi)大半空間位于此，要實現(xiàn)此處的保護(hù)要有除電氣量外其他信息量加入，而差動保護(hù)方案將擴大停電范圍。

（3）饋線電流保護(hù)閉鎖式母線保護(hù)，需更換原有饋線保護(hù)，且死區(qū)故障同差動一樣會擴大停電范圍。

（4）差動保護(hù)的安裝需更換饋線TA，成本高施工困難。

1.2 電弧光的保護(hù)原理

引起開關(guān)柜弧光短路故障的原因很多[1-3]，主要有：絕緣故障、載流回路不良、外來物體的進(jìn)入、人為操作錯誤、系統(tǒng)故障等。

弧光能加熱周圍的空氣，開關(guān)柜內(nèi)會發(fā)生空氣膨脹并產(chǎn)生巨大的壓力?；」鈺陂_關(guān)柜內(nèi)燃燒，燃燒的氣體和熱量會爆散到周圍環(huán)境，弧光能融化和蒸發(fā)金屬?；」舛搪分苯拥谋憩F(xiàn)形式是起電弧燃燒。開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部弧光故障產(chǎn)生的短路功率可高達(dá)8～60 MW，電弧燃燒產(chǎn)生的巨大能量所造成的故障效應(yīng)包括壓力效應(yīng)、燃燒效應(yīng)（熱效應(yīng)）、輻射和聲響效應(yīng)，如不及時切除，將造成設(shè)備及整個變電站重大損失。

弧光保護(hù)系統(tǒng)通過檢測開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生故障時發(fā)出的弧光和電流突變量來判斷是否發(fā)生故障。在同時檢測到弧光和電流突變時發(fā)出跳閘命令，只檢測到其中之一時發(fā)報警信號，其原理如圖1所示。

2 中壓母線弧光保護(hù)方案

2.1 中壓母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)方案

針對某終端變電站的雙端電源單母分段接線，提出了母線弧光保護(hù)接線及動模方案見圖2。

該方案中構(gòu)成的組件包括主控單元、電流單元、弧光擴展器、弧光單元、弧光傳感器等，各構(gòu)件主要功能及其輸入、輸出節(jié)點在文獻(xiàn)[1]中有詳細(xì)闡述。試驗中設(shè)置F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4等4個區(qū)內(nèi)故障點，其中F1，F(xiàn)3，F(xiàn)4為保護(hù)動作邊界條件，觀察保護(hù)動作行為及動作時間。另設(shè)置F5與F6 2個區(qū)外故障點，試驗保護(hù)的動作狀況。

2.2 保護(hù)動作邏輯

（1）10 kV進(jìn)線斷路器F1點瞬時性故障，包括相間短路、兩相接地、三相短路等（下同），電弧光保護(hù)系統(tǒng)探頭1發(fā)出弧光信號，進(jìn)線測得電流互感器過流，保護(hù)動作條件滿足，跳BRK2；若保護(hù)動作后故障未切除，失靈保護(hù)動作，跳BRK1。

（2）10 kVⅠ母F2點瞬時性故障，保護(hù)動作條件滿足，跳BRK2；若保護(hù)動作后故障未切除，失靈保護(hù)動作，跳BRK1。

（3）F3點瞬時性故障，探頭3發(fā)信號，母聯(lián)處弧光單元收到主變低壓側(cè)過流信號，弧光單元動作跳BRK3。動作后故障未切除，母聯(lián)弧光單元經(jīng)失靈延時1動作，跳BRK2。保護(hù)動作后故障仍未切除，母聯(lián)弧光單元經(jīng)失靈延時2動作，跳BRK1。

（4）10 kV出線斷路器F4點瞬時性故障，探頭4發(fā)信號，出線弧光單元收到主變低壓側(cè)過流信號動作跳BRK4。動作后故障未切除，出線弧光單元經(jīng)失靈延時1動作，跳BRK2。保護(hù)動作后故障仍未切除，出線弧光單元經(jīng)失靈延時2動作，跳BRK1。

（5）10 kV母聯(lián)斷路器合位，10 kVⅡ母線區(qū)外F5點瞬時性故障，無探頭信號，保護(hù)不動作。

（6）10 kV出線區(qū)外F6點瞬時性故障，無探頭信號，保護(hù)不動作。

3 RTDS建模與數(shù)據(jù)分析

3.1 RTDS建模

本次動模試驗結(jié)合實際變電站運行數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)模型：系統(tǒng)電壓115 kV，系統(tǒng)容量150 MVA；進(jìn)線變壓器為Yd11聯(lián)接，50 MVA，110/10.5 kV；系統(tǒng)負(fù)荷3 MW/0.3 Mvar；中性點經(jīng)消弧線圈接地方式，故障點設(shè)置如圖2所示。

