簡析電弧光保護在內蒙古某風力發電廠變電站中的應用
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：電弧光保護在變電站運行過程中具有十分重要的意義，文章對電力系統中的中、低壓設備的運行問題進行分析，并且提出了電弧光保護方式，迅速切除變電站運行過程中的故障點，保障變電站的安全穩定運行。
關鍵詞：電弧光保護；變電站；安全穩定運行；燃弧耐受時間
0引言
在變電站運行過程中，安全性和穩定性是重要因素，近年來在變電站的建設中，由于戶內開關柜占地面積小，操作集中，方便運行和維護等特點，在變電站中大量配置中低壓開關柜運行過程中由于各種原因造成開關設備被嚴重燒毀的事故越來越多，對變電站事故的處理不當，會直接影響變電站運行的安全性與穩定性，導致電網事故不斷擴大，不僅會帶來嚴重的經濟損失，還可能造成人員傷亡事故。在變電站設計過程中，為了保證變壓器、母線、開關設備的安全運行，都遵照相關規范配置保護裝置，但目前國內35kV及以下的母線一般不配置快速母線保護，而是由變壓器的后備過流保護來切除母線故障，由后備保護動作切除故障的時間至少為0.5s，這樣就加大了對設備的損傷程度。因此，在變電站中低壓開關柜中配置電弧光保護，一旦出現故障，可以及時將故障切除，防止故障進一步擴大。
1中低壓開關柜設備運行過程中的問題和運行要求
1.1開關柜設備運行過程中的問題
在變電站設計過程中，110kV及以上的母線會設置母，電壓等級在35kV及以下的母線系統中一般不配置快速母線保護，而是依賴上變壓器的后備過流保護來切除母線短路故障，這樣導致了故障切除時間的延長，加大了設備的損傷程度。
在設備的使用過程中母線上的操作比較頻繁，設備絕緣老化、機械磨損是必然現象，運行條件發生改變以及人為操作錯誤，會導致母線故障率升高，對變電站的運行存在安全隱患。
1.2開關柜安全運行要求
(1)開關柜內部燃弧耐受時間。根據IEC298標準，開關柜內部燃弧耐受時間為100ms，當前市面上銷售的開關柜是按照該標準要求設計的，開關柜使用過程中可以承受的電弧燃燒時間為100ms。由于電弧光故障一般都發生在斷路器動作前，故障短路電弧一直處于燃燒狀態，保護動作時間與斷路器分閘時間之和為電弧燃燒的持續時間。因此，從開關柜保護的角度來講，保護動作應該要在100ms內迅速做出響應，對電弧短路故障進行切除，防止故障進一步擴大而造成大的危害。
(2)開關柜弧光故障防護。除了加強開關柜的結構外，還應對母線配置快速保護，在開關柜耐受燃弧時間以內切除故障，從根本上限制故障電弧，對開關設備的損壞和人員安全的危害。
2電弧光母線保護系統
電弧光保護是一種快速、可靠的母線保護系統，根據檢測弧光和過流雙判據原理，能夠迅速對變電站中出現的故障進行響應，對于各種運行方式都適用，為變電站中低壓的母線保護提供了解決方案。電弧光保護系統主要包括以下幾個方面的內容：
2.1主單元
主單元是電弧保護系統中的主要部分，主要對短路電流以及來自電弧光傳感器的動作信息進行檢測，并且對收集到的故障信息進行處理、判斷，從而發出故障處理信號，對故障進行切除。電弧光保護系統要在同時檢測到弧光和過流時才會發出相應地切斷閘指令，如果進線斷路器沒有及時動作對故障進行切除，則系統會啟動斷路器失靈保護邏輯，發出跳閘指令跳上級的斷路器進行故障切除。此外，電弧保護系統的主單元還會根據輔助單元傳遞的弧光傳感器的動作信息，對弧光故障點的位置進行確定，發出溫度報警信息。
2.2輔助單元
電弧保護系統的輔助單元一般都安裝在開關柜中，每一個輔助單元可以與10個弧光傳感器、1個溫度傳感器、1個便攜式弧光傳感器相連。當系統發生弧光故障的時候輔助單元可以對弧光傳感器中傳遞來的動作信息進行收集，并且將其傳遞給主單元，主單元再對故障進行分析和響應。在主單元中可以顯示輔助單元和弧光傳感器的地址編號，有助于及時對故障進行解除。
2.3弧光傳感器
弧光傳感器是對故障進行感應的主要部件，安裝在開關柜的各間隔室中，弧光傳感器是光感應元件，如果出現弧光故障時，光強度大幅度增加，傳感器檢測光強，將光信號轉換成電流信號，并且傳輸給輔助單元。
2.4電流單元
電流單元主要檢測系統中電流的變量，并且可以將其送到主控單元上，對這些數據進行分析和處理，然后將處理結果作為判斷系統電流情況的依據。
2.5電弧光保護系統
該系統采用弧光檢測和過電流檢測的方式，實現對整個變電站運行設備的雙重檢測與判斷，如果同時檢測到弧光與電流增量信號，說明設備和系統出現了故障，則需要快速啟動繼電器，發出跳閘的指令，當系統中只檢測到其中一個信號的時候，則只需要發出報警信號，通知技術人員系統出現故障即可。
安裝了電弧光保護裝置的設備和系統具有斷路器失靈保護功能，即當進線斷路器發生拒動的時候，會發出越級跳閘的信號，從而對上短路信號進行切斷，確保系統運行穩定。
3電弧光保護在變電站中的應用
本文以某變電站為例，對電弧光保護在變電站中的應用進行分析與探討。
