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安科瑞 鮑靜君
摘要:本文介紹了6-35kV中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生電弧故障的原因、危害,以及弧光保護(hù)在中壓母線保護(hù)中的原理、用途、應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn),同時(shí)還介紹了弧光保護(hù)應(yīng)用現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞:中壓開(kāi)關(guān)柜;電弧光保護(hù); 母線保護(hù)
0 概述
6kV-35kV中壓成套開(kāi)關(guān)柜作為供電系統(tǒng)的樞紐,由于開(kāi)關(guān)柜尺寸較小、絕緣損壞、產(chǎn)品缺陷等導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電弧故障,該類事故危害性高,嚴(yán)重的造成開(kāi)關(guān)柜燒毀、人員傷亡和用戶長(zhǎng)期停電。所以,當(dāng)發(fā)生開(kāi)關(guān)柜電弧故障時(shí)是能否迅速切除故障,對(duì)變電站配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。另一方面,用戶對(duì)供電的可靠性要求也越來(lái)越髙,基于以上原因,有必要對(duì)中壓開(kāi)關(guān)柜裝設(shè)快速母線保護(hù)-弧光保護(hù)。
1 6-35kV開(kāi)關(guān)柜電弧故障原因及危害
6-35kV中壓開(kāi)關(guān)柜在電力系統(tǒng)中常見(jiàn)故障有過(guò)流、過(guò)壓、短路、電弧等,其中以電弧故障對(duì)人身安全和設(shè)備危害很大。在我國(guó)由于電弧短路事故造成的中壓開(kāi)關(guān)柜嚴(yán)重?zé)龤鹿蕰r(shí)有發(fā)生,如2012年7月,浙江某110kV變電所,10kV出線柜斷路器上觸臂短路,導(dǎo)致相間弧光短路,斷路器上觸臂、開(kāi)關(guān)柜金屬活門(mén)熔化,本柜燒毀報(bào)廢,相鄰開(kāi)關(guān)柜損壞,該段母線停電。2013年2月,浙江某110kV變電所,10kV柜間母線橋架內(nèi),位于開(kāi)關(guān)柜柜頂處的穿墻套管處絕緣擊穿,母線相對(duì)地電弧短路故障,導(dǎo)致橋架內(nèi)C相母排熔化,橋架及母排損壞,橋架拆除維修,該段母線停電等等。
1.1 電弧故障產(chǎn)生的原因
引起開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧短路故障的主要原因有:
?。?)開(kāi)關(guān)柜使用的導(dǎo)電體性能不良。
(2)元件損壞,開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部元件(或零部件)因未得到良好的維修和保養(yǎng)而損壞。
?。?)絕緣材料損壞, 主要有絕緣材料缺陷(如裂痕),投運(yùn)年限長(zhǎng)久的開(kāi)關(guān)柜因絕緣件老化,造成絕緣損壞導(dǎo)致故障。絕緣材料不滿足加強(qiáng)絕緣要求,絕緣爬距不足,潮濕、多灰塵污染環(huán)境使用等,導(dǎo)致絕緣故障。
?。?)人或者動(dòng)物誤入,如小動(dòng)物進(jìn)入開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部,接觸到帶電體導(dǎo)致故障。
?。?)施工(維修)人員將工(器)具遺忘或誤放在開(kāi)關(guān)柜內(nèi),導(dǎo)致故障。
(6)操作過(guò)程的失誤,如未按正確程序停電、驗(yàn)電、接地操作,走錯(cuò)間隔等。
?。?)單相接地、諧振、雷電等造成的系統(tǒng)過(guò)電壓。
?。?) 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變,如系統(tǒng)容量的增加,電纜應(yīng)用增多等。
1.2 6-35kV開(kāi)關(guān)柜電弧故障的危害
開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電弧短路故障的危害主要造成開(kāi)關(guān)設(shè)備及鄰近配電設(shè)備的損壞和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的傷害。