由于中壓母線2回進(jìn)線具有對稱性，本次集中在進(jìn)線1和Ⅰ母側(cè)進(jìn)行電弧光保護(hù)試驗，試驗結(jié)果亦可以推導(dǎo)到Ⅱ母側(cè)。試驗時的運行方式為變壓器1供電，母聯(lián)合位。當(dāng)區(qū)內(nèi)故障時，失靈保護(hù)動作聯(lián)跳變壓器高壓側(cè)時間整定為0.3 s；出線及母聯(lián)失靈聯(lián)跳進(jìn)線斷路器時間整定為0.2 s。

3.2 數(shù)字動模試驗及分析

如前所述，中壓母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)區(qū)內(nèi)故障包括F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4四個故障區(qū)域，其中F1，F(xiàn)3，F(xiàn)4又分別為保護(hù)動作的邊界條件。對于邊界條件F1又可以斷路器動靜觸頭為界進(jìn)一步分為斷路器進(jìn)線變壓器側(cè)故障與斷路器母線側(cè)故障，F(xiàn)4故障可細(xì)分為斷路器母線側(cè)故障與斷路器出線側(cè)故障。對于F3按故障發(fā)生在母聯(lián)斷路器與TA之間位置不同又可分為：故障發(fā)生在母聯(lián)TA前面；故障發(fā)生在母聯(lián)斷路器和TA之間；故障發(fā)生在母聯(lián)斷路器之后。試驗數(shù)據(jù)與分析如下：

（1）區(qū)內(nèi)F2處設(shè)置各類型故障，比如AB相間故障，得變壓器低壓側(cè)母線進(jìn)線處電壓和電流故障波形及斷路器跳閘信號見圖3，其中X1跳110 kV斷路器信號；X2跳10 kV進(jìn)線開關(guān)信號；X3主控單元跳母聯(lián)信號；X4弧光單元跳母聯(lián)信號；X5跳10 kV出線開關(guān)信號；X6時間記錄參考信號，fltstart故障記錄起始信號；BRK1-110 kV斷路器跳閘信號；BRK2-10 kV進(jìn)線斷路器跳閘信號；BRKBB2-母聯(lián)斷路器跳閘信號；BRK4-10 kV出線斷路器跳閘信號。

同理可得F2處其他不同類型故障故障波形及跳閘信號，當(dāng)F2處發(fā)生各類型故障時，電弧光保護(hù)均瞬時發(fā)出進(jìn)線斷路器跳閘信號。

（2）F1處故障以斷路器上、下觸頭為界考察兩處故障，上觸頭端故障即BRK2變壓器側(cè)故障，波形及動作時序見圖4。下觸頭端故障即BRK2母線側(cè)故障，波形及動作時序與圖3相同。

由圖4可得，進(jìn)線斷路器處故障，探頭1發(fā)出弧光信號，同時進(jìn)線TA過流，弧光保護(hù)跳閘，跳開進(jìn)線1斷路器，同時啟動失靈信號，由于故障位于斷路器變壓器側(cè)，所以故障仍存在，弧光保護(hù)經(jīng)設(shè)定延時跳變壓器高壓側(cè)斷路器。F4處故障類似于F1處故障，對于進(jìn)線斷路器出線側(cè)故障，弧光保護(hù)跳饋線斷路器，母線故障保護(hù)動作跳進(jìn)線斷路器。

（3）F3處考察發(fā)生在母聯(lián)TA前或位于母聯(lián)斷路器和TA之間2個位置的故障。母聯(lián)處探頭3發(fā)出信號，進(jìn)線處TA過流，母聯(lián)斷路器跳閘，同時啟動失靈保護(hù)，由于進(jìn)線斷路器過流均存在，所以失靈保護(hù)跳進(jìn)線斷路器。當(dāng)母聯(lián)斷路器Ⅱ母側(cè)故障時，弧光保護(hù)跳母聯(lián)斷路器。

（4）當(dāng)F5與F6試驗區(qū)外故障時，2處故障點均無弧光信號，結(jié)果在各種故障類型下，中壓母線弧光保護(hù)均未動作。

4 結(jié)論

通過對中壓母線弧光保護(hù)建立RTDS實時模型，并與弧光保護(hù)裝置聯(lián)接構(gòu)成實時閉環(huán)測試系統(tǒng)。對各故障點模擬可知，中壓母線采用弧光保護(hù)可以避免中壓母線故障切除時間長，事故影響范圍大，由此造成停電時間長、維護(hù)工作量大等問題。在當(dāng)前中壓母線缺少主保護(hù)、基于電信號的傳統(tǒng)保護(hù)不能滿足電網(wǎng)發(fā)展要求的現(xiàn)狀下，母線弧光保護(hù)應(yīng)用前景廣闊。

[1]李從飛，陳凡，魯雅斌，等.DPR360ARC弧光保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010,38（12）:125-128.

