安科瑞任心怡

摘要：近年來，中低壓開關(guān)柜的使用越來越普遍。在此過程中，確保開關(guān)柜平穩(wěn)運行至關(guān)重要。并在此基礎(chǔ)上，闡述了由此產(chǎn)生的弧光和電弧事故的危險性，引入弧光保護及母線保護的特點必要性分析，闡述了弧光保護系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)。工程實例證明，弧光保護在中弧光中低壓開關(guān)柜占重要地位。

關(guān)鍵詞：弧光保護;開關(guān)柜;過流保護;光傳感器

0引言

低壓和中壓開關(guān)柜是一種配電基礎(chǔ)設(shè)施，每年消耗大量電力。中低壓開關(guān)柜中弧光放電是非常嚴重的事故。由于電弧電阻過高，故障電流無法達到固定保護值，無法快速關(guān)閉電源。在某些情況下，延遲可能導(dǎo)致無法快速切斷故障，弧光故障電流即使達到保護起始值也是如此。弧光放電不僅會導(dǎo)致斷電，而且還會對許多設(shè)備造成不可逆的傷害和人身傷害，可能導(dǎo)致無法估量的損壞。

電弧的產(chǎn)生機理

中低壓開關(guān)柜是電力和配電的重要基礎(chǔ)設(shè)施。近年來，他們的使用逐漸增加。這對于確保中低壓開關(guān)柜的可靠性和安全運行以及減少電氣事故的損壞至關(guān)重要。對于許多類型的弧光放電來說，電氣事故是中低壓開關(guān)柜的嚴重事故。如果使用了電弧電阻，則不需要調(diào)整限制電流來設(shè)置保護值，這是無法停切斷故障。在某些情況下，即使弧光法的電流與保護的初始值相符，延遲也會妨礙及時消除干擾，因此可能會弧光放電問題，在這種情況下，不僅會導(dǎo)致停電，而且還會對設(shè)備和員工造成嚴重影響，這可能會對企業(yè)造成嚴重影響。由于放電過程中兩點之間的電壓大于介質(zhì)的電阻電壓，因此只要有足夠的能量補償熱量損失和溫度合適，電弧就會保持不變。例如，10kvV系統(tǒng)的弧光放電過程如圖1所示。當(dāng)導(dǎo)體之間的絕緣不足時，產(chǎn)生弧光是分子和原子在特定環(huán)境中游離的過程。附近的正負電子加速運動，并與其他空氣分子和原子碰撞，同時產(chǎn)生電弧光和高熱量。

圖1 10kV弧光放電的物理機理圖

電弧事故危害

弧光可高達4500℃溫度，內(nèi)部可高達10000-20000℃。空氣弧光功率為40mW，弧的強照明強度2000多倍以上。因此，不及時對電弧產(chǎn)生采取措施可能會造成損害。

1.人身危險。電弧造成的傷害主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1.熔化金屬粒子進入人體皮膚，導(dǎo)致皮膚金屬化；2.弧光強度高可能導(dǎo)致眼睛損傷和角膜脫落。；3.高溫下粉塵和有毒氣體可能會損害身體的呼吸道；4.當(dāng)弧光電流人體有一定影響時，肌肉意外收縮，損害皮膚、血管和神經(jīng)。

2.設(shè)備的危險。產(chǎn)生電弧時會產(chǎn)生大量高溫條件氣體，且變形或破碎開關(guān)柜。此外，燃燒振動波會導(dǎo)致其劇烈振動，緊固件松動或脫落。此外，在高溫下可能會出現(xiàn)電纜燃燒等問題，在較大的情況下，開關(guān)柜外殼中的金屬可能會熔化，從而導(dǎo)致火災(zāi)事故。

3設(shè)置弧光保護的必要性

我國開關(guān)柜有幾種母線保護方法。

1.變壓器過流保護:：低成本，保護開關(guān)IEC 298不能滿足100 ms的低壓1-2sS時，母線故障切除。

2.饋線過流保護閉鎖:：使用高性能工程微米芯片進行分析、數(shù)據(jù)采集和命令執(zhí)行，運行速度為300-400ms，不符合IEC298中低壓電母線源100ms故障的要求。

3.母差保護:：典型動作為35.60ms時間，一般故障響應(yīng)時間隨100ms和基本快速性要求而變化，但也存在一些問題，如保護能力較小，復(fù)雜接線，較高要求電流互感器，無法提供關(guān)鍵故障點。母線的保護要求未得到滿足，實際上電流互感器飽和會造成保護干擾，不符合裝置范圍的要求，限制了保護的應(yīng)用。開關(guān)柜發(fā)生弧光故障瞬間時，弧形保護系統(tǒng)可以快速檢測并輸出跳閘信號。瞬間脫扣(（斷路器)），切斷電源，使電弧消失，并減少因弧光故障而造成的損壞。電弧持續(xù)時間小于100ms，無論是弧光+電流雙判據(jù)。傳統(tǒng)電源保護的運行時間超過100ms。為此，在開關(guān)柜母線保護中促進弧光保護很重要。

