电弧光保护系统及应用分析

2010-04-10高卫东

山西电力 2010年6期

高卫东

(山西省送变电工程公司,山西太原 030012)

0 引言

随着我国电力系统的发展,6～35 kV开关柜的应用数量越来越多,由开关柜弧光短路故障引发低压母线故障日益增多,弧光短路严重烧毁开关设备的事故时有发生,主变压器由于遭受外部短路电流冲击损坏的事故也逐年增加,这些事故若处理不当甚至会扩大发展为输电网事故,造成重大经济损失。

开关柜IEC298标准规定内部燃弧耐受时间是100 ms,即开关柜可承受的电弧燃烧时间为100 ms。发生弧光故障,在断路器动作跳闸切断故障前,短路电弧一直在燃烧,电弧燃烧的持续时间为保护动作时间加断路器跳闸时间之和。从开关柜方面考虑,要求保护动作时间应小于100 ms切除故障,以防止弧光短路故障进一步发展扩大造成更大的损害。对于变压器规定110 kV及以上电压等级的变压器热稳定允许时间为2.0 s,动稳定时间为0.25 s[1]。实际由于灵敏度等原因,变电站低压侧出口短路依靠主变压器后备过流保护切除故障的动作时间往往在2 s以上,离0.25 s的变压器动稳定时间相差甚远,由此造成主变压器的损坏,同时危及母线、开关等设备。

因此,为保证主变压器及母线、开关等设备的安全运行,有必要在变电站低压开关柜装设快速、可靠的保护装置。

1 电弧光产生的原因及特点

当两电极间电压升高时,在电极最近处空气中的正负离子被电场加速,在移动的过程中与其他空气分子碰撞产生新的离子,这种离子大量增加的现象称为 “电离”。空气被电离的同时,温度随之急剧上升产生电弧,这种放电称为电弧光放电。电弧光放电一般不需要很高的电压,属于低电压大电流放电。它产生的条件是小间隙和大电流,如果增加间隙或减小电流,电弧将会消失。产品因绝缘损坏、元件老化、过电压、污染、腐蚀、柜体结构不合理、维护不到位、人为失误等因素均可导致故障电弧光的产生。故障电弧发展迅速、破坏力大、极易传播,电弧中心温度超过10 000℃,弧光的光强度可超过正常的照明光强2 000倍。当发生电弧光短路故障时有两个显著特征:电流增大,光强增大。

2 电弧光保护介绍

电弧光保护是根据35 kV及以下开关柜故障时的特征而开发的保护装置,它采用检测弧光和过流双判据原理,具有原理简单、动作可靠迅速、对变电站一次设备无特殊要求、适应各种运行方式、且在各种运行方式下保护不需要切换等优点,是变电站低压开关柜很好的保护配置。

本文主要以Rizner-EagleEye光电式电弧光保护系统为例来介绍,该电弧光保护系统使用光纤检测电弧光信号,配合过流判据,其快速继电器 (采用可控硅开关)出口时间小于1 ms,而常规继电器出口时间小于8 ms,如果加上断路器35～60 ms的跳闸时间,即能够有效保护主变压器及母线、开关等设备。

2.1 电弧光保护系统主要特点

a)采用弧光检测及过流检测双判据原理,动作可靠。

b)弧光检测采用无源弧光探头,光纤传输长达100 m,抗电磁干扰能力强。

c)采用光纤传输跳闸指令,可控硅开关出口,动作时间小于1 ms。

d)显示故障位置,便于故障处理,极大提高恢复供电速度。

2.2 系统组成

主要由主控单元、弧光单元、电流单元组成,单元之间用光缆线和数据传输线连接。电弧光保护系统采用微处理器控制系统功能,通过编程可匹配不同的运行方式。

2.3 各单元功能

2.3.1 主控单元

管理控制整个系统,主控单元通过检测过电流和弧光动作信号,对收集的数据进行处理、判断,发出跳闸信号以切除故障。系统只有同时检测到弧光和过流时才发出跳闸命令。仅有弧光动作信号或者过电流信号,系统不会输出跳闸命令,但是在主控单元上会显示报警信号。

主控单元具备可编程逻辑功能,可直接操作4个断路器。通过快速继电器能够同时操作更多的断路器。主控单元有4个数据传输接口,每个接口可联结6个弧光或电流单元,共可接24个弧光或电流单元。所有接口都能用不同的参数编程。通过主控单元中的显示,可以准确判断电弧光和过流的位置。