[2]SVEN WOLFRAM，LAURI KUMPULAINEN，TONI HARJU.High Speed Protection Concept to Minimize the Impacts of Arc-Flash Incidents in Electrical Systems of Ships[M].

[3]LAURI KUMPULAINEN，SAMUEL DAHL.Minimizing hazard to personnel,damage to equipment,and process outages by optical arc-flash protection[M].

[4]張延鵬，振宏，宋卓然，等.基于RTDS母差保護(hù)裝置的數(shù)字動模試驗研究[J].東北電力技術(shù)，2007（10）:1-3.

[5]周巍，張沛超，楊星星，等.基于RTDS的微機保護(hù)實時閉環(huán)數(shù)字仿真系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（16）:127-130.

（本文編輯：楊勇）

美開發(fā)出從海浪獲取能源的納米摩擦發(fā)電機

美國佐治亞理工學(xué)院的科學(xué)家開發(fā)出一種利用海浪發(fā)電的納米摩擦發(fā)電機。研究人員稱，這種發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、廉價易用，可晝夜無休地持續(xù)工作。摩擦發(fā)電效應(yīng)是兩種材料接觸和分離產(chǎn)生電荷的一種現(xiàn)象，此前曾開發(fā)出一種能為手機電池充電的固體摩擦發(fā)電機。而新研究面臨的問題是，如何讓摩擦發(fā)電在潮濕如海水的環(huán)境中產(chǎn)生？

研究人員發(fā)現(xiàn)，摩擦發(fā)電現(xiàn)象并不限于固體之間，它同樣存在于液體環(huán)境當(dāng)中。唯一的要求是，兩種物質(zhì)特定的電子能水平足夠接近。對水而言，它所需要的僅僅是一個適合的“拍檔”。通過實驗，他們發(fā)現(xiàn)一種特殊的塑料或能當(dāng)此重任。作為原型，研究人員制作了一個絕緣的塑料容器。這個容器有蓋和底，上面安裝了由銅片制成的電極。他們的系統(tǒng)之所以能夠成功，是因為其蓋子內(nèi)部涂有一層納米級、微型金字塔狀的聚二甲基硅氧烷（PDMS）。而容器中則裝滿了去離子水。當(dāng)蓋子下降時，這些微型金字塔就會與水發(fā)生接觸，一批聚二甲基硅氧烷原子就會被電離，從而產(chǎn)生負(fù)電荷；與此同時，水面上也會相應(yīng)產(chǎn)生正電荷。當(dāng)聚二甲基硅氧烷層離開水送出電荷后就完成了一個完整的摩擦發(fā)電過程。其原理是利用了聚二甲基硅氧烷與水之間的電位差。選擇聚二甲基硅氧烷的原因，是其優(yōu)良的疏水性減少了水的附著，獨特的金字塔外形更易讓水脫落。當(dāng)置于海水中時，該裝置會隨著波浪，周期性地上升與下降，其中的電極與整流器和電容相連，產(chǎn)生的直流電能夠點亮60盞LED燈。研究人員稱，該裝置具有廣泛的應(yīng)用價值，由于對溫度敏感可將其作為一種溫度傳感器；如將其他傳感器附著在上面，它也能為生物分子傳感器和化學(xué)傳感器的設(shè)計提供更多的想象空間。

摘編自互聯(lián)網(wǎng)

Experimental Study on Arc-flash Protection of Medium Voltage Busbar Based on RTDS

DING Bei ping，WU Ying jun，CHEN Lin can，LIN Jun，YAO Yi jun
（Ningbo Electric Power Bureau，Ningbo Zhejiang 351000，China）

In order to realize the fast protection of MV（medium voltage）busbar,RTDS simulation test system is connected to the developed arc-flash protection device of MV busbar in accordance with operating parameters of field substation to establish the real-time closed-loop system for arc-flash protection of MV busbar.By setting different types of fault locations,various faults of MV busbar are simulated.The waves are recorded and action behavior of the protection is analyzed.The feasibility of arc-flash protection as fast protection of MV busbar is investigated，and the original intention of the design to meet the protection selectivity and sensitivity is verified.

MV busbar；arc-flash protection；selectivity；RTDS

TM773

：B

：1007-1881（2013）11-0073-04

2013-08-13

丁北平（1982-），男，山東青島人，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)計研究工作。