?。?)中壓開(kāi)關(guān)柜電弧短路故障對(duì)設(shè)備的危害當(dāng)中壓開(kāi)關(guān)柜發(fā)生電弧故障時(shí), 瞬時(shí)功率可達(dá)40MW,電弧內(nèi)部溫度可達(dá)10,000-20,000 °C,電弧甚至可以通過(guò)絕緣物體傳播,不 僅引起絕緣物質(zhì)燃燒,而且可以引起金屬熔化飛濺,構(gòu)成引發(fā)火災(zāi)的火源。在高能電弧及故障電流長(zhǎng)時(shí)間的作用下,開(kāi)關(guān)柜自身會(huì)損毀,變壓器會(huì)受到嚴(yán)重沖擊或損壞 ,由于故障往往未得到及時(shí)切除,發(fā)展為中壓母線故障,其危害是非常嚴(yán)重的,可能導(dǎo)致“火燒連
營(yíng)”多組開(kāi)關(guān)柜同時(shí)燒毀。巨大的母線短路沖擊電流造成主變壓器損壞也有發(fā)生,甚至造成發(fā)電廠廠用電瓦解、重要用戶停電。
?。?)中壓開(kāi)關(guān)柜電弧短路故障對(duì)人的危害當(dāng)開(kāi)關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部電弧故障時(shí),對(duì)附近的工作人員危險(xiǎn)性很大。電弧爆炸散發(fā)出大量的熱輻射和飛濺的熔化金屬,造成的嚴(yán)重的傷害;弧光的光強(qiáng)約9000LUX,而人眼感受到的大光強(qiáng)約300LUX,很容易使人的眼睛刺傷,暫時(shí)性失明;電弧爆炸火災(zāi)產(chǎn)生的巨大的聲響,對(duì)人的聽(tīng)覺(jué)造成傷害,可能引起休克;電弧火災(zāi)產(chǎn)生臭氧、氮氧化物等有毒氣體傷害呼吸系統(tǒng),可能引起窒息。
2 電弧故障的特性及傳統(tǒng)保護(hù)的局限性
(1)根據(jù)國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)研究,燃弧時(shí)間與造成開(kāi)關(guān)柜損壞程度關(guān)系如下:
1)燃弧時(shí)間<35ms,無(wú)顯著損壞,開(kāi)關(guān)柜經(jīng)絕緣檢測(cè)試驗(yàn)合格后一般可以投人使用。
2)燃弧時(shí)間<100ms,損壞較小,開(kāi)關(guān)柜經(jīng)內(nèi)部清潔,簡(jiǎn)單維修,檢驗(yàn)合格后可以再次投人運(yùn)行。
3 )燃弧時(shí)間500ms,損壞嚴(yán)重,開(kāi)關(guān)柜更換部件大修,重新使用前需經(jīng)全部試驗(yàn)合格,嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)柜報(bào)廢更換設(shè)備。
可見(jiàn)從保護(hù)開(kāi)關(guān)柜,減小設(shè)備損壞考慮,保護(hù)動(dòng)作切除故障時(shí)間應(yīng)小于100ms。
(2)傳統(tǒng)保護(hù)及其局限性。
目前普遍采用的中壓開(kāi)關(guān)柜母線保護(hù)方案包括以下3種:
1)變壓器后備過(guò)流保護(hù)方案。這是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用開(kāi)關(guān)柜母線保護(hù)方案,由于考慮到與饋線和母線分段開(kāi)關(guān)的階梯時(shí)差配合原則,以致到進(jìn)線開(kāi)關(guān)時(shí)延已達(dá)1.0s~1.4s,甚至更長(zhǎng) [2] 。 顯然,不滿足快速切除故障要求。
2)饋線速斷保護(hù)閉鎖的變壓器后備過(guò)流保護(hù),保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為300-400ms,仍不滿足100ms內(nèi)切除故障要求。
3)高阻抗母線保護(hù)方案,保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為一般為35-60ms。因成本技術(shù)原因,不適合中壓系統(tǒng)使用??梢?jiàn)目前的傳統(tǒng)保護(hù),不能滿足100ms內(nèi)快速切除電弧故障的要求。
