胡 楠 國(guó) 佳

剛果(金)ZONGOⅡ電站中壓開(kāi)關(guān)柜電弧光保護(hù)的應(yīng)用

胡 楠 國(guó) 佳

結(jié)合工程實(shí)際介紹了電弧光的定義及危害、電弧光保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成及控制原理。

電弧光 危害 保護(hù) 控制 原理

電弧光現(xiàn)象是兩相之間或相地之間因電離加劇引起空氣導(dǎo)電的現(xiàn)象?；」夥烹姷臈l件是小間隙和大電流。

弧光點(diǎn)溫度發(fā)生電弧白光時(shí)，是太陽(yáng)表面溫度的2倍；弧光的照度達(dá)8 000～9 000 lx，而人眼能承受最大光強(qiáng)為300 lx以下；弧光爆破壓達(dá)120 kPa，而人體能承受的最大壓力為7.5 kPa；弧光燃燒帶來(lái)強(qiáng)烈的聲響和震動(dòng)，也超過(guò)人體能承受的極限。電弧光引起的事故對(duì)人員和設(shè)備都會(huì)造成很大的危害。

電氣短路引起電弧燃燒在配電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)柜中一旦發(fā)生，就會(huì)引起諸如爆炸、燃燒等較大的設(shè)備材料損毀，危害電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定，還會(huì)對(duì)人員造成很大危害。

1 裝設(shè)電弧光保護(hù)的必要性

1.1 電力工業(yè)發(fā)展的需要

一方面，隨著國(guó)家電力工業(yè)的快速發(fā)展,中低壓開(kāi)關(guān)柜的應(yīng)用數(shù)量越來(lái)越多, 由于開(kāi)關(guān)柜弧光短路故障引發(fā)的中低壓母線故障時(shí)有發(fā)生, 并且也發(fā)生過(guò)主變壓器由于遭受外部短路電流沖擊損壞的事故, 經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重； 另一方面, 用戶對(duì)供電的可靠性要求也越來(lái)越高；因此, 在中低壓開(kāi)關(guān)柜裝設(shè)專(zhuān)用快速母線保護(hù)——電弧光保護(hù)是有必要的。

1.2 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部燃弧耐受時(shí)間的需求

當(dāng)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部弧光短路故障時(shí), IEC298 標(biāo)準(zhǔn)附錄中規(guī)定的內(nèi)部燃弧時(shí)間是100 ms, 也就是說(shuō)開(kāi)關(guān)柜可以承受的電弧燃燒時(shí)間, 即保護(hù)動(dòng)作和斷路器切除故障的時(shí)間之和應(yīng)小于100 ms， 此時(shí)才能達(dá)到保護(hù)開(kāi)關(guān)柜的目的。目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的開(kāi)關(guān)柜基本上是按照IEC298 標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的, 即開(kāi)關(guān)柜可以承受的電弧燃燒時(shí)間為100 ms。表1為國(guó)外對(duì)各種燃弧持續(xù)時(shí)間下設(shè)備損害程度的試驗(yàn)結(jié)果。

表1 不同燃弧持續(xù)時(shí)間下對(duì)設(shè)備造成的損壞

1.3 變壓器動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間及中低壓母線保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的要求

國(guó)標(biāo)規(guī)定的110 kV 及以上電壓等級(jí)的變壓器的熱穩(wěn)定允許時(shí)間為2 s, 動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間為0.25 s。但實(shí)際上, 在低壓側(cè)出口短路故障時(shí)，過(guò)流后備保護(hù)切除動(dòng)作時(shí)間往往在2 s 以上, 距變壓器的動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間要求0.25 s 相差甚遠(yuǎn), 這也是造成變壓器損壞的重要原因。

1.4 現(xiàn)有的中低壓母線保護(hù)方式及存在的問(wèn)題

1.4.1 變壓器后備過(guò)流保護(hù)

