电弧光保护系统在20 kV母线保护中的应用

方景辉，徐俞音，朱晓峰，徐伟明

（嘉兴恒创电力设计研究院，浙江嘉兴314033）

电弧光保护系统在20 kV母线保护中的应用

方景辉，徐俞音，朱晓峰，徐伟明

（嘉兴恒创电力设计研究院，浙江嘉兴314033）

为有效提高20 kV配电网供电可靠性，有必要对20 kV母线保护方案加以探索和改进。在分析比较现有20 kV母线保护方案的基础上，提出了电弧光保护方案并阐述了其基本原理和系统组成。结合嘉兴110 kV金沙变电站工程实例，分析探讨了20 kV双单母接线、单母四（六）分段环形接线等3种情况下电弧光保护系统的各种配置方案，得出20 kV母线典型接线方式下最优配置方式。

20 kV；母线；电弧光保护；分段环形接线

20 kV电网具备输送能力大、供电范围广、运行损耗低、电能质量好等优点，在减少变电站布点、线路廊道占用，大幅降低网损、促进节能减排等方面起到了很好的示范性作用。在国际上，美国以及德国、法国、意大利等80%的欧洲国家采用20～25 kV作为城市供电的中低压配电电压。在国内，20 kV电网刚刚起步，在建设、改造与运行过程中必然会遇到不少问题，为有效提高20 kV配电网供电可靠性，有必要加强20 kV母线保护的力度。以EagleEye电弧光保护系统为例，探讨其在金沙变20 kV母线保护中的运用。

1 20 kV母线保护方案及存在问题

针对20 kV开关柜内部弧光故障（相当于20 kV母线故障），大都以主变后备过流保护为主保护，但由于过流保护为保证其选择性，动作时限需要按照阶梯原则配合，故障切除时间过长（1．5～2 s），而开关柜额定耐受电弧时间只有100 ms。为加快切除20 kV母线故障的速度，可考虑母差保护，但由于母差保护存在接线复杂、对TA（电流互感器）要求高、保护范围受到TA安装位置限制以及价格高等问题，也不太适合广泛应用于20 kV母线保护中。

电弧光保护是基于开关柜内故障时产生弧光的原理而设计的母线保护系统，澳大利亚RIZNER公司生产的EagleEye电弧光保护系统自1997年投放市场后成功地在芬兰、瑞典、挪威及俄罗斯等国广泛使用，国内也已引进弧光保护产品。

2 电弧光保护机理分析

2.1 电弧光保护的基本原理

电弧光保护主要动作依据为故障产生的2个变量：弧光及电流增量。当同时检测到弧光和电流增量时才会发出跳闸命令；当只检测到弧光或者电流增量时只发出报警信号，不发出跳闸指令。电弧光保护的特点：

（1）动作迅速可靠。保护系统在1 ms内发出跳闸信号，使开关柜内电弧光故障总切除时间控制在100 ms以内，通过检测弧光信号和过电流闭锁的双判据原理，实现了保护的可靠动作。

（2）故障定位准确。系统根据传感器安装位置上显示故障发生的位置，实现分区保护。

（3）抗干扰能力强。系统采用无源弧光传感器和光纤星形连接方式，因此抗干扰能力强。

（4）配置灵活、适应性强。通过对弧光和过电流动作信号的灵活编程，可对各段母线提供选择性保护，适用于不同类型的接线和运行方式。

2.2 EagleEye电弧光保护系统的组成

2.2.1 MU（主控单元）

主控单元用于管理、控制整套电弧光保护系统。它检测故障电流和弧光信号并进行处理、判断，在弧光故障时发出跳闸指令。主控单元可选用4个数据输入接口和16路光输入口，共4+16个弧光检测接口，输出接口包括4路快速跳闸输出和6路常规继电器跳闸输出。

2.2.2 CR（电流单元）

电流单元用于检测A，B，C三相过电流信号，它可以匹配1 A，2 A和5 A的TA，过电流整定值可在50%～500%间内选择。当电流单元感受到过电流后，通过光纤和数据线传输至主控单元，主控单元依据设定的逻辑判断是否发出跳闸命令。

2.2.3 ARC（弧光单元）

主控单元可选用16路的弧光检测接口（由弧光传感器输入）。若检测点超过16个，可使用弧光单元，弧光单元检测到的信号（共10路）通过光纤和数据线传输至主控单元。

2.2.4 FLS（弧光传感器）

专用于母线保护的无源弧光传感器安装在开关柜母线室内探测弧光的光感应元件。当发生电弧光故障时，光强度大幅度增加，弧光传感器将光信号传送给主控单元或弧光单元，弧光传感器的感光强度可调节，调节范围为10～50 kLux。

3 电弧光保护的应用

3.1 双单母接线

双单母接线是单台主变下20 kV出线的典型接线。双单母需考虑安装弧光传感器的间隔数应在20个左右（已考虑后期扩容情况），如图1所示。在此方式下，若主控单元自带16路弧光检测口时，加上通过光传输口L1和L2进装置的2路光信号，最多可接18路光信号，但L1与L2被占用后会限制装置的功能，因此当弧光信号输入超过16个时，推荐采用弧光单元。综合考虑，双单母接线配置1个主控单元和1个弧光单元比较合适，主控单元需接两个电流单元，最多可接入27路弧光信号，包括主控单元自带的16路光输入口和弧光单元的10路，再加上光传输口L2（L1，L3和L4已用于接弧光单元和电流单元）。

