厲海斌

（浙能阿克蘇熱電有限公司，新疆 阿克蘇 843000）

運(yùn)行中的電氣設(shè)備，如產(chǎn)生故障電弧是非常危險的。在實際工作中，很大一部分電氣設(shè)備運(yùn)行時故障電弧的產(chǎn)生是由于操作人員的誤操作引起的，還有一部分是由設(shè)備本身出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷或外來物體侵入導(dǎo)致的?；」獗Ｗo(hù)主要保護(hù)范圍是開關(guān)倉或母線柜內(nèi)部的電弧短路故障，當(dāng)故障電弧產(chǎn)生時，短時間內(nèi)電弧的能量大，且傳播速度快，尤其是高壓電弧能摧毀其擴(kuò)展途中的任何阻障物質(zhì)，只要沒有徹底切斷提供能量的電源，電弧就會持續(xù)存在。電弧故障可能致使設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p毀、操作人員受到傷害等后果，嚴(yán)重時甚至?xí)＜叭藛T生命[1-2]。為了能最大限度地減少故障電弧的危害，迫切需要一種能快速高效切除故障電弧的保護(hù)裝置[3]，電弧光保護(hù)裝置因此應(yīng)運(yùn)而生。其能在故障電弧發(fā)生時通過快速判別，迅速切除故障點電弧。目前最快的電弧光保護(hù)裝置能在4 ms 以內(nèi)切除故障電流熄滅電弧，明顯減少了故障電弧的持續(xù)時間，可有效降低設(shè)備損壞及人員受傷害程度[4]。

1 弧光產(chǎn)生的原因及其危害

1.1 故障電弧產(chǎn)生的原因

有很多原因可能引起開關(guān)柜弧光短路故障，主要可以概括為人為誤操作、外部物體影響、載流回路故障、絕緣故障及系統(tǒng)原因等5 個方面。

（1）人為誤操作。主要指由于操作人員操作失誤，如走錯間隔、帶地線或接地閘刀合閘、未對工作設(shè)備進(jìn)行驗電而造成帶電合接地閘刀或掛接地線等。

（2）外部物體影響。主要指外部的其他物體進(jìn)入開關(guān)柜，影響其正常運(yùn)行。如操作人員將維修工具遺落在開關(guān)柜內(nèi)，開關(guān)試驗后試驗接線沒有拆除，或者有老鼠等動物進(jìn)入開關(guān)柜內(nèi)部等。

（3）載流回路故障。主要指發(fā)生在載流回路中大電流流過時引起的發(fā)熱、冒火，從而引起相間或相對地?fù)舸┑?。這主要是由一些接頭的通流截面不夠、手車式開關(guān)觸頭接觸不良或者緊固螺栓發(fā)生松動導(dǎo)致的。

（4）絕緣故障。在強(qiáng)磁場作用下開關(guān)柜中絕緣材料自身缺陷，且運(yùn)行使用年限較長，柜中絕緣可能會發(fā)生老化甚至損毀，從而導(dǎo)致故障。此外，開關(guān)柜中絕緣材料劣化，絕緣距離不夠，未能滿足加強(qiáng)絕緣要求，或處在臟污或濕度較高的環(huán)境下使用等情況，均有可能導(dǎo)致絕緣故障的發(fā)生。

（5）系統(tǒng)原因。系統(tǒng)問題產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，電氣系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行方式或設(shè)備容量的變化，如系統(tǒng)接地方式變化產(chǎn)生的影響，隨著設(shè)備增加系統(tǒng)應(yīng)用電纜亦隨之增多后的影響，保護(hù)配置不當(dāng)如保護(hù)選型、參數(shù)設(shè)置、級差配合不合理等影響，系統(tǒng)操作過電壓，設(shè)備選型或系統(tǒng)配置不合理產(chǎn)生的諧振過電壓影響等，都會有導(dǎo)致開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生弧光短路故障的可能。