這是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的中低壓母線保護(hù)方式。由于考慮到與饋線和母線分段開(kāi)關(guān)的配合, 保護(hù)跳閘時(shí)間一般整定為1.0～1.4 s, 有的甚至更長(zhǎng), 達(dá)2.0 s 以上。這一動(dòng)作時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足快速切除中低壓母線故障的要求。

1.4.2 饋線過(guò)流閉鎖變壓器過(guò)流保護(hù)

近年來(lái)采用饋線過(guò)流閉鎖變壓器過(guò)流保護(hù)的應(yīng)用較為廣泛, 與變壓器后備過(guò)流保護(hù)方式相比，其動(dòng)作速度有了一定的提高, 典型動(dòng)作時(shí)間為300～400 ms，但仍難以在100 ms 以內(nèi)切除故障。

1.4.3 采用環(huán)流原理的高阻抗母線保護(hù)

這種保護(hù)方式典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為35～60 ms?？紤]到斷路器的分閘時(shí)間, 這一動(dòng)作速度對(duì)要求100 ms 以內(nèi)切除故障來(lái)說(shuō)，常常也不能滿足要求。并且這種保護(hù)方式的接線復(fù)雜, 對(duì)TA 的質(zhì)量要求高, 安裝在有很多出線的6～35 kV 母線上非常困難, 也不經(jīng)濟(jì)。此外, 由于其保護(hù)范圍受到TA 安裝位置的限制, 不能保護(hù)到發(fā)生故障幾率較高的電纜室電纜接頭處的故障，因此，并不適合應(yīng)用于中低壓母線保護(hù)。

從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看, 現(xiàn)有的保護(hù)方式顯然不能滿足快速切除母線故障或保護(hù)覆蓋范圍的要求,因此, 在中低壓母線和開(kāi)關(guān)柜裝設(shè)一種快速的母線保護(hù)是必要的, 也是迫切的。

2 電弧光母線保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

剛果(金)也稱(chēng)剛果民主共和國(guó)，地處非洲大陸中部，ZONGOⅡ水電站是剛果民主共和國(guó)最大的水電站，當(dāng)?shù)仉姀S技術(shù)人員運(yùn)行水平較低，因此ZONGOⅡ水電站廠用電10 kV設(shè)計(jì)電弧光保護(hù)是非常有必要的。

2.1 保護(hù)對(duì)象

保護(hù)對(duì)象是該電站廠用電10 kV Ⅰ、Ⅱ 、Ⅲ段母線。整套系統(tǒng)由主單元OCUS650主單元、弧光傳感器AC14、電流單元IC14 和連接電纜組成。在每個(gè)開(kāi)關(guān)柜母線室內(nèi)安裝1 個(gè)弧光傳感器, 在母聯(lián)斷路器和母聯(lián)隔離車(chē)安裝1 個(gè)弧光傳感器, 在母線橋加裝1 個(gè)弧光傳感器,在TV 柜內(nèi)安裝1 個(gè)弧光傳感器, 通過(guò)弧光傳感器AC14把采到的弧光信號(hào)傳送給主單元OCUS650。系統(tǒng)配置電流單元IC14用于提供過(guò)流判據(jù)。主單元OCUS650 安裝在進(jìn)線柜上, 弧光傳感器AC14、電流單元IC14安裝在饋線柜上。

2.2 電弧光母線保護(hù)原理

電弧光保護(hù)原理很簡(jiǎn)單, 主要?jiǎng)幼饕罁?jù)為故障產(chǎn)生的2個(gè)不同因素: 弧光及電流增量。當(dāng)同時(shí)檢測(cè)到弧光和電流增量時(shí)發(fā)出跳閘命令。也就是說(shuō), 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí), 弧光傳感器將弧光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳給主單元, 主單元檢測(cè)電流信號(hào),如果達(dá)到啟動(dòng)值即發(fā)出跳閘信號(hào)。主單元裝置動(dòng)作時(shí)間為5～7 ms,斷路器動(dòng)作時(shí)間為35～60 ms,可以在100 ms 以內(nèi)切除故障。