某變電站安裝應用了ARB5型弧光保護系統，幾年來系統的運行十分穩定可靠，在保護母線方面發揮了重要作用。本工程的接線方式為2條電源進線，單母分段，一共有14面開關柜和2個母線橋。弧光保護配置的方式主要是：一臺ARB5主控單元，16個光探頭、300米光纖。將主控單元安裝在10kV進線柜的面板上，光探頭安裝在14面柜以及兩個母線槽中。在對本工程進行安裝的時候，是在處于運行過程中的變電站上加裝弧光設備，所以由于停電的時間較短，為了保證能夠完成安裝調試工作，要提前做好準備。安裝的步驟主要為以下幾個方面：（1）根據變電站加裝弧光系統的實際情況，由弧光系統設備廠家的設計人員對電氣安裝圖紙進行設計，將圖紙提供給變電站相關技術人員審核，結合變電站的實際情況進行改進，直到圖紙符合要求。（2）對安裝所需要的輔材以及輔件進行準備，變電站要根據設計人員提供的圖紙，提前在開關柜上開好裝置以及壓板安裝孔，為安裝做好準備。（3）當變電站確定停電時間之后，要提前通知廠家，由廠家安排技術人員到現場進行配合安裝。變電站停電時要考慮綜合因素，確定具體時間。（4）在停電的前一天需要將主控制裝置安裝完畢，停電之后，變電站技術人員要安排弧光設備常見的技術人員，打開開關柜的柜門，在安裝完畢之后及時關閉柜門。（5）電源的進線、母線以及總控單元之間的CT線可以由變電站技術人員輔助敷設完成，弧光保護出口所跳開關也應該由變電站敷設。（6）具體的安裝和調試過程應該由廠家技術人員完成。（7）所有的裝置調試完畢之后，由廠家的技術人員對變電站的技術人員進行培訓。培訓之后要進行測試，測試驗收合格之后即完成整個項目。
在本項目中，電弧光保護系統要針對實際系統的實際情況，在技術方面，電弧光保護裝置應該能夠提供“故障報警信號”、“故障動作信號”到計算機監控系統，有助于計算機監控系統及時發現變電站設備運行過程中的故障與問題，提高解決效率，減少對電力傳輸的影響。同時，電弧光保護的出口跳閘繼電器應該要滿足啟動功率不小于5W、動作電壓介于55-70之間、動作時間不小于10ms的要求。
對弧光保護系統進行安裝的時候，應該要遵循一定的技術規范：（1）KGN柜的安裝。在安裝KGN柜的時候應該要按照保護母線隔室、母線側隔離刀閘室的原則，在柜子上側中部進行安裝，不僅可以確保有足夠的絕緣距離，還能有足夠的角度檢測到柜內的弧光是否滿足要求。對于本項目中35kV的開關柜來講，應該在母線隔室、母線側隔離刀閘室中各自安裝一個弧光傳感器，如果是10kV，如果母線與母線側隔離刀閘同時在一室，則只需要安裝一個弧光傳感器，如果母線和母線側隔離刀閘不在同一室，則需要分別安裝弧光傳感器。（2）KYN柜安裝。安裝KYNN柜的時候只能在母線隔室安裝，在上側中部安裝不僅可以保證足夠的絕緣距離，還能保證及時檢測到柜子內的弧光。（3）為了避免電弧光保護的無選擇性跳閘情況出現，應該要進一步簡化二次回路，變電站中的35kV和10kV母線要采用分列運行的方式。（4）新建的變電站在投產之前應該要裝設相應的電弧光保護裝置，運行變電站可以結合開關柜的大修情況，假裝電弧光保護裝置。
4安科瑞ARB5-M弧光保護產品選型說明
ARB5-弧光主控單元
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技術參數代碼 |
代碼說明 |
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弧光主控板數 |
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0 |
0塊主控板，可接0塊采集板信號 |
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1 |
1塊主控板，可接6塊采集板信號 |
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2 |
2塊主控板，可接12塊采集板信號 |
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3 |
3塊主控板，可接18塊采集板信號 |
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4 |
4塊主控板，可接24塊采集板信號 |
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弧光采集板數 |
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0 |
0塊采集板，可直接采集0個弧光探頭信號 |
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1 |
1塊采集板，可直接采集5個弧光探頭信號 |
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2 |
2塊采集板，可直接采集10個弧光探頭信號 |
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3 |
3塊采集板，可直接采集15個弧光探頭信號 |
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4 |
4塊采集板，可直接采集20個弧光探頭信號 |
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電流輸入 |
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1 |
1A |
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5 |
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電源 |
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1 |
裝置電源為DC110V，開入電源DC110V |
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2 |