1.2 故障電弧的特性與危害

中性點不接地的電氣系統(tǒng)發(fā)生弧光放電方式接地時往往伴隨產(chǎn)生弧光過電壓，弧光接地經(jīng)常發(fā)生在電氣系統(tǒng)或電氣設(shè)備的絕緣相對薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)其中某一相對地產(chǎn)生弧光放電時，導(dǎo)致其他兩相的對地電容不斷通過電源電感對其進(jìn)行充放電，因此產(chǎn)生過電壓。事實上，當(dāng)其中某一相導(dǎo)體發(fā)生弧光放電時，故障點通過的電流僅僅是其他兩相導(dǎo)體的對地電容電流，通過實際測量和試驗，維持弧光放電所需電流最大不超過幾十A，所以很大可能不會導(dǎo)致保護(hù)裝置動作切斷電源。弧光放電使得電氣系統(tǒng)中的參數(shù)如容抗、感抗和阻抗因此發(fā)生明顯變化，很可能造成電氣系統(tǒng)某個局部或整個電氣系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓，因而引發(fā)事故。實際上受到整個電氣回路參數(shù)的制約，部分弧光放電事故并不一定就能造成較大的危害。因為，由于自然滅弧條件不足，電弧不一定會在通過高頻電流零點時熄滅，發(fā)弧未必都會在高頻波的幅值發(fā)生，此外，線路各相導(dǎo)線間還存在相互電容，系統(tǒng)中也還會有損耗使振蕩衰減及電弧中會有壓降等，在這些因素的作用下，過電壓在多數(shù)情況下小于3Uxg，這是供電設(shè)施一般都能夠承受的。甚至可能，這種故障都不會被察覺，比如，如果是充油電纜發(fā)生故障，其在第1 次放弧后即可恢復(fù)絕緣，止住放弧。

1.3 故障電弧的危害及防護(hù)措施

間歇性電弧的主要危害，其一方面會導(dǎo)致金屬性接地，開關(guān)跳閘；另一方面，會誘發(fā)諧振，進(jìn)而釀成更大的事故。電弧燃燒是中壓母線故障的直接表現(xiàn)形式，造成設(shè)備的破壞表現(xiàn)有：故障電弧發(fā)生時肯定會有大量高溫高壓的氣體伴隨產(chǎn)生，高溫高壓的氣體壓力波在有限空間的開關(guān)柜內(nèi)傳播時就會產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，可造成開關(guān)柜的柜體發(fā)生強(qiáng)烈震動、固定元件松動脫落，嚴(yán)重時還會造成開關(guān)柜變形、甚至炸裂破碎；高溫環(huán)境下，短時間內(nèi)就能造成電纜和所有絕緣材料的燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫能使導(dǎo)電銅排或鋁排燒熔、氣化，電纜和絕緣材料燃燒肯定會產(chǎn)生大量有毒有害的濃黑煙氣，燃燒后含有大量碳黑甚至氣化金屬的煙氣將以極快的速度在開關(guān)柜內(nèi)迅速擴(kuò)散，甚至擴(kuò)散到整段母線，在相關(guān)一、二次設(shè)備表面造成嚴(yán)重污染，使得設(shè)備絕緣大幅度降低，嚴(yán)重時可能造成短路，絕緣值為0。對人員的傷害上來說，電弧光產(chǎn)生的強(qiáng)光會灼傷人的眼睛，其伴隨的高溫會對人的皮膚產(chǎn)生灼傷，感應(yīng)電流會對人的肌肉和神經(jīng)產(chǎn)生損害，同時，高溫高壓氣體產(chǎn)生的壓力波造成的爆破壓力可能會致使人員墜落或被碎片擊傷，爆破時產(chǎn)生的強(qiáng)大聲響會使人體耳膜甚至內(nèi)臟因為巨大震動產(chǎn)生損害，而燃燒中產(chǎn)生的有毒氣體還會對人體呼吸系統(tǒng)造成傷害。

設(shè)備生產(chǎn)廠家為了降低開關(guān)柜弧光短路故障時產(chǎn)生的危害程度，一般選擇采取加強(qiáng)開關(guān)柜整體結(jié)構(gòu)，或通過設(shè)置專門的釋放孔板和泄壓通道等措施進(jìn)行防護(hù)。這些措施的采用一定程度上能夠起到減少電弧短路故障時造成的損害程度，但增加了設(shè)備生產(chǎn)廠家的制造成本，使得電力企業(yè)采購和使用成本也隨之增加。