4弧光保護原理及系統(tǒng)構(gòu)成

1.弧光保護原理。是由一個有缺陷的弓引起的弧光，但從弧光故障到弧光檢測，速度非常快，不足1ms。電流保護為了提高可靠性，增加故障電流通常還應(yīng)考慮，發(fā)出跳閘命令。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如圖2所示，弧光系統(tǒng)主要由輔助單位組成，如主控單元、弧光檢測和連接I/oO。弧光傳感器位于開關(guān)中的任何位置，根據(jù)實際物理位置進行保護調(diào)節(jié)，要查看主單元弧光的誤差位置，請執(zhí)行操作，從而縮短斷電時間，實現(xiàn)電流的快速恢復(fù)。弧光傳感器可以用一種或多種方式弧光傳感器沿開關(guān)設(shè)備的不同室分布。電弧傳感器覆蓋一個或多個室傳感器為單點或光纖線式。

圖2弧光保護系統(tǒng)示意圖

單個傳感器只能捕獲小區(qū)域中的光，有光電和光單點傳感器。傳感器光電單點于光電管中進行光學(xué)轉(zhuǎn)換。使用這些傳感器時，應(yīng)考慮放置傳感器時的EMI和ESD問題。光單點傳感器根據(jù)透明材料捕獲光源，并使用光纖將其傳遞給光接收器。傳感器單點式也得激活脈搏。脈搏信號是發(fā)射機發(fā)送給光接收機的光脈沖信號。脈搏信號用于確定光學(xué)接收機是否工作正常，光纖傳感器通常由環(huán)形組成。捕獲光源并將其傳遞給接收器。光纖通道傳感器與單點式相比，在光纖線式傳感器較大區(qū)域采集光。此傳感器還具有脈搏功能。理想的光學(xué)傳感器具有較低的傳輸速度和較高的捕獲效率，通常采用POF或玻璃光纖。對于POF和PCS，外層是透明的或被移除的。由于光纖通道傳感器可以檢測單個設(shè)備或多個設(shè)備中的多個單元，因此可以通過減少光纖電纜長度的傳感器數(shù)量來降低系統(tǒng)保護成本。但是光纖產(chǎn)品的長度取決于接收機的靈敏度。由于單點傳感器的主要特點，這兩種傳感器都有缺點，并應(yīng)用于弧光檢測。“被遮擋風(fēng)險"表示光傳感器是否可能位于開關(guān)設(shè)備的“被遮擋風(fēng)險"，從而存在傳感器能夠捕獲光的風(fēng)險。由于光纖通道傳感器的范圍很廣，傳感器沒有被被遮擋危險。單點傳感器用于弧光檢測，比光纖傳感器敏感得多。但是，光纖線式傳感器的靈敏度部分取決于光纖的物理特性。此外，光纖傳感器可以從單個或多個開關(guān)中的多個光纖識別，而不能實現(xiàn)到單點傳感器。

3.關(guān)鍵性能和特點。（1）電磁兼容符合國家繼電器質(zhì)量監(jiān)督(EMC)標準。（2）符合繼電保護建設(shè)準則。（3）通過弧光和過流雙判可靠運行。（4）無源弧光探頭直接連接到光纖端口，干擾能力強抗電磁。（5）基于實際電路的可編程性和可擴展性。(6)可根據(jù)需要調(diào)整弧光感光度和過流值。(7)故障原因，準確其位置。

5安科瑞 ARB5系列弧光保護的原理及系統(tǒng)組成

弧光保護裝置通過弧光+電流突變量雙重判據(jù)或弧光單判據(jù)啟動保護，其動作時間為

弧光單判據(jù)動作時間≤7ms；

弧光+電流雙判據(jù)時間≤20ms。

ARB5系列弧光保護裝置由ARB5-M主控單元、ARB5-E擴展單元、ARB5-S弧光探頭、弧光光纖以及尾纖等配件構(gòu)成。

型號

主要功能

技術(shù)參數(shù)

ARB5-M弧光保護主控單元

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。

4組失靈保護

4組電流回路TA監(jiān)測

4組三相電流采集

11路可編程跳閘出口

非電量保護

裝置故障告警

2路RS485

2路以太網(wǎng)

1路打印接口

1路IRIG-B碼對時接口

支持IEC61850、modbusRTU、modbusTCP、IEC103

支持GOOSE輸入輸出（選配）

ARB5-E弧光保護擴展單元

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。

模擬狀態(tài)傳輸

需要配合ARB5-M主控單元使用

ARB5-S弧光探頭

弧光信號監(jiān)測

點式弧光傳感器，可安裝于母線室、電纜室或斷路器室。

現(xiàn)場調(diào)試及工程服務(wù)費

視項目情況核價

6、弧光保護應(yīng)用案例

A化工廠110/10kV變電站10kvV I類具有與Ⅱ段相同的弧光保護，I段母線L1、N線組發(fā)生接地故障，逐漸發(fā)展為L1和L2之間的短路。如果確定了弧光保護并且確定了故障電流，則I段母線10kV的線路斷路器將被切斷。當(dāng)故障得到糾正和驗證時，弧光保護裝置的決定和保護是正確的，其保護操作及時執(zhí)行，供電會盡快重新恢復(fù)。

弧光保護既簡單又及時，它對于防止停電和盡量減少傷害和設(shè)備損壞以確保電力設(shè)備安全可靠地運行至關(guān)重要。為此，有關(guān)技術(shù)人員應(yīng)加強技術(shù)研究，使他們能夠在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

參考文獻：

[1] 雷晉，弧光保護在中低壓開關(guān)柜中的應(yīng)用

[2] 周怡．電弧光保護作為母線主保護在中低壓開關(guān)柜的應(yīng)用和討論［J]供用電，2019(12).

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2020.06版．

[4]安科瑞用戶變電站變配電監(jiān)控解決方案2021.10

審核編輯 黃宇