裝置電源為DC220V，開入電源DC220V |
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3 |
裝置電源為AC110V，開入電源DC24V（裝置自帶） |
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4 |
裝置電源為AC220V，開入電源DC24V（裝置自帶） |
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電源 |
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0 |
不需要 |
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1 |
支持MMS |
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2 |
支持MMS，GOOSE |
（1）＊表示可選附件，需要另外增加費用1500元。
（2）主控板和采集板數量之和不能大于4。
（3）弧光探頭到采集板的長度不能超過20米。
（4）如有特殊要求，請特別注明。
5安科瑞ARB5-M弧光保護產品功能和技術參數
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型號 |
主要功能 |
技術參數 |
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8組弧光保護 |
可選配4塊采集板，1塊采集板可采集5路探頭，共支持20路弧光探頭直接采集。 亦可選配4塊主控板（即可接入4臺ARB5-E擴展單元）1塊主控板可接收6塊采集板的探頭，共支持120路弧光探頭采集。 |
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4組失靈保護 |
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4組電流回路TA監測 |
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4組三相電流采集 |
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11路可編程跳閘出口 |
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非電量保護 |
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裝置故障告警 |
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2路RS485 |
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2路以太網 |
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1路打印接口 |
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1路IRIG-B碼對時接口 |
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支持IEC61850、modbusRTU、modbusTCP、IEC103 |
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支持GOOSE輸入輸出（選配） |
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弧光信號采集 |
可選配6塊采集板，1塊采集板可采集5路探頭，共支持30路弧光探頭直接采集。 |
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模擬狀態傳輸 |
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需要配合ARB5-M主控單元使用 |
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弧光信號監測 |
點式弧光傳感器，可安裝于 母線室、電纜室或斷路器室。 |
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現場調試及工程服務費 |
視項目情況核價 |
ARB5-M弧光保護主控單元
ARB5-E弧光保護擴展單元
ARB5-S弧光探頭
6安科瑞ARB5-M弧光保護產品現場安裝
弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下。
7結束語
綜上所述，采用電弧光保護系統對變電站進行保護，其動作時間為5-7ms，可以迅速實現對故障的響應和處理，使變電設備的損失減到小，大大提高了變電站運行的安全性和運行效率。
參考文獻：
- 唐成靜.電弧光保護在變電站中的應用．
[2] 吳海莉，胡發明.應用于110kV變電站的電弧光保護系統[J].上海電力學院學報，2012（12）.
[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5（版）.