除了上述這些防護(hù)性措施，如果要從根本上解決開關(guān)柜弧光短路故障，從而減少其對工作人員和設(shè)備裝置產(chǎn)生的不良影響和危害，可以考慮從以下2 方面入手，采取更為積極的防護(hù)措施。一是在故障電弧產(chǎn)生時應(yīng)設(shè)法降低開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備的損壞程度，有效減少連鎖效應(yīng)，防止其他設(shè)備受到大的牽累損壞；二是在開關(guān)柜內(nèi)故障電弧產(chǎn)生時能有專用的保護(hù)快速有效切除故障，可使開關(guān)設(shè)備最大程度上降低損壞，減少損失。這種積極性防護(hù)措施不但極大地減少開關(guān)設(shè)備損壞而產(chǎn)生的維修費用，并且可以保護(hù)附近工作人員免受電弧故障效應(yīng)的傷害，此外還能降低設(shè)備維修難度和減少維修時間，可盡快恢復(fù)正常生產(chǎn)，最大限度地減少設(shè)備停電時間，降低影響。另外對一些投運(yùn)時間較長，可能急需更新改造的開關(guān)柜，在其開關(guān)柜內(nèi)采用電弧光保護(hù)配置后，可以進(jìn)一步延長其有效使用壽命，降低改造成本，節(jié)約費用。

2 浙能阿克蘇熱電6 kV 母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)簡介

浙能阿克蘇熱電有限公司是浙江省迄今為止最大的產(chǎn)業(yè)援疆項目，位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇市紡織工業(yè)城東北部，項目總投資34 億元，于2017 年5 月24 日全面建成2 臺35 萬kW 超臨界熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組并投入商業(yè)運(yùn)行。每臺機(jī)組分別配有2 段6 kV 母線，2臺機(jī)組共配有2 段公用6 kV 輸煤段母線。

阿電公司6 kV 母線電弧光保護(hù)采用的是杭州瑞勝生產(chǎn)的RIZNER APSII 型電弧光保護(hù)裝置，為確保保護(hù)裝置動作的正確可靠，電弧光保護(hù)動作由電弧光強(qiáng)度判據(jù)和電流判據(jù)2 個條件組成，當(dāng)這2 個條件同時均滿足時才會觸發(fā)保護(hù)動作，快速切除對應(yīng)電源開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)。6 kV 1A/1B 段、2A/2B 段母線分別配置1 套電弧光保護(hù)，出口跳對應(yīng)段的電源開關(guān)且閉鎖對應(yīng)段的快切功能；6 kV 輸煤A/B 段母線共用1 套電弧光保護(hù)，內(nèi)部邏輯及跳閘出口是分開的，出口分別跳對應(yīng)段的電源開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)。電弧光保護(hù)主控單元安裝在電源開關(guān)柜面板上，每個開關(guān)柜及電纜倉內(nèi)均安裝有弧光傳感器單元。

RIZNER-APSII 電弧光保護(hù)系統(tǒng)由主控單元、電源模塊、弧光傳感器及光纖等組成。其中主控單元是電弧光保護(hù)系統(tǒng)的核心部件。保護(hù)裝置電流元件和弧光傳感器檢測到的故障電流和弧光信號通過保護(hù)裝置的主控單元進(jìn)行判斷、分析和處理，在滿足保護(hù)邏輯判斷時，觸發(fā)跳閘指令快速啟動保護(hù)裝置動作出口，迅速切除故障。

3 電弧光保護(hù)裝置定值設(shè)定要求和定值設(shè)定原則

3.1 電弧光保護(hù)裝置定值設(shè)定要求

電弧光保護(hù)裝置是近些年來專門針對中壓開關(guān)弧光短路故障而研發(fā)的，我國關(guān)于電弧光保護(hù)裝置主要有以下3 個推薦標(biāo)準(zhǔn)，均是2016 年頒布的，分別為：DL/T1504—2016《弧光保護(hù)裝置通用技術(shù)條件》，NB/T42076—2016《弧光保護(hù)裝置選用導(dǎo)則》，GB/T14598.302—2016《弧光保護(hù)裝置技術(shù)要求》。在《弧光保護(hù)裝置選用導(dǎo)則》及《弧光保護(hù)裝置技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)中均沒有對電流判據(jù)作出具體要求。只有在《弧光保護(hù)裝置通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)的附錄D（整定原則建議及運(yùn)行維護(hù)說明）中，對弧光保護(hù)整定原則作了推薦性要求，具體描述如下：弧光保護(hù)要求必須接入電源開關(guān)電流或母聯(lián)開關(guān)電流作為判斷依據(jù)，弧光保護(hù)動作電流整定值應(yīng)按躲過系統(tǒng)運(yùn)行中最大負(fù)荷電流In來進(jìn)行計算，建議設(shè)置值在1.1 In～1.3 In之間進(jìn)行選擇。

