南京四方致捷開關(guān)有限公司湖州分公司 馬步青

6—35kV中壓開關(guān)柜電弧故障與弧光保護應(yīng)用探討

南京四方致捷開關(guān)有限公司湖州分公司 馬步青

本文介紹了6-35kV中壓開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生電弧故障的原因、危害，以及弧光保護在中壓母線保護中的原理、用途、應(yīng)用關(guān)鍵點，同時還介紹了弧光保護應(yīng)用現(xiàn)狀。

中壓開關(guān)柜；電弧光保護； 母線保護

0.引言

6kV-35kV中壓成套開關(guān)柜作為供電系統(tǒng)的樞紐，由于開關(guān)柜尺寸較小、絕緣損壞、產(chǎn)品缺陷等導(dǎo)致開關(guān)柜內(nèi)電弧故障，該類事故危害性高，嚴(yán)重的造成開關(guān)柜燒毀、人員傷亡和用戶長期停電。所以，當(dāng)發(fā)生開關(guān)柜電弧故障時是能否迅速切除故障，對變電站配電系統(tǒng)的安全運行至關(guān)重要。另一方面，用戶對供電的可靠性要求也越來越髙，基于以上原因，有必要對中壓開關(guān)柜裝設(shè)專用快速母線保護-弧光保護。

1.6-35kV開關(guān)柜電弧故障原因及危害

6-35kV中壓開關(guān)柜在電力系統(tǒng)中常見故障有過流、過壓、短路、電弧等，其中以電弧故障對人身安全和設(shè)備危害最大。在我國由于電弧短路事故造成的中壓開關(guān)柜嚴(yán)重?zé)龤鹿蕰r有發(fā)生，如2012年7月，浙江某110kV變電所，10kV出線柜斷路器上觸臂短路，導(dǎo)致相間弧光短路，斷路器上觸臂、開關(guān)柜金屬活門熔化，本柜燒毀報廢，相鄰開關(guān)柜損壞，該段母線停電。2013年2月，浙江某110kV變電所，10kV柜間母線橋架內(nèi)，位于開關(guān)柜柜頂處的穿墻套管處絕緣擊穿，母線相對地電弧短路故障，導(dǎo)致橋架內(nèi)C相母排熔化，橋架及母排損壞，橋架拆除維修，該段母線停電等等。

1.1 電弧故障產(chǎn)生的原因

引起開關(guān)柜內(nèi)部電弧短路故障的主要原因有：

（1）開關(guān)柜使用的導(dǎo)電體性能不良。

（2）元件損壞，開關(guān)柜內(nèi)部元件（或零部件）因未得到良好的維修和保養(yǎng)而損壞。

（3）絕緣材料損壞, 主要有絕緣材料缺陷（如裂痕），投運年限長久的開關(guān)柜因絕緣件老化，最終造成絕緣損壞導(dǎo)致故障。絕緣材料不滿足加強絕緣要求，絕緣爬距不足，潮濕、多灰塵污染環(huán)境使用等，導(dǎo)致絕緣故障。

（4）人或者動物誤入，如小動物進入開關(guān)柜內(nèi)部，接觸到帶電體導(dǎo)致故障。

（5）施工（維修）人員將工（器）具遺忘或誤放在開關(guān)柜內(nèi)，導(dǎo)致故障。

（6）操作過程的失誤，如未按正確程序停電、驗電、接地操作，走錯間隔等。

（7）單相接地、諧振、雷電等造成的系統(tǒng)過電壓。

（8）電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變，如系統(tǒng)容量的增加，電纜應(yīng)用增多等。

1.2 6-35kV開關(guān)柜電弧故障的危害

開關(guān)柜內(nèi)電弧短路故障的危害主要造成開關(guān)設(shè)備及鄰近配電設(shè)備的損壞和對現(xiàn)場工作人員的傷害。

（1）中壓開關(guān)柜電弧短路故障對設(shè)備的危害

當(dāng)中壓開關(guān)柜發(fā)生電弧故障時, 瞬時功率最大可達40MW，電弧內(nèi)部溫度可達10,000-20,000 °C，電弧甚至可以通過絕緣物體傳播，不僅引起絕緣物質(zhì)燃燒，而且可以引起金屬熔化飛濺，構(gòu)成引發(fā)火災(zāi)的火源。在高能電弧及故障電流長時間的作用下，開關(guān)柜自身會損毀，變壓器會受到嚴(yán)重沖擊或損壞[1]，由于故障往往未得到及時切除，發(fā)展為中壓母線故障，其危害是非常嚴(yán)重的，可能導(dǎo)致“火燒連營”多組開關(guān)柜同時燒毀。巨大的母線短路沖擊電流造成主變壓器損壞也有發(fā)生，甚至造成發(fā)電廠廠用電瓦解、重要用戶停電。