图1 双单母接线弧光保护配置

110 kV金沙变本期工程为典型的主变低压侧双单母接线，1号主变Ⅰ与Ⅱ段母线共有17路弧光信号输入，因此在1号主变进线Ⅰ母分支开关柜的二次控制室门板上安装MU主控单元，在Ⅱ母分支开关柜上安装ARC弧光单元。同时在Ⅰ与Ⅱ母分支开关柜上分别安装CR电流单元，串接于柜内保护TA，作为弧光保护的辅助判据，并在每个开关柜母线仓与断路器仓的隔板上安装弧光传感器。

具体配置方案为：1套弧光保护系统，含16路光输入口主控单元1台，弧光单元1台，电流单元2台，弧光传感器17个，光纤、数据线若干。

当同时采集到弧光信号和过流信号时，将启动跳闸跳开相应分支开关并闭锁20 kV分段备自投，同时将动作报警、装置异常等信号传送至主变测控装置。

3.2 单母四分段环形接线

3.2.1 运行方式

金沙变2号主变投入后，低压侧为单母四分段环形接线，见图2。在这种接线方式下，主要有2种运行方式，一是2条进线分列运行，分段开关Ⅰ与Ⅱ断开，4段母线任意1段故障时保护跳开相应的分支开关，当分段开关热备用（桥备）并投入母联自投时保护还应闭锁备投，以免备投动作误合于故障母线；二是分段开关Ⅰ与Ⅱ合上，由1条进线带4段母线运行方式，例如1号主变进线带4段母线运行，此时若Ⅰ母故障则跳开1DL，Ⅱ母故障则跳开2DL；Ⅲ母故障只需跳开分段开关1，Ⅳ母故障跳开分段开关2；若Ⅲ或Ⅳ母故障后，分段开关1或2拒动，则跳开2DL或1DL，即通过1号主变或2号主变低后备保护来实现20 kV母线的远后备保护。

在线路备用情况下，当另一条进线分支开关热备用时保护应去闭锁备自投装置以免备投动作误合于故障母线。

3.2.2 系统配置方案

在系统的配置上，4个分支配置4个电流单元，一般而言，4段母线要求安装弧光传感器的间隔数应为40～50个，即使有小于此数的，也需考虑到后期20 kV出线扩容，所以应在主控单元和弧光单元的配置上应保持相应的裕度。

方案一：为减少主控单元间的信号互联，可设想只采用1个主控单元，使其能采集到4段母线上任意点的弧光信息及所有过流信号，提出如下方案：1条进线上安装1个主控单元和1个弧光单元，而另一条上安装2个弧光单元，但该方案存在以下问题：4个电流单元占满了4个数据输入接口（L1—L4），无法再接弧光单元。

方案二：每条进线（含2段分支母线）均配置1个主控单元和1个弧光单元。单母四分段环形接线相比双单母接线增加了2条分支母线，在这种运行方式下，进线1停电时由进线2通过分段开关Ⅰ和分段开关Ⅱ同时向Ⅰ段母线和Ⅱ段母线供电，由于进线1的Ⅰ与Ⅱ分支电流为零，不满足电弧光保护弧光信号及电流增量双判据原理，若上述2条进线只是简单地各自配置了1套独立的电弧光保护系统（1个主控单元和1个弧光单元），相互之间没有弧光信号互送，则在此情况下，这2段分支母线上的故障不能由相应弧光保护系统切除。因此要能实现有选择性地跳闸，则低压母线Ⅲ与Ⅳ段上的弧光信息要传给安装在Ⅰ段上的主控单元Ⅰ，低压母线Ⅰ与Ⅱ段上的弧光信息要传给安装在Ⅲ段上的主控单元Ⅱ，如图3所示。因此在金沙变远景2台主变工程中采用方案二。

方案三：考虑配置3个主控单元和1个弧光单元。但该方案存在以下问题：主控单元Ⅲ在已接入2路电流单元、1路弧光单元的情况下，由于数据输入接口（L1—L4）的限制，无法全部接入由主控单元Ⅰ与Ⅱ上送的弧光传感信号。

图2 单母四分段环形接线系统

图3 单母四分段环形接线弧光保护逻辑

方案四：每条进线均配置2个主控单元（即每段分支母线配置1个主控单元）。每个主控单元接入该分支的1路电流单元、1路对侧分支母线弧光信号以及本分支的弧光信号，但由于主控单元价格高于弧光单元，因此此方案的经济性较差。

图4 单母六分段环形接线系统

3.3 单母六分段环形接线

3.3.1 运行方式

考虑金沙变远景扩建3号主变，则主变低压侧为20 kV单母六分段环形接线，如图4所示。正常运行方式为分列运行，当某1条进线不能工作时它的2段分支母线由相邻的分支母线通过分段开关来供电；当2条进线不能工作，例如进线2和进线3全停的时，由进线1通过分段开关Ⅰ和分段开关Ⅲ分别向Ⅲ段母线和Ⅵ段母线供电，