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电弧光及保护系统简介
1.1概述
在我国，中、低压母线短路故障中，重点设备和人员伤害主要由电弧光引起，然而，我国的大多数中低压母线没有设置快速母线保护，而只是采用了简单的消弧装置和变压器后备保护。这些保护智能化较低，动作速度慢，往往会延长故障切除时间，从而进一步扩大设备损坏程度，甚至会引起“火烧连营”的恶性事故，冲击变压器一次运行，影响整个电网的安全运行。
弧光保护系统是我公司根据国内实际情况，吸收国外电弧光保护的特点，结合行业检测及保护配置相关规程，自主研发出具有*创新技术、具有广泛实用性、高可靠性的新型电弧光保护系统。采用弧光检测和过电流检测双判据原理，具有保护动作速度快、可靠性高等特点。
1.2电弧光产生的原因
引起开关柜弧光短路故障的原因很多，一般分为以下五类
1）绝缘故障：主要是柜中绝缘材料爬距不足，未满足加强绝缘要求，在脏污环境，天气潮湿下发生绝缘故障。另外，由于绝缘材料材质缺陷，运行年限较长的开关柜，在强电磁场作用下绝缘老化，也可能造成绝缘损坏而导致故障。
2）载流回路不良：由于一些接头截面不够，紧固螺栓松动，手车柜触头接触不良，在大电流流过时引起发热，冒火进而引起相间，相对地击穿等等。
3）外来物体的进入：如小动物（老鼠等）进入开关柜内部，或维修人员在工作完成后将工具遗留在开关柜内。
4）认为操作错误：如走错间隔，误操作，未对工作区域进行接地，未对工作区域进行验电等。
5）系统方面的原因：如系统容量增大，接地方式改变，电缆应用增多，保护及自控装置配置不当，系统谐振过电压等。
1.3电弧光的危害
开关柜内的发生短路弧光的功率可高达100MW，电弧燃烧所产生的能量与电弧的燃烧时间及短路电流变化值呈指数倍增长（如下图所示），燃烧产生的高温、高压将会逐步摧毁元器件、铜排以及成列的开关柜，高明亮的弧光和有毒气体对人体也有巨大的伤害。
要保证设备不受结构性损伤，必须尽量缩短切除时间。
以下为国外资料介绍的各种燃弧时间长短和对设备造成的损坏程度的评估：
燃弧时间 | 设备损坏程度 |
35 ms | 没有显著的损坏，一般可以在检验绝缘电阻后投入使用 |
100ms | 损坏较小，在开关柜再次投入运行以前需要进行清洁或某些小的修理 |
500ms | 设备损坏很严重，在现场的人员也受到严重的伤害，必须更换部分设备才可以再投入运行。 |
1.4电弧光保护系统作用及应用领域
电弧光保护系统，可以起到以下作用：
减少或降低电弧光对于人体的伤害；
减少或降低电弧光短路故障对于设备的损害；
避免变压器因近距离母线故障造成动稳定破坏，延长变压器的使用寿命；
缩短电弧光故障切除时间，避免波及站内直流系统造成重大损失；
减少因电弧光故障造成设备停运的时间，更快地恢复供电；
电弧光保护系统，主要应用于以下场合：
1）电力变电站
2）火电厂电气段开关柜母线室及馈线柜
3）风电场升压站集电线路开关柜
4）箱式变电站
5）铝镁行业大型直流整流柜
本系统具有以下技术特点：
满足电磁兼容（EMC）标准；
符合中国继电保护设计标准要求；
采用过流及弧光双重判据，可靠性高；
新型光纤连接传输，光电转换在装置内完成，抗电磁力强；
采用过滤干扰光的新型弧光传感器，具有过滤干扰光的功能，避免可见光传感器受环境光照影响引起误动；
出口跳闸时间小于10ms，远快于传统的母线保护，对开关柜的内部弧光故障总切除时间可以控制在75ms以内；
全汉字显示，操作习惯和传统数字式保护*一致；
跳闸出口逻辑可编程；
弧光传感器动作值三档可调；
电弧光保护系统的组成
2.1目前国内用于中、低压系统的保护及其局限性
1）变压器后备过流保护，典型的保护动作时间为1.2s~2s。
2）采用馈线速断保护闭锁变压器后备过流保护，典型的保护动作时间为300ms~500ms。
3）高阻抗母线差动保护，典型的保护动作时间为30ms~50ms。
上述保护均有致命的弱点就是动作时间太慢，根据电弧光危害示意图所示，保护装置动作时间不能超过20ms，否则会产生不可修复的器件损坏，从而延长故障修复时间。
