浅析电弧光保护在10kV变电站高压室的应用方案

简婷

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：阐述了弧光保护在变电站10kV高压室的有效应用，通过比较两种应用、两种保护方式，提出电弧光保护应用的模式。电弧光保护作为开关柜内母线的主保护，能够数毫秒级切断故障，有效地保护变压器不受损伤，减轻故障设备的损坏程度。由于电缆头的爆炸或电缆沟起火引起的开关柜事故更多，而原来电弧光保护仅能保护母线桥（包括母线室），通过扩展电弧光保护的保护范围，在电缆头爆炸后在短时间内将馈线柜断路器切断，成为我们在改造实践中完成的重要改进。

关键词:弧光；保护；快速；实践；改进

0 前言

      由于中低压母线上的出线多，操作频繁，三相导体线间距离与大地的距离比较近，容易受小动物危害，设备制造质量比高压设备差，设备绝缘老化和机械磨损，运行条件恶劣，人为和操作错误等原因，中低压母线的故障几率比高压、超高压母线高得多。

      中低压母线在发生短路故障时产生的电弧光对设备及人员造成大伤害，有可能引发连锁事故。由于我国现行的继电保护设计标准中35kV及以下电压等级的母线由于没有稳定问题，在中低压母线系统一般不配置专用的母线保护，而是依赖上一级元件（变压器）的后备过流保护来切除母线短路故障，由于变压器后备不会与馈线和母线分段开关的配合，保护跳闸时间一般整定1.0~1.4s，有的甚至更长，达2.0s以上。这一动作速度很显然是远远不能满足快速切除中压母线故障要求的，导致了故障切除时间延长，加大了设备的损伤程度。

      为了保证变压器及母线开关设备的安全运行，根据继电保护快速性的要求，迫切需要配置专用中低压母线保护。而电弧光保护作为母线故障短路是我们进行应用的有效选择。

1 保护原理

      电弧光保护在110kV华藏寺变电站的应用实践，当时仅作为10kV母线短路故障起弧的快速保护，其10kV系统为单母线分段带旁路接线，保护原理如下。

      (1)当母联开关断开，两段母线单独运行，甲段母线发生弧光，同时电流单元采集到过流信号，主控单元出口跳开甲段进线电源断路器，同时闭锁母联开关备自投。乙段和甲段保护原理相同。

      (2)当乙段进线电源开关断开，母联开关合上，两段母线都由甲进线电源开关供电：

      a.当甲母线发生弧光，同时电流单元采集到甲进线电源过流信号，主控单元出口跳开甲段进线电源断路器；

      b.当乙母线发生弧光，同时电流单元采集到甲进线电源过流信号，主控单元出口跳开母联开关断路器。甲乙两段母线由乙段进线电源开关供电，原理同电弧光保护在110kV华藏寺变电站的应用实践，当时仅作为10kV母线短路故障起弧的快速保护，其10kV系统为单母线分段带旁路接线，保护原理如下。

      电弧光保护装置动作逻辑如下：通过光带传感器对母线室进行弧光探测并传输到主控单元。为保证不出现误动作造成母线电源失电，在母线室采用双光带探测技术，双光带传感器“与"门输出弧光信号后和过电流信号再“与"门输出跳闸信号，电流信号取自进线电源101或102电流。只有当两个电弧光信号和一个电流信号同时出现时，输出跳闸信号。其他情况下不能误动作。

      110kV华藏变电弧保护能够有效地保护母线室和断路器室上侧母排短路，其配置原则是一段母线配置一套，进行电源开关柜作为该系统的一个监测点。事故状态下，直接切断该段母线的电源。

      但在实际运行中，由于电缆头的爆炸或电缆沟起火引起的开关柜事故很多。因此，如何能在电缆头爆炸后在短时间内将该台开关柜的断路器切断成为了弧光综合保护装置应该而且必须做到的功能，我们通过设计更改，在110kV裴家营变进行了有益的探索实践。 

 2 应用实践

电弧光保护作为10kV馈线柜及电源柜、母线室主保护，在110kV裴家营变的应用实践：

      在每一台馈线开关柜（包括该段母线的电源进线柜）上安装一台弧光综合保护装置，将该馈线柜的电缆室和开关室作为独立的弧光监测点。每台装置独立运行和联合运行相结合，实现独立跳开事故馈线柜的功能。而母线不用停电。弧光保护的另一个判据，电流信号则取自该台馈线柜自带的电流互感器。跳闸信号的输出则直接作用于该台馈线柜的控制回路。