（2）中壓開關(guān)柜電弧短路故障對人的危害

當(dāng)開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部電弧故障時，對附近的工作人員危險性很大。電弧爆炸散發(fā)出大量的熱能輻射和飛濺的熔化金屬，造成的燒傷是最嚴(yán)重的傷害；弧光的光強約9000LUX，而人眼感受到的最大光強約300LUX，很容易使人的眼睛刺傷，暫時性失明；電弧爆炸火災(zāi)產(chǎn)生的巨大的聲響，對人的聽覺造成傷害，可能引起休克；電弧火災(zāi)產(chǎn)生臭氧、氮氧化物等有毒氣體傷害呼吸系統(tǒng)，可能引起窒息。

2.電弧故障的特性及傳統(tǒng)保護的局限性

（1）根據(jù)國內(nèi)外試驗研究，燃弧時間與造成開關(guān)柜損壞程度關(guān)系如下：

1）燃弧時間＜35ms，無顯著損壞，開關(guān)柜經(jīng)絕緣檢測試驗合格后一般可以投人使用。

2）燃弧時間＜100ms，損壞較小，開關(guān)柜經(jīng)內(nèi)部清潔，簡單維修，檢驗合格后可以再次投人運行。

3）燃弧時間500ms，損壞極其嚴(yán)重，開關(guān)柜必須更換部件徹底大修，重新使用前需經(jīng)全部試驗合格，嚴(yán)重的開關(guān)柜報廢更換新設(shè)備。

可見從保護開關(guān)柜，減小設(shè)備損壞考慮，保護動作切除故障時間應(yīng)小于100ms。

（2）傳統(tǒng)保護及其局限性。

目前普遍采用的中壓開關(guān)柜母線保護方案包括以下3種：

1）變壓器后備過流保護方案。這是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的開關(guān)柜母線保護方案，由于考慮到與饋線和母線分段開關(guān)的階梯時差配合原則，以致到進線開關(guān)時延已達1.0s～1.4s，甚至更長[2]。 顯然，不滿足快速切除故障要求。

2）饋線速斷保護閉鎖的變壓器后備過流保護,保護動作時間為300-400ms，仍不滿足100ms內(nèi)切除故障要求。

3）高阻抗母線保護方案，保護動作時間為一般為35-60ms。因成本技術(shù)原因，不適合中壓系統(tǒng)使用。

可見目前的傳統(tǒng)保護，不能滿足100ms內(nèi)快速切除電弧故障的要求。

（3）另一方面，雖然國家標(biāo)準(zhǔn)GB3906-2006和國家電網(wǎng)公司設(shè)備招標(biāo)技術(shù)要求規(guī)定開關(guān)柜內(nèi)部燃弧試驗持續(xù)時間不小于0.5s，由于電力設(shè)備制造行業(yè)過度競爭，產(chǎn)品價格低廉，當(dāng)燃弧時間由0.1s提供到0.5s,成本需大幅提高。另外，現(xiàn)場事故已經(jīng)暴露了開關(guān)柜在內(nèi)部故障方面的實際性能[3]。一般廠家提供的運行設(shè)備還達不到型式試驗柜的標(biāo)準(zhǔn)，所以僅靠開關(guān)柜自身難以抵抗燃弧故障破壞。

可見，目前解決電弧光危害的最有效方法，是在規(guī)定時間內(nèi)快速切斷故障電源。在開關(guān)柜內(nèi)加裝弧光保護裝置，當(dāng)柜內(nèi)有微小弧光時，迅速切斷進線電源，使故障盡早發(fā)現(xiàn)，將故障限定在最小范圍內(nèi)，盡可能減小損失。