2.2本系统技术优势
1）、动作迅速可靠：
采用了可靠的快速算法，可以在短时间内判断弧光变化信号和电流变化信号并迅速出口，从发现故障到出口跳闸时间间隔优于10ms，确保开关柜内设备的弧光在75ms以内切除。
2、全数字化设计：
本装置采用全数字化设计，配置灵活，动作精度高，而且排除了由于旋钮或其他机械设计导致的误差隐患。
3、保护原理简单、合理
根据弧光产生时的特点，装置采用弧光和电流双重判据，判据简单且可以有效的保证动作的准确性。
4、强大的电气性能：
弧光探头设计、连接线等全部采用耐高温、阻燃的高分子材料，具有的电气隔离效果。装置*EMC的标准，保证了弧光保护系统的整体稳定性和动作的可靠性。
5、故障信息记录全面
在故障弧光发生并引起装置跳闸后，主控单元或馈线保护单元可以准确的记录弧光探头检测到故障弧光的位置信息，且可以详细记录动作时刻的三相电流值。
2.3弧光保护系统组成
弧光保护系统主要由主控单元（含弧光采集单元）和弧光传感器组成，为了适应现场的应用需求，分为了母线型弧光保护系统和馈线型弧光保护系统。如下图所示：
图2 弧光保护系统结构示意图
2.3.1 主控单元
主控单元是母线型弧光保护系统的核心。它检测分析故障信号、接收分析采集单元的弧光故障信号，并对两种信号进行综合分析判断。在满足跳闸条件时，发出跳闸指令以切除故障。
主控单元一般安装在进线柜或紧邻进线柜的开关柜的二次控制门板上。主控单元有：
1）16个弧光信号检测接口，用于接收来自弧光传感器的弧光故障信号；
2）2路RS485；
3）4路快速跳闸输出接口，符合IEC255-23继电器标准。
4）2路报警出口，其中一路为装置故障出口。
5）12路电流输入，检测4组三相电流信号，用于判断故障电流。
6）主控单元可以根据客户需要扩展弧光采集单元、或者电流单元
2.3.2 弧光扩展采集单元
弧光扩展采集单元与主控单元配合使用，是弧光保护系统的重要组成部分，主要用于采集故障弧光，并将判断后的结果通过高速总线传递给主控单元。单个弧光采集单元可以安装16路弧光探头，根据系统的大小可以任意增减弧光采集单元的数量。弧光采集单元通常安装在选定的开关柜内中。弧光采集单元具有
1）16个弧光信号检测接口，用于接收来自弧光传感器的弧光故障信号；
2）2个数据通讯接口，1路RS485，1路CAN总线；
2.3.3 弧光传感器
弧光传感器中的探头安装在柜内各间隔中，可实现由简单到复杂、有选择性的保护。弧光探头作为光感应元件，在发生弧光故障时检测突然增加的光强。主流应用分为光纤式弧光传感器和电缆式弧光传感器两种。
1）光纤式弧光传感器
光纤式弧光传感器，前置探头采集弧光信号中的*光谱信息，并通过专用光纤将光信号传送给弧光采集单元或主控单元，弧光单元或主控单元完成光信号的分析处理与采集。
2）电缆式弧光传感器
电缆式弧光传感器，前置探头采集弧光信号中的*光谱信息，并在探头处完成光信号与电信号的转换，输出4-20mA的电流信号传送给弧光单元或弧光保护主控单元。
2.4 技术特点
本系统具有以下技术特点：
满足电磁兼容（EMC）标准；
符合中国继电保护设计标准要求；
采用过流及弧光双重判据，可靠性高；
新型光纤连接传输，光电转换在装置内完成，抗电磁力强；
采用过滤干扰光的新型弧光传感器，具有过滤干扰光的功能，避免可见光传感器受环境光照影响引起误动；
出口跳闸时间小于10ms，远快于传统的母线保护，对开关柜的内部弧光故障总切除时间可以控制在75ms以内；
全汉字显示，操作习惯和传统数字式保护*一致；
跳闸出口逻辑可编程；
弧光传感器动作值三档可调；
2.5.装置原理说明
1）电弧光保护功能
电弧光保护以电流单元为基础分组，弧光探头可以整定关联到任意一组电流信号上。
当弧光单元把光信号从弧光传感器传输到主控单元时，并且同时电流启动元件动作，电弧光保护动作；装置可选择弧光信号动作单判据作为动作逻辑判断。
图3 电弧光保护逻辑图
2) 装置自检
当装置检测到本身硬件故障时，发出告警信号，同时闭锁整套保护。硬件故障包括：采样回路故障、RAM出错、定值出错等。