      对跳闸接口T1、对跳闸接口T2，是弧光＋过电流跳闸输出，小于7ms动作出口，切断馈出线电源并闭锁出线重合闸。第三对跳闸接口T3、第四对跳闸接口T4，是过电流延时跳闸输出，延时600ms，在开关柜侧还没有出现弧光的情况下，通过延时发出跳闸信号，作为馈线柜的二级过流保护。

      弧光综合保护装置同时具用母线保护功能的设计，通过光带传感器对母线室进行弧光探测并传输到主控单元。为保证不出现误动作造成母线电源失电，弧光探测采用双光带传感器“与"门输出弧光信号后和过电流信号再“与"门输出跳闸信号。此时，跳闸出口1、2小于7ms作用于跳开进线柜和母联开关柜，跳闸出口3、4延时600ms，在进线柜或母线室没有出现弧光的情况下，通过延时发出跳闸信号，作为进线电源的二级过流保护。弧光综合保护系统配置简单，每个馈线柜和电源进线柜配置一台即可。采用可编程的逻辑跳闸保护功能，实现馈线柜保护和母线柜保护的不同需要。实现独立跳开事故馈线柜的功能，大大降低了电缆头的爆炸或电缆沟起火引起的开关柜事故对主变压器的冲击损伤和开关柜室的电弧损伤。

3 安科瑞弧光保护产品选型方案

3.1概述

      中低压母线发生短路故障时，所产生的电弧光对设备及人员会造成很大的伤害。在电力系统中，由于设备故障、人为地错误操作或错误接线、绝缘材料老化和机械磨损、灰尘、温度、湿度、腐蚀等环境因素、电缆接头制作不良、过电压、其他原因如动物鼠害等可能在开关设备内造成短路故障并产生电弧光。

      电弧光一旦产生，其危害程度取决于电弧光电流及切除时间，电弧产生的能量与12t成指数规律快速上升。只有在短时间内切除故障才能使设备不遭受损害。若总切除时间大于100ms，轻则设备局部烧损，重则造成开光柜爆炸以及人员伤亡，有的可能引发火灾。

      安科瑞ARB5系列弧光保护装置外观时尚、大屏幕液晶显示，图形化多语言菜单，操作快捷方便;具有强大的功能集成:集保、测量、控制、监测、通讯、故障录波、事件记录等多种功能于一体,准确实时监测弧光信号，保护电流，适用于中低级电网的弧光故障迅速切除装置。

3.2应用场所

      适用于石油化工、数据中心、电网电厂、机场轨道交通、医疗公共设施等行业。

3.3安科瑞ARB5弧光保护产品选型说明

ARB5系列弧光保护装置由ARB5-M主控单元、ARB5-E扩展单元、ARB5-S弧光探头、等配件构成。

ARB5-M弧光主控单元

注：1、*表示可选附件。

2、主控板和采集板数量之和不能大于4。

3、弧光探头到采集板的长度不能超过20米。

ARB5-E弧光扩展单元

扩展单元

电源

弧光探头

注：1、*表示可选附件。

2、主控板和采集板数量之和不能大于4。

3、弧光探头到采集板的长度不能超过20米。

4、如有特殊要求，请特别注明。

3.4安科瑞ARB5-M弧光保护产品功能和技术参数

3.5安科瑞ARB5-M弧光保护产品现场安装

弧光保护主控单元、探头安装图如下：

4 结束语

      现代电力系统的发展，配电网容量的逐渐增大，中低压母线故障对电力系统安全运行的影响越来越严重。它不仅使中压开关设备严重烧毁，造成“火烧连营"事故；而且可能损坏昂贵的变压器，造成十分严重的经济损失，因此非常有必要安装电弧光保护。此外，电弧光保护的应用不能按照国外初设计模式，仅仅保护母线桥自身弧光短路，应用实践中要积改进，既作为中低压母线保护又成为馈线侧弧光短路的快速保护神。

参考文献

[1]王德志,张爱萍.电弧光保护在应用实践中的改进[J].2009-37(24).

[2].安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.

作者介绍：

简婷，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为中低压供电系统继电保护和弧光保护。