淺談中低壓母線(xiàn)裝設(shè)弧光保護(hù)的必要性

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

【摘要】：中低壓開(kāi)關(guān)柜作為電能生產(chǎn)與分配的基礎(chǔ)設(shè)施之一，使用量逐年增加，并且使用場(chǎng)合的復(fù)雜性也在增加。成套開(kāi)關(guān)設(shè)備中母線(xiàn)故障產(chǎn)生的弧光將燒壞其元器件,從而導(dǎo)致事故擴(kuò)大,往往造成較大的經(jīng)濟(jì)損失,而母線(xiàn)弧光保護(hù)正好解決了這個(gè)難題，能夠很好的保護(hù)開(kāi)關(guān)設(shè)備并降低損失。

【關(guān)鍵詞】：中低壓開(kāi)關(guān)柜；母線(xiàn)故障；弧光保護(hù)

弧光放電不僅會(huì)造成停電事故，還會(huì)造成設(shè)備性損壞和人身傷害，帶來(lái)不可估量的損失。弧光放電事故是中低壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)嚴(yán)重的事故之一，本文就幾個(gè)方面來(lái)探討中低壓母線(xiàn)裝設(shè)弧光保護(hù)的必要性。

我國(guó)電力發(fā)展建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入大電網(wǎng)、大機(jī)組、壓輸電階段，并且對(duì)發(fā)電機(jī)組的容量要求越來(lái)越高，這對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行提出了更高的要求，因?yàn)閱闻_(tái)大機(jī)組的運(yùn)行情況，會(huì)直接影響到整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、性以及經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，發(fā)電廠(chǎng)的用電系統(tǒng)與運(yùn)行，對(duì)發(fā)電機(jī)組的影響也越來(lái)越大。由此可以看出，如果中低壓母線(xiàn)出現(xiàn)故障，它會(huì)產(chǎn)生弧光，所產(chǎn)生的弧光對(duì)電力設(shè)備及人本身的影響大，會(huì)造成不同程度的損傷，有時(shí)還會(huì)引發(fā)“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)"。

現(xiàn)行的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，是采用借助于上元件的后備過(guò)流的方法來(lái)保護(hù)，從而切除中低壓系統(tǒng)母線(xiàn)短路的問(wèn)題，這樣的做法存在弊端。電路故障應(yīng)該在盡可能短的時(shí)間得到維修，而這類(lèi)保護(hù)方法會(huì)導(dǎo)致維修時(shí)間增長(zhǎng)，對(duì)設(shè)備也有一定的損傷。這些問(wèn)題如果沒(méi)有及時(shí)解決，還會(huì)引起不同程度的事故，輕則會(huì)發(fā)展為輸電網(wǎng)故障，重則會(huì)使電力系統(tǒng)出現(xiàn)整體性故障。

中低壓電力系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)生的弧光故障事故，多是受到環(huán)境條件的影響，絕緣材料受潮、設(shè)備表面產(chǎn)生凝露和附著污穢，從而使設(shè)備絕緣水平下降引發(fā)事故。

（1）弧光產(chǎn)生的技術(shù)原因

設(shè)備故障和帶電設(shè)備的誤操作，檢修工具遺漏在開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)，錯(cuò)誤的接線(xiàn)和母線(xiàn)連接，絕緣老化和機(jī)械磨損、過(guò)電壓，小動(dòng)物、灰塵、溫度、濕度、腐蝕等環(huán)境因素，容性接地電流擴(kuò)大等。

（2）弧光產(chǎn)生的人為原因

誤入帶電間隔，隔離開(kāi)關(guān)誤操作，忘記在工作區(qū)接地，忘記測(cè)量工作區(qū)內(nèi)的高壓等。

除此之外，電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)總是在不停地改變，用電負(fù)載在增多，從而導(dǎo)致電纜增多，電量超負(fù)荷，也容易導(dǎo)致故障發(fā)生。

弧光產(chǎn)生的溫度可達(dá)4500℃，內(nèi)部溫度甚至有10000～20000℃?；」猱a(chǎn)生時(shí)大瞬時(shí)功率可達(dá)到40MW，弧光光強(qiáng)可超過(guò)正常照明光強(qiáng)2000多倍。因此中低壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)因故障而產(chǎn)生電弧時(shí)若不能及時(shí)采取有效措施，則會(huì)產(chǎn)生諸多危害。

（1）對(duì)設(shè)備的危害：電弧發(fā)生時(shí)產(chǎn)生大量高溫高壓氣體，氣體瞬時(shí)沖擊波可造成開(kāi)關(guān)柜體變形、破碎；沖擊波爆破震動(dòng)可造成開(kāi)關(guān)柜劇烈震動(dòng)，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(kāi)關(guān)柜外殼金屬融化、元器件嚴(yán)重?fù)p壞并引起火災(zāi)。