當(dāng)弧光傳感器采集到弧光信號(hào)、主單元采集到進(jìn)線過(guò)流信號(hào)時(shí), 將啟動(dòng)跳閘繼電器跳開(kāi)進(jìn)線斷路器, 同時(shí)將動(dòng)作信號(hào)( 硬接點(diǎn)) 傳遞給后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)擁有完善的自檢功能, 能實(shí)時(shí)在線自檢, 系統(tǒng)自檢告警信息可以在裝置上看到, 也可通過(guò)主單元的告警繼電器送到后臺(tái)。當(dāng)任意一段母線出現(xiàn)故障時(shí), 都只會(huì)跳開(kāi)該段母線的進(jìn)線斷路器, 其他段母線仍會(huì)正常運(yùn)行。

在母聯(lián)開(kāi)關(guān)運(yùn)行時(shí), 跳開(kāi)故障母線進(jìn)線斷路器和母聯(lián)斷路器。其中弧光判據(jù)的啟動(dòng)條件為: 光強(qiáng)度超過(guò)8 000 lx, 電流超過(guò)最大負(fù)荷電流。

2.3 電弧光母線保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電弧光保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示, 由OCUS650主單元、弧光傳感器AC14、電流傳感器IC14 和連接電纜構(gòu)成。

圖1 電弧光保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1 OCUS650主單元

主單元通過(guò)檢測(cè)短路電流和來(lái)自弧光傳感器的動(dòng)作信息,并對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷, 發(fā)出跳閘信號(hào)以切除故障。該系統(tǒng)在同時(shí)檢測(cè)到弧光和過(guò)流時(shí)發(fā)出跳閘指令。在進(jìn)線斷路器未能動(dòng)作切除故障時(shí), 它將啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)邏輯, 發(fā)出跳閘指令給上級(jí)斷路器切除故障。此外, 主單元根據(jù)弧光傳感器送來(lái)的動(dòng)作信息和溫度傳感器測(cè)量的溫度, 提供弧光故障點(diǎn)的定位和溫度報(bào)警信息。

2.3.2 弧光傳感器AC14

弧光傳感器安裝在開(kāi)關(guān)柜各間隔室中,對(duì)各種接線的中壓開(kāi)關(guān)柜提供有選擇性的保護(hù)。弧光傳感器作為光感應(yīng)元件, 將檢測(cè)在發(fā)生弧光故障時(shí)突然增加的光強(qiáng), 并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)傳送給主單元，一般它作為弧光保護(hù)系統(tǒng)中的主要故障判據(jù)。

2.3.3 電流單元IC14

主要檢測(cè)線路中的電流，當(dāng)檢測(cè)到弧光后才檢測(cè)電流，發(fā)現(xiàn)故障后將信息傳至主體單元，一般它作為弧光保護(hù)系統(tǒng)中的輔助故障判據(jù)。

本系統(tǒng)也可選配便攜式弧光傳感器、溫度檢測(cè)單元和煙霧監(jiān)測(cè)單元，豐富系統(tǒng)構(gòu)成。

3 結(jié) 語(yǔ)

電弧光保護(hù)是電氣保護(hù)一個(gè)新的分支，快速感光和過(guò)電流的邏輯配合使其優(yōu)越性表現(xiàn)更為突出。電弧光保護(hù)具有保護(hù)邏輯簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試方便靈活，是常規(guī)繼電保護(hù)的一個(gè)有效的補(bǔ)充。隨著電弧光保護(hù)在市場(chǎng)上日益廣泛使用，產(chǎn)品價(jià)格也逐漸走低，更多的領(lǐng)域已經(jīng)能享受到先進(jìn)技術(shù)帶來(lái)的好處。

剛果(金)ZONGO Ⅱ，水電站廠用電10 kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)采用電弧光保護(hù)設(shè)備，設(shè)備已經(jīng)安裝調(diào)試完畢，使用效果良好。

TM591

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1007-6980(2017)02-0040-02

2017-03-19)

胡 楠 男 高級(jí)工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

國(guó) 佳 女 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222