3.2 定值設(shè)定原則

弧光強(qiáng)度和電流這2 個判據(jù)一般作為電弧光保護(hù)動作的必要條件，當(dāng)這2 個條件同時滿足時保護(hù)裝置才能發(fā)出切斷對應(yīng)開關(guān)的操作指令，保護(hù)裝置僅檢測到其中任意一個條件時只能發(fā)報警信號。其中弧光傳感器在每面開關(guān)柜內(nèi)均有安裝，弧光傳感器監(jiān)測角度要求大于300°，監(jiān)測死角盡量要小，光照度整定值可在0.63～22.8 KLux 范圍之間調(diào)整，要求能可靠躲過柜外強(qiáng)光手電的照度。電流保護(hù)電流動作值，一般有以下2種：一是按當(dāng)時電氣回路的系統(tǒng)最大負(fù)荷電流來進(jìn)行整定計算，保護(hù)動作整定值要躲過最大負(fù)荷電流；二是按當(dāng)時電氣回路的系統(tǒng)最小短路電流來進(jìn)行整定計算，保護(hù)動作整定值應(yīng)小于兩相短路電流或小于單相接地短路電流。

4 阿電公司電弧光保護(hù)定值整定

4.1 6 kV 母線參數(shù)

4.1.1 機(jī)組6 kV 母線

表1 展示了機(jī)組6 kV 母線的具體參數(shù)。

表1 機(jī)組6 kV 母線的具體參數(shù)

表2 展示了機(jī)組6 kV 母線的短路電流計算。

表2 機(jī)組6 kV 母線的短路電流計算 kA

4.1.2 輸煤6 kV 母線

表3 展示了輸煤6 kV 母線的具體參數(shù)。

表3 輸煤6 kV 母線的具體參數(shù)

表4 展示了輸煤6 kV 母線的短路電流計算。

表4 輸煤6 kV 母線的短路電流計算 kA

4.2 弧光保護(hù)原理及整定原則

4.2.1 弧光保護(hù)原理

弧光保護(hù)裝置作為高壓母線的快速保護(hù)，采用弧光強(qiáng)度和電流判據(jù)，2 個判據(jù)同時滿足時發(fā)出跳閘指令，任何一個滿足時僅發(fā)出報警信號。

4.2.2 整定原則

依據(jù)DL/T 1502-2016《廠用電繼電保護(hù)整定計算導(dǎo)則》中第8.4 條說明，當(dāng)火電廠的廠用中壓母線采用弧光保護(hù)作為母線故障的主保護(hù)配置時，其整定計算如下。

（1）弧光保護(hù)裝置電流定值的設(shè)置要求按躲過母線正常運(yùn)行時電源進(jìn)線的最大負(fù)荷電流來進(jìn)行整定計算

式中：Krel為可靠系數(shù)，取1.1～1.3，本計算取1.2；If為母線正常運(yùn)行電源進(jìn)線的最大負(fù)荷電流二次值。

（2）弧光保護(hù)裝置動作時間的定值整定。弧光保護(hù)裝置的動作時間無需與其他保護(hù)的動作時間進(jìn)行配合，建議在0～20 ms 之間進(jìn)行選取。

（3）弧光保護(hù)裝置出口動作方式。保護(hù)動作后跳所接母線電源開關(guān)或母聯(lián)開關(guān)、有電源快切功能的閉鎖其快切功能。

4.3 弧光保護(hù)電流整定

4.3.1 機(jī)組6 kV 母線

（1）按躲過母線正常運(yùn)行時電源進(jìn)線的最大負(fù)荷電流整定。

最大負(fù)荷電流按與機(jī)組6 kV 母線上最大功率電動機(jī)啟動電流配合計算

式中：IE為高廠變低壓側(cè)分支一次額定電流；Kst為電動機(jī)起動電流倍數(shù)，取6～8，本計算取7；IM.N.max為直接啟動最大容量電動機(jī)的額定電流，引風(fēng)機(jī)396 A；na為機(jī)組6 kV 母線電源進(jìn)線CT 變比4 000/1。