(3)另一方面,雖然國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3906-2006和國(guó)家電網(wǎng)公司設(shè)備招標(biāo)技術(shù)要求規(guī)定開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部燃弧試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不小于0.5s,由于電力設(shè)備制造行業(yè)過(guò)度競(jìng)爭(zhēng),產(chǎn)品價(jià)格低廉,當(dāng)燃弧時(shí)間由0.1s提供到0.5s,成本需大幅提高。另外,現(xiàn)場(chǎng)事故已經(jīng)暴露了開(kāi)關(guān)柜在內(nèi)部故障方面的實(shí)際性能。一般廠家提供的運(yùn)行設(shè)備還達(dá)不到型式試驗(yàn)柜的標(biāo)準(zhǔn),所以僅靠開(kāi)關(guān)柜自身難以抵抗燃弧故障破壞。
可見(jiàn),目前解決電弧光危害的方法,是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)快速切斷故障電源。在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)加裝弧光保護(hù)裝置,當(dāng)柜內(nèi)有微小弧光時(shí),迅速切斷進(jìn)線電源,使故障盡早發(fā)現(xiàn),將故障限定在小范圍內(nèi),盡可能減小損失。
3 弧光保護(hù)
3.1 弧光保護(hù)原理
弧光保護(hù)系統(tǒng)使用光纖監(jiān)測(cè)電弧光信號(hào),配合過(guò)流判斷故障,其快速繼電器出口一般小于2.5ms,加上斷路器動(dòng)作時(shí)間30-50ms,能在100ms內(nèi)迅速切除故障,保護(hù)開(kāi)關(guān)設(shè)備。
3.2 弧光保護(hù)裝成
弧光保護(hù)主要有主控單元、弧光檢測(cè)輔助單元、過(guò)流檢測(cè)輔助
單元、弧光檢測(cè)、數(shù)據(jù)線和光纖組成。
3.3 弧光保護(hù)用途
?。?)用于中壓開(kāi)關(guān)柜母線系統(tǒng)保護(hù)
國(guó)內(nèi)6-35 kV 母線一般不配置母線保護(hù),采用弧光保護(hù)系統(tǒng)用于母線保護(hù),可以彌補(bǔ)該缺陷,其功能和作用*等同并優(yōu)于現(xiàn)有各種原理的母差保護(hù),可以保護(hù)整段母線。目前,國(guó)內(nèi)中壓系統(tǒng)使用的弧光保護(hù)主要應(yīng)用于母線保護(hù)。
?。?)用于中壓饋線柜保護(hù)
以檢測(cè)到電弧光作為判據(jù),也可與過(guò)流保護(hù)配合,在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)單相對(duì)地燃弧時(shí)就發(fā)出跳閘信號(hào),及早斷開(kāi)斷路器,減小事故損失。
3.4 弧光保護(hù)應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)
電弧光保護(hù)裝置關(guān)鍵技術(shù)主要包括:
(1)電子設(shè)備穩(wěn)定性及抗干擾技術(shù);
(2)傳感器及其信號(hào)處理技術(shù);
(3)故障電流快速識(shí)別技術(shù);
(4)故障快速跳閘信號(hào)輸出及一次設(shè)備快速開(kāi)斷技術(shù);
(5)弧光故障初期單相燃弧接地狀態(tài)的預(yù)警技術(shù)。
4 弧光保護(hù)應(yīng)用現(xiàn)狀
弧光保護(hù)在歐美國(guó)家得到了比較廣泛的應(yīng)用,在一些國(guó)家甚至已成為中低壓開(kāi)關(guān)柜的標(biāo)準(zhǔn)配置 [5] 。國(guó)內(nèi)電弧光保護(hù)裝置應(yīng)用,正從發(fā)電企業(yè)逐步擴(kuò)展到供電企業(yè)。自2011年起,南方電網(wǎng)的如云南、貴州,國(guó)家電網(wǎng)的如江蘇、浙江、山東、湖北省公司等省公司,均選擇變電站進(jìn)行試點(diǎn),作為10kV和35kV母線的快速保護(hù)。2009年以來(lái),國(guó)內(nèi)已有南京、武漢天津多家企業(yè)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的弧光保護(hù)系列產(chǎn)品,如南京南瑞繼保電氣開(kāi)發(fā)的PCS-9656電弧光保護(hù)系統(tǒng);自主研發(fā)了紫外光弧光傳感器,解決了普通光纖弧光傳感器容易受干擾光影響的問(wèn)題。弧光保護(hù)在實(shí)際應(yīng)用中也存在問(wèn)題,如缺乏產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程的支撐,產(chǎn)品的電子裝置過(guò)于復(fù)雜,部分謹(jǐn)慎用戶只投運(yùn)保護(hù)裝置而不投入保護(hù)輸出等,弧光保護(hù)產(chǎn)品在技術(shù)層面還具有一定的提升空間。
