宋兵兵
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：本文介紹了6-35kV中壓開關(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)，同時還介紹了弧光保護(hù)應(yīng)用現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞：中壓開關(guān)柜；電弧光保護(hù)； 母線保護(hù)
0 概述
6kV-35kV中壓成套開關(guān)柜作為供電系統(tǒng)的樞紐，由于開關(guān)柜尺寸較小、絕緣損壞、產(chǎn)品缺陷等導(dǎo)致開關(guān)柜內(nèi)電弧故障，該類事故危害性高，嚴(yán)重的造成開關(guān)柜燒毀、人員傷亡和用戶長期停電。所以，當(dāng)發(fā)生開關(guān)柜電弧故障時是能否迅速切除故障，對變電站配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。另一方面，用戶對供電的可靠性要求也越來越髙，基于以上原因，有必要對中壓開關(guān)柜裝設(shè)專用快速母線保護(hù)-弧光保護(hù)。
1 6-35kV開關(guān)柜電弧故障原因及危害
6-35kV中壓開關(guān)柜在電力系統(tǒng)中常見故障有過流、過壓、短路、電弧等，其中以電弧故障對人身安全和設(shè)備危害很大。在我國由于電弧短路事故造成的中壓開關(guān)柜嚴(yán)重?zé)龤鹿蕰r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、開關(guān)柜金屬活門熔化，本柜燒毀報廢，相鄰開關(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)，位于開關(guān)柜柜頂處的穿墻套管處絕緣擊穿，母線相對地電弧短路故障，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
引起開關(guān)柜內(nèi)部電弧短路故障的主要原因有：
（1）開關(guān)柜使用的導(dǎo)電體性能不良。
（2）元件損壞，開關(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。
（3）絕緣材料損壞, 主要有絕緣材料缺陷（如裂痕），投運(yùn)年限長久的開關(guān)柜因絕緣件老化，最終造成絕緣損壞導(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。
（4）人或者動物誤入，如小動物進(jìn)入開關(guān)柜內(nèi)部，接觸到帶電體導(dǎo)致故障。
（5）施工（維修）人員將工（器）具遺忘或誤放在開關(guān)柜內(nèi)，導(dǎo)致故障。
（6）操作過程的失誤，如未按正確程序停電、驗(yàn)電、接地操作，走錯間隔等。
（7）單相接地、諧振、雷電等造成的系統(tǒng)過電壓。
（8） 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開關(guān)柜電弧故障的危害
開關(guān)柜內(nèi)電弧短路故障的危害主要造成開關(guān)設(shè)備及鄰近配電設(shè)備的損壞和對現(xiàn)場工作人員的傷害。
（1）中壓開關(guān)柜電弧短路故障對設(shè)備的危害當(dāng)中壓開關(guān)柜發(fā)生電弧故障時, 瞬時功率可達(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時間的作用下，開關(guān)柜自身會損毀，變壓器會受到嚴(yán)重沖擊或損壞 ，由于故障往往未得到及時切除，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”多組開關(guān)柜同時燒毀。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。
（2）中壓開關(guān)柜電弧短路故障對人的危害當(dāng)開關(guān)柜發(fā)生內(nèi)部電弧故障時，對附近的工作人員危險性很大。電弧爆炸散發(fā)出大量的熱能輻射和飛濺的熔化金屬，造成的是最嚴(yán)重的傷害；弧光的光強(qiáng)約9000LUX，而人眼感受到的光強(qiáng)約300LUX，很容易使人的眼睛刺傷，暫時性失明；電弧爆炸火災(zāi)產(chǎn)生的巨大的聲響，對人的聽覺造成傷害，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)國內(nèi)外試驗(yàn)研究，燃弧時間與造成開關(guān)柜損壞程度關(guān)系如下：
1）燃弧時間＜35ms，無顯著損壞，開關(guān)柜經(jīng)絕緣檢測試驗(yàn)合
格后一般可以投人使用。
2）燃弧時間＜100ms，損壞較小，開關(guān)柜經(jīng)內(nèi)部清潔，簡單維
修，檢驗(yàn)合格后可以再次投人運(yùn)行。
3 ）燃弧時間500ms，損壞極其嚴(yán)重，開關(guān)柜必須更換部件徹底大
修，重新使用前需經(jīng)全部試驗(yàn)合格，嚴(yán)重的開關(guān)柜報廢更換新設(shè)備。