2.3.2 弧光单元

通过安装在开关柜内的弧光传感器 (弧光探头),把弧光信号转换为电信号输出至主控单元,作为保护动作的一个判据。

2.3.3 电流单元

通过对进线电流的检测,把过电流信号输出至主控单元,作为保护动作的一个判据。

3 实际应用分析

3.1 某变电站35 kV系统电弧光保护配置

如图1所示。

35 kVⅠ段、Ⅱ段各配置一套电弧光保护装置BH1和BH2,两套保护之间采用光纤通讯联系。

图1 电弧光保护配置图

两套保护装置BH1和BH2分别安装于1号及2号主变35 kV开关柜内,BH1电流取自1号主变35 kV侧电流互感器,BH2电流取自2号主变35 kV侧电流互感器。

电弧光传感器安装在各开关柜母线室内,以确保母线室内发生任何弧光故障时都能感受弧光,发出动作信号。

3.2 电弧光保护动作逻辑分析

图2为一台电弧光保护装置逻辑图,对侧另一台弧光保护装置逻辑图与此相同。

图2 电弧光保护装置逻辑图

动作分析如下。

本侧弧光信号动作,H1动作,同时本侧过流起动,Y2动作,通过快速接点 (可控硅开关)跳进线开关。

对侧弧光信号动作输入本装置,同时本侧过流起动,Y1动作,通过快速接点 (可控硅开关)跳分段开关。

本侧弧光信号动作、对侧弧光信号动作、本侧过流起动任一条件满足,H2动作,装置发弧光或过流报警信号。

本侧弧光信号动作,H1动作,经SC1把该信号通过光纤传至对侧弧光保护装置,作为对侧弧光保护动作的一个判据。

3.3 不同运行方式下保护动作分析

如图3所示。

图3 电弧光保护装置动作示意图

3.3.1 运行方式一

1DL、3DL合位,2DL分位,由1号变带Ⅰ、Ⅱ段母线。

如故障发生在K2处,1号保护装置BH1收到2号保护装置BH2发来的Ⅱ段弧光动作信号,同时本侧过流起动,保护跳3DL切除故障。BH2由于本侧电流不起动,保护不动作。动作结果是切除Ⅱ段母线,Ⅰ段正常供电。

如故障发生在K1处,1号保护装置BH1收到本侧发的Ⅰ段弧光动作信号,同时本侧过流起动,保护跳1DL切除故障。BH2由于本侧电流不起动,保护不动作。动作结果是切除Ⅰ、Ⅱ段母线。

3.3.2 运行方式二

2DL、3DL合位,1DL分位,由2号变带Ⅰ、Ⅱ段母线。

如果故障发生在K1处,2号保护装置BH2收到1号保护装置BH1发来的Ⅰ段弧光动作信号,同时本侧过流起动,保护跳3DL切除故障。BH1由于本侧电流不起动,保护不动作。动作结果是切除Ⅰ段母线,Ⅱ段正常供电。

如果故障发生在K2处,2号保护装置BH2收到本侧发的Ⅱ段弧光动作信号,同时本侧过流起动,保护跳2DL切除故障。BH1由于本侧电流不起动,保护不动作。动作结果是切除Ⅰ、Ⅱ段母线。

3.3.3 运行方式三

1DL、2DL、3DL合位,由1号、2号变同时带Ⅰ、Ⅱ段母线。

如果故障发生在K1处,2号保护装置BH2收到1号保护装置BH1发来的Ⅰ段弧光动作信号,同时本侧过流起动,保护动作跳3DL;1号保护装置BH1收到本侧发的Ⅰ段弧光动作信号,同时本侧过流起动,保护动作跳1DL。动作结果是切除Ⅰ段母线,Ⅱ段正常供电。

如果故障发生在K2处,1号保护装置BH1收到2号保护装置BH2发来的Ⅱ段弧光动作信号,同时本侧过流起动,保护动作跳3DL;2号保护装置BH2收到本侧发的Ⅱ段弧光动作信号,同时本侧过流起动,保护动作跳2DL。动作结果是切除Ⅱ段母线,Ⅰ段正常供电。

可见,在各种运行方式下,电弧光保护装置具有很好的选择性,可以快速地切除故障点,同时保证正常母线供电。

4 电弧光保护的整定及应用注意事项

4.1 整定

本保护装置有两个定值,即过电流定值、光强度定值。

过电流定值通过装置面板上的电位器整定,整定范围是 (50%～500%)×In,In为电流互感器二次额定电流值,装置的额定电流可以设置为5 A或1 A。低压侧母线发生故障时短路电流可达到几千乃至上万安培电流,出厂推荐定值为250%×In。

光强度定值通过装置面板上的电位器整定,整定范围是10～50 klux(lux勒克司,照度单位,为距离一个光强1 cd的光源,在1 m处接受的照明强度)。当开关柜发生弧光短路时,光强度可达到100 klux,出厂推荐定值为30 klux。当对保护装置进行试验时,可将定值调为10 klux,此时用强光手电筒近距离照射弧光传感器探头,可发出弧光动作信号,试验完毕应将定值调回。