3.弧光保護

3.1 弧光保護原理

弧光保護系統(tǒng)使用光纖監(jiān)測電弧光信號，配合過流判斷故障，其快速繼電器出口一般小于2.5ms，加上斷路器動作時間30-50ms，能在100ms內(nèi)迅速切除故障，有效保護開關(guān)設(shè)備。

3.2 弧光保護裝成

弧光保護主要有主控單元、弧光檢測輔助單元、過流檢測輔助單元、弧光檢測、數(shù)據(jù)線和光纖組成。

3.3 弧光保護用途

（1）用于中壓開關(guān)柜母線系統(tǒng)保護

國內(nèi)6-35 kV 母線一般不配置專用母線保護，采用弧光保護系統(tǒng)用于母線保護，可以彌補該缺陷，其功能和作用完全等同并優(yōu)于現(xiàn)有各種原理的母差保護,可以保護整段母線。目前，國內(nèi)中壓系統(tǒng)使用的弧光保護主要應(yīng)用于母線保護。

（2）用于中壓饋線柜保護

以檢測到電弧光作為判據(jù)，也可與過流保護配合，在開關(guān)柜內(nèi)單相對地燃弧時就發(fā)出跳閘信號，及早斷開斷路器，減小事故損失。

3.4 弧光保護應(yīng)用關(guān)鍵點

電弧光保護裝置關(guān)鍵技術(shù)主要包括：(1)電子設(shè)備穩(wěn)定性及抗干擾技術(shù)；(2)傳感器及其信號處理技術(shù)； (3)故障電流快速識別技術(shù)； (4)故障快速跳閘信號輸出及一次設(shè)備快速開斷技術(shù)； (5)弧光故障初期單相燃弧接地狀態(tài)的預(yù)警技術(shù)。

4.弧光保護應(yīng)用現(xiàn)狀

弧光保護在歐美國家得到了比較廣泛的應(yīng)用，在一些國家甚至已成為中低壓開關(guān)柜的標(biāo)準(zhǔn)配置[5]。國內(nèi)電弧光保護裝置應(yīng)用，正從發(fā)電企業(yè)逐步擴展到供電企業(yè)。自2011年起，南方電網(wǎng)的如云南、貴州，國家電網(wǎng)的如江蘇、浙江、山東、湖北省公司等省公司，均選擇變電站進行試點，作為10kV和35kV母線的快速保護。2009年以來，國內(nèi)已有南京、武漢、天津多家企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的弧光保護系列產(chǎn)品，如南京南瑞繼保電氣開發(fā)的PCS-9656電弧光保護系統(tǒng)；自主研發(fā)了紫外光弧光傳感器，解決了普通光纖弧光傳感器容易受干擾光影響的問題。弧光保護在實際應(yīng)用中也存在問題，如缺乏產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程的支撐，產(chǎn)品的電子裝置過于復(fù)雜，部分謹(jǐn)慎用戶只投運保護裝置而不投入保護輸出等，弧光保護產(chǎn)品在技術(shù)層面還具有一定的提升空間。

5.結(jié)語

自從弧光保護裝置引入我國，通過引進產(chǎn)品及自主研發(fā)，作為中壓母線保護的重要方式，正在電力領(lǐng)域發(fā)揮積極作用。弧光保護改進了傳統(tǒng)繼電保護的概念和理念，與傳統(tǒng)保護比較具有不可替代的技術(shù)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢,并給電力企業(yè)和電力用戶帶來安全效益和經(jīng)濟效益。

[1]王愛民.弧光保護在中壓開關(guān)柜及中低壓母線上的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù),2006,24(增刊):110-111.

[2]田廣青.電弧光保護及其在中低壓開關(guān)柜和母線保護中的應(yīng)用[J].電工技術(shù),2004(1):27-30.

[3]張喜玲,楊彗霞,蔣冠前.弧光保護關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2013,41(14):130-135.

[4]田廣青.中低壓開關(guān)柜內(nèi)部電弧光保護系統(tǒng)[J].電工技術(shù),2014(10): 62-64.

[5]趙龍,田有文.基于弧光保護的二次變電所母線保護研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2012,(11):38-40.

馬步青（1967—），男，浙江麗水人，大學(xué)本科，工程師。