可見從保護(hù)開關(guān)柜，減小設(shè)備損壞考慮，保護(hù)動作切除故障時
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關(guān)柜母線保護(hù)方案包括以下3種：
1）變壓器后備過流保護(hù)方案。這是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的開關(guān)柜母線保護(hù)方案，由于考慮到與饋線和母線分段開關(guān)的階梯時差配合原則，以致到進(jìn)線開關(guān)時延已達(dá)1.0s～1.4s，甚至更長 [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流保護(hù),保護(hù)動作時間為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)動作時間為一般為35-60ms。因成本技術(shù)原因，不適合中壓系統(tǒng)使用�？梢娔壳暗膫鹘y(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，雖然國家標(biāo)準(zhǔn)GB3906-2006和國家電網(wǎng)公司設(shè)備招標(biāo)技術(shù)要求規(guī)定開關(guān)柜內(nèi)部燃弧試驗(yàn)持續(xù)時間不小于0.5s，由于電力設(shè)備制造行業(yè)過度競爭，產(chǎn)品價格低廉，當(dāng)燃弧時間由0.1s提供到0.5s,成本需大幅提高。另外，現(xiàn)場事故已經(jīng)暴露了開關(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)，所以僅靠開關(guān)柜自身難以抵抗燃弧故障破壞。
可見，目前解決電弧光危害的最有效方法，是在規(guī)定時間內(nèi)快速切斷故障電源。在開關(guān)柜內(nèi)加裝弧光保護(hù)裝置，當(dāng)柜內(nèi)有微小弧光時，迅速切斷進(jìn)線電源，使故障盡早發(fā)現(xiàn)，將故障限定在最小范圍內(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)測電弧光信號，配合過流判斷故障，其快速繼電器出口一般小于2.5ms，加上斷路器動作時間30-50ms，能在100ms內(nèi)迅速切除故障，有效保護(hù)開關(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、弧光檢測輔助單元、過流檢測輔助
單元、弧光檢測、數(shù)據(jù)線和光纖組成。
3.3 弧光保護(hù)用途
（1）用于中壓開關(guān)柜母線系統(tǒng)保護(hù)
國內(nèi)6-35 kV 母線一般不配置專用母線保護(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，其功能和作用完全等同并優(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)。
（2）用于中壓饋線柜保護(hù)
以檢測到電弧光作為判據(jù)，也可與過流保護(hù)配合，在開關(guān)柜內(nèi)單相對地燃弧時就發(fā)出跳閘信號，及早斷開斷路器，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)傳感器及其信號處理技術(shù)；
(3)故障電流快速識別技術(shù)；
(4)故障快速跳閘信號輸出及一次設(shè)備快速開斷技術(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)在歐美國家得到了比較廣泛的應(yīng)用，在一些國家甚至已成為中低壓開關(guān)柜的標(biāo)準(zhǔn)配置 [5] 。國內(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，國內(nèi)已有南京、武漢天津多家企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)具有自主知識產(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題�；」獗Ｗo(hù)在實(shí)際應(yīng)用中也存在問題，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，融合了國內(nèi)外先進(jìn)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電網(wǎng)的弧光故障迅速切除裝置。其外觀時尚、大屏幕液晶顯示，圖形化多語言菜單，操作快捷方便；具有強(qiáng)大的功能集成：集保護(hù)、測量、控制、監(jiān)測、通訊、故障錄波、事件記錄等多種功能于一體,準(zhǔn)確實(shí)時監(jiān)測弧光信號，保護(hù)電流；在線記錄事件量達(dá)256條，先進(jìn)先出（FIFO）動態(tài)刷新，帶有時間標(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等多種對時方式確保全站時鐘的統(tǒng)一。ARB5-E擴(kuò)展單元開關(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，所產(chǎn)生的電弧光對設(shè)備及人員會造成極大的傷害。在電力系統(tǒng)中，由于下列原因可能在開關(guān)設(shè)備內(nèi)造成短路故障并產(chǎn)生電弧光：