5、安科瑞弧光保護(hù)裝置功能及選型
5.1裝置簡(jiǎn)介
ARB5系列弧光保護(hù)裝置是安科瑞電氣股份有限公司在總結(jié)了現(xiàn)有產(chǎn)品運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,混合了國(guó)內(nèi)外技術(shù),采用基于ARM9內(nèi)核的32位閃存微控制器,根據(jù)中國(guó)電力系統(tǒng)不斷發(fā)展的需求研制和生產(chǎn)的適用于中低壓等級(jí)電網(wǎng)的弧光故障迅速切除裝置。其外觀時(shí)尚、大屏幕液晶顯示,圖形化多語(yǔ)言菜單,操作快捷方便;具有強(qiáng)大的功能集成:集保護(hù)、測(cè)量、控制、監(jiān)測(cè)、通訊、故障錄波、事件記錄等多種功能于一體,準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)弧光信號(hào),保護(hù)電流;在線記錄事件量達(dá)256條,進(jìn)出(FIFO)動(dòng)態(tài)刷新,帶有時(shí)間標(biāo)記,掉電不丟失。支持IEC61850通信功能(MMS)和GOOSE通信功能,實(shí)現(xiàn)與IEC61850站控層無(wú)縫連接,強(qiáng)大的GOOSE跳閘、GOOSE網(wǎng)絡(luò)聯(lián)鎖功能及可視化的可編程邏輯軟件優(yōu)化了二次接線,IRIG-B、SNTP、PPS等多種對(duì)時(shí)方式確保全站時(shí)鐘的統(tǒng)一。ARB5-E擴(kuò)展單元開(kāi)關(guān)柜就地安裝,ARB5-M主控單元可以就地安裝也可以組屏安裝,是構(gòu)成智能電網(wǎng)的理想元件。
中、低壓母線發(fā)生短路故障時(shí),所產(chǎn)生的電弧光對(duì)設(shè)備及人員會(huì)造成的傷害。在電力系統(tǒng)中,由于下列原因可能在開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)造成短路故障并產(chǎn)生電弧光:
設(shè)備故障
人為錯(cuò)誤操作或錯(cuò)誤接線
絕緣材料老化和機(jī)械磨損
灰塵、溫度、濕度、腐蝕等環(huán)境因素
電纜接頭制作不良
過(guò)電壓
其他原因(動(dòng)物鼠害等)
電弧光一旦產(chǎn)生,其危害程度取決于電弧光電流及切除時(shí)間,電弧產(chǎn)生的能與I²t成指數(shù)規(guī)律快速上升。只有在短時(shí)間內(nèi)切除故障才能使設(shè)備不遭受損害。若總切除時(shí)間大于100ms,輕則設(shè)備局部燒損,重則造成光柜爆炸以及人員傷亡,還可能引發(fā)火災(zāi)。
5.2主要特點(diǎn)及功能
?。?)高度集成:集保護(hù)、測(cè)量、控制、監(jiān)測(cè)、通訊、錄波、事件記錄等多種功能于一體。
(2)弧光保護(hù)功能:搭配ARB5-S弧光傳感器,通過(guò)保護(hù)裝置之間的配合,可以方便實(shí)現(xiàn)弧光保護(hù)功能而不用增加其它任何成本,大大提升了產(chǎn)品性價(jià)比。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境光強(qiáng),ARB5-S弧光傳感器動(dòng)作閾值可設(shè),可根據(jù)不同場(chǎng)合設(shè)定不同動(dòng)作值。
?。?)擴(kuò)展功能:同一插槽位置可配置不同功能板件,很方便實(shí)現(xiàn)開(kāi)入、開(kāi)出等通道的擴(kuò)展。
?。?)通訊功能:采用獨(dú)立的ARM9通信處理器進(jìn)行通訊管理,可提供1路RS485、2路以太網(wǎng)通訊接口、1路打印RS232接口和1路IRIG-B碼對(duì)時(shí)接口;通訊協(xié)議支持IEC61850、modbus RTU、modbus TCP、IEC103,可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、保護(hù)定值設(shè)定及查詢、裝置工作狀態(tài)、SOE事件記錄、錄波數(shù)據(jù)等傳輸功能。