（2）對(duì)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(qiáng)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(guān)，還與燃弧時(shí)間有關(guān)。根據(jù)故障點(diǎn)的不同，通常情況下故障短路電流會(huì)在幾千安至幾萬(wàn)安，故障若不能及時(shí)切除以熄滅電弧，則會(huì)產(chǎn)生巨大能量。總之，開(kāi)關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部電弧故障，不論是對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備還是對(duì)附近的工作人員，其危險(xiǎn)性不可謂不嚴(yán)重。

圖1 電弧能量-時(shí)間曲線(xiàn)

傳統(tǒng)母線(xiàn)保護(hù)方案有如下幾種。

（1）進(jìn)線(xiàn)過(guò)流保護(hù)方案

利用微機(jī)過(guò)流保護(hù)實(shí)現(xiàn)中低壓開(kāi)關(guān)柜及其母線(xiàn)保護(hù)方案。過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間需與各饋線(xiàn)過(guò)流保護(hù)時(shí)間配合，至少在300 ms 以上，動(dòng)作時(shí)間不能滿(mǎn)足快速切除弧光短路故障的要求。

（2）變壓器后備過(guò)流保護(hù)方案:

該方案是目前應(yīng)用廣泛的中低壓母線(xiàn)保護(hù)方案，保護(hù)跳閘時(shí)間一般整定為1. 2 ～ 2. 0 s，更加不能滿(mǎn)足快速切除中低壓母線(xiàn)和線(xiàn)路故障的要求。

（3）環(huán)流原理的高阻抗母線(xiàn)保護(hù)方案:

該方案是專(zhuān)用的母線(xiàn)保護(hù)方案，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間一般為35 ～ 60 ms。但是這種方案接線(xiàn)復(fù)雜、對(duì)CT 要求高，安裝在中低壓開(kāi)關(guān)柜有很多困難，也不經(jīng)濟(jì)。此外，由于其保護(hù)范圍受到CT 安裝位置的限制，不能保護(hù)發(fā)生故障幾率較高的電纜接頭處的故障，并且也不能提供故障定位，因此其實(shí)用性差。

弧光保護(hù)專(zhuān)門(mén)用于來(lái)保護(hù)中低壓開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)，它的動(dòng)作時(shí)間快，相比于傳統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)，更具優(yōu)性，它采用弧光和電流閉鎖的方法來(lái)進(jìn)行雙重判斷，增加了可靠性和性。它在發(fā)生故障時(shí)，能準(zhǔn)確地定位，可減少維修人員查找故障點(diǎn)的時(shí)間，大大減短了維修時(shí)間，從而保障事故檢修之后快速恢復(fù)供電。

安科瑞ARB5系列弧光保護(hù)裝置具有原理簡(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)于各種運(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)，為目前發(fā)電廠(chǎng)、變電站、工業(yè)及商業(yè)配電系統(tǒng)0.4kV - 35kV中低壓母線(xiàn)保護(hù)理想的解決方案。它通過(guò)弧光+電流雙重判據(jù)或弧光單判據(jù)啟動(dòng)保護(hù)，其弧光單判據(jù)動(dòng)作時(shí)間≤7ms；弧光+電流雙判據(jù)動(dòng)作時(shí)間≤20ms，為快速切除中低壓弧光故障提供了技術(shù)支持。

圖2 ARB5弧光保護(hù)邏輯原理圖

ARB5弧光保護(hù)還具有失靈保護(hù)、CT監(jiān)測(cè)、弧光故障點(diǎn)定位、弧光光纖鏈路自檢及裝置異常自檢、支持包括IEC61850在內(nèi)的主要行業(yè)內(nèi)通訊協(xié)議等功能。

圖3 ARB5弧光保護(hù)典型配置圖

安科瑞ARB5系列弧光保護(hù)裝置廣泛應(yīng)用于中低壓開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)保護(hù)。

（1）某機(jī)場(chǎng)10kV開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)弧光保護(hù)

圖4 某機(jī)場(chǎng)10kV開(kāi)關(guān)柜ARB5弧光保護(hù)安裝圖

（2）某工廠(chǎng)0.4kV開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)弧光保護(hù)

圖5 某工廠(chǎng)0.4kV開(kāi)關(guān)柜ARB5弧光保護(hù)安裝圖

中低壓系統(tǒng)母線(xiàn)的保護(hù)，不僅需要、熟練地掌握技術(shù)，還需要一些保護(hù)系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)配合完成，而弧光保護(hù)作為一個(gè)理想的解決方法，可以有效地解除故障，減少設(shè)備維護(hù)的次數(shù)，提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，提高電力系統(tǒng)的性和可靠性。

[1].王新恒.中低壓系統(tǒng)母線(xiàn)裝設(shè)弧光保護(hù)的必要性分析

[2].李鷹洲.電弧光保護(hù)系統(tǒng)在中低壓開(kāi)關(guān)柜中的應(yīng)用

[3].王良毅，盧睿，曾治安.弧光保護(hù)在10kV開(kāi)關(guān)柜中的應(yīng)用

[4].安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版