設(shè)備故障
人為錯誤操作或錯誤接線
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
過電壓
其他原因（動物鼠害等）
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間，電弧產(chǎn)生的能量與I2t成指數(shù)規(guī)律快速上升。只有在極短時間內(nèi)切除故障才能使設(shè)備不遭受損害。若總切除時間大于100ms，輕則設(shè)備局部燒損，重則造成開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
（1）高度集成：集保護(hù)、測量、控制、監(jiān)測、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)品性價比。實(shí)時監(jiān)測環(huán)境光強(qiáng)，ARB5-S弧光傳感器動作閾值可設(shè)，可根據(jù)不同場合設(shè)定不同動作值。
（3）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)開入、開出等通道的擴(kuò)展。
（4）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碼對時接口；通訊協(xié)議支持IEC61850、modbus RTU、modbus TCP、IEC103，可實(shí)現(xiàn)遙測、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。
（5）自檢功能：具備軟、硬件實(shí)時自檢、硬件配置自動識別與報警功能、光纖回路鏈路狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測和斷鏈報警功能。
（6）可編程邏輯功能：各保護(hù)功能、繼電器、開入量具有邏輯組態(tài)功能，用戶可以現(xiàn)場根據(jù)需要來進(jìn)行設(shè)定：保護(hù)動作出口和信號輸出可自由整定、開入量可通過設(shè)定實(shí)現(xiàn)非電量保護(hù)功能和閉鎖保護(hù)功能。
（7）友好人機(jī)界面：大屏幕圖形液晶顯示，動態(tài)顯示一次系統(tǒng)圖、實(shí)時波形圖、故障錄波圖、各種電氣參數(shù)及保護(hù)信息，多語言菜單切換，操作快捷方便。
（8）故障錄波功能：采用COMTRADE標(biāo)準(zhǔn)錄波格式，可記錄20個錄波報告，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，為用戶進(jìn)行故障分析提供依據(jù)。
（9）故障自動推畫面功能：當(dāng)保護(hù)動作或者有告警信息時，裝置自動彈出畫面，提示用戶動作或者告警的保護(hù)。
（10）調(diào)試接口：裝置具有專門的以太網(wǎng)調(diào)試接口，通過專用配置軟件，可以就地和遠(yuǎn)方實(shí)現(xiàn)程序升級、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，采取硬件、軟件抗干擾措施，裝置的抗干擾能力大大提高，對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)箱深度較小，既適合集中組屏安裝，也可開關(guān)柜分散安裝；獨(dú)特機(jī)箱設(shè)計方便拼接。
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度不能超過20米。
4、如有特殊要求，請?zhí)貏e注明。
訂貨示例：
主控單元支持1塊弧光主控板信號接收，同時本身自帶9個弧光探頭的采集信號；
二次額定相電流為5A，裝置電源和開入電源為DC110V；
支持GOOSE通訊。
根據(jù)選型表，確定型號為：ARB5-M 12512。
6、結(jié)語
自從弧光保護(hù)裝置引入我國，通過引進(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)揮積極作用�；」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)勢和成本優(yōu)勢,并給電力企業(yè)和電力用戶帶來安益和經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)：
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[4]智能電網(wǎng)用戶端電力監(jiān)控/電能管理/電氣安全產(chǎn)品報價手冊.2020.06月版.
作者簡介：
宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)榻^緣監(jiān)測及剩余電流監(jiān)測， QQ：3007723194 手機(jī)：13482141563（微信同號）