?。?)自檢功能:具備軟、硬件實(shí)時(shí)自檢、硬件配置自動(dòng)識(shí)別與報(bào)警功能、光纖回路鏈路狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和斷鏈報(bào)警功能。
?。?)可編程邏輯功能:各保護(hù)功能、繼電器、開(kāi)入量具有邏輯組態(tài)功能,用戶可以現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)需要來(lái)進(jìn)行設(shè)定:保護(hù)動(dòng)作出口和信號(hào)輸出可自由整定、開(kāi)入量可通過(guò)設(shè)定實(shí)現(xiàn)非電量保護(hù)功能和閉鎖保護(hù)功能。
?。?)友好人機(jī)界面:大屏幕圖形液晶顯示,動(dòng)態(tài)顯示一次系統(tǒng)圖、實(shí)時(shí)波形圖、故障錄波圖、各種電氣參數(shù)及保護(hù)信息,多語(yǔ)言菜單切換,操作快捷方便。
?。?)故障錄波功能:采用COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)錄波格式,可記錄20個(gè)錄波報(bào)告,可將故障前、故障中、故障后的電流、電壓、斷路器狀態(tài)和保護(hù)信息完整真實(shí)記錄下來(lái),為用戶進(jìn)行故障分析提供依據(jù)。
?。?)故障自動(dòng)推畫(huà)面功能:當(dāng)保護(hù)動(dòng)作或者有告警信息時(shí),裝置自動(dòng)彈出畫(huà)面,提示用戶動(dòng)作或者告警的保護(hù)。
?。?0)調(diào)試接口:裝置具有專門(mén)的以太網(wǎng)調(diào)試接口,通過(guò)配置軟件,可以就地和遠(yuǎn)方實(shí)現(xiàn)程序升級(jí)、定值設(shè)定、故障分析,提高了用戶的使用和維護(hù)方便性,提高了工作效率。
(11)電磁兼容:裝置強(qiáng)弱電嚴(yán)格分開(kāi),采取硬件、軟件抗干擾措施,裝置的抗干擾能力大大提高,對(duì)外電磁輻射滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
(12)全封閉機(jī)箱:采用全封閉半層4U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱,機(jī)箱較小,既適合集中組屏安裝,也可開(kāi)關(guān)柜分散安裝;*機(jī)箱設(shè)計(jì)方便拼接。
5.3裝置尺寸
ARB5-M和ARB5-E機(jī)箱尺寸一致
5.4選型表
項(xiàng)目名稱: 訂貨數(shù)量:
注:1、*表示可選附件,需要另外增加費(fèi)用1500元。
2、主控板和采集板數(shù)量之和不能大于4。
3、弧光探頭到采集板的長(zhǎng)度不能超過(guò)20米。
4、如有特殊要求,請(qǐng)?zhí)貏e注明。
訂貨示例:
主控單元支持1塊弧光主控板信號(hào)接收,同時(shí)本身自帶9個(gè)弧光探頭的采集信號(hào);
二次額定相電流為5A,裝置電源和開(kāi)入電源為DC110V;
支持GOOSE通訊。
根據(jù)選型表,確定型號(hào)為:ARB5-M 12512。
6、結(jié)語(yǔ)
自從弧光保護(hù)裝置引入我國(guó),通過(guò)引進(jìn)產(chǎn)品及自主研發(fā),作為中壓母線保護(hù)的重要方式,正在電力領(lǐng)域發(fā)揮作用?;」獗Wo(hù)改進(jìn)了傳統(tǒng)繼電保護(hù)的概念和理念,與傳統(tǒng)保護(hù)比較具有不可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì),并給電力企業(yè)和電力用戶帶來(lái)安全的效益和經(jīng)濟(jì)效益。
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溫馨提示:為規(guī)避購(gòu)買(mǎi)風(fēng)險(xiǎn),建議您在購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品前務(wù)必確認(rèn)供應(yīng)商資質(zhì)及產(chǎn)品質(zhì)量。