故Iop=1.2If=1.2×1.28=1.53 A，取1.5 A，對應(yīng)一次值為6 000 A。

（2）弧光保護(hù)中的設(shè)定值是以開關(guān)CT 二次額定值的倍數(shù)來設(shè)定的，主機(jī)6 kV 段進(jìn)線電源開關(guān)CT 變比為4 000/1，CT 二次變比為1 A，故弧光保護(hù)中電流整定倍數(shù)為1.5。

（3）動作時間：采用弧光保護(hù)快速出口接點，無延時。

（4）動作出口：

6 kV 1A 段母線弧光保護(hù)動作跳6 kV 1A 段工作電源開關(guān)（6 kV 1A 段備用電源開關(guān)），并閉鎖6 kV 1A 段廠用電快切裝置；

6 kV 1B 段母線弧光保護(hù)動作跳6 kV 1B 段工作電源開關(guān)（6 kV 1B 段備用電源開關(guān)），并閉鎖6 kV 1B段廠用電快切裝置；

6 kV 2A 段母線弧光保護(hù)動作跳6 kV 2A 段工作電源開關(guān)（6 kV 2A 段備用電源開關(guān)），并閉鎖6 kV 2A 段廠用電快切裝置；

6 kV 2B 段母線弧光保護(hù)動作跳6 kV 2B 段工作電源開關(guān)（6 kV 2B 段備用電源開關(guān)），并閉鎖6 kV 2B段廠用電快切裝置。

4.3.2 輸煤6 kV 母線

（1）按躲過母線正常運(yùn)行時電源進(jìn)線的最大負(fù)荷電流整定。

最大負(fù)荷電流按與輸煤6 kV 母線上最大功率電動機(jī)啟動電流配合計算

式中：IE為輸煤6 kV 電源進(jìn)線一次額定電流；Kst為電動機(jī)起動電流倍數(shù)，取6～8，本計算取7；IM.N.max為直接啟動最大容量電動機(jī)的額定電流，考慮2 號皮帶機(jī)與碎煤機(jī)同時啟動，總額定電流為57.6+34.5=92.1 A；na為輸煤6 kV 電源進(jìn)線CT 變比800/1。

故Iop=1.2If=1.2×1.44=1.73 A，取1.7 A，對應(yīng)一次值為1 360 A。

（2）弧光保護(hù)中的設(shè)定值是以開關(guān)CT 二次額定值的倍數(shù)來設(shè)定的，輸煤6 kV 段進(jìn)線電源開關(guān)CT 變比為800/1，CT 二次變比為1 A，故弧光保護(hù)中電流整定倍數(shù)為1.7。

（3）動作時間：采用弧光保護(hù)快速出口接點，無延時。

（4）動作出口：

6 kV 輸煤A 段母線弧光保護(hù)動作跳6 kV 輸煤A段電源開關(guān)及6 kV 輸煤A 段、B 段聯(lián)絡(luò)開關(guān)；

6 kV 輸煤B 段母線弧光保護(hù)動作跳6 kV 輸煤B段電源開關(guān)及6 kV 輸煤A 段、B 段聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

5 結(jié)束語

火電廠一般配有較多的中壓開關(guān)設(shè)備，近些年來，中壓開關(guān)及中壓母線一般均要求配置弧光保護(hù)裝置作為其故障的主保護(hù)，保護(hù)動作對象就是短時內(nèi)有較大能量產(chǎn)生、爆發(fā)速度極快及破壞力驚人的電弧短路故障，只要故障點電源沒有切斷，弧光破壞就會持續(xù)存在。其釋放的破壞能量與電弧持續(xù)時間成正比，因此要想最大程度降低損失，時間是最主要的因素。因此對弧光保護(hù)裝置而言，其保護(hù)動作出口至故障點電源切除的動作時間越短越好，不應(yīng)采用延時方式。電流是弧光保護(hù)2 個條件的組成之一，是弧光保護(hù)裝置最主要的判據(jù)，對其可靠性要求非常高。按電氣回路中系統(tǒng)最小短路電流來對弧光保護(hù)的電流設(shè)定進(jìn)行整定計算時，經(jīng)常因為電氣系統(tǒng)各回路阻抗計算較為復(fù)雜，要非常精準(zhǔn)計算最小短路電流值來進(jìn)行整定相對比較困難。但是如果按電氣回路中系統(tǒng)最大負(fù)荷來進(jìn)行整定計算電流，只需按整定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的系數(shù)上限值來進(jìn)行整定計算就能滿足規(guī)范要求，相對還是一種比較簡單、可靠且穩(wěn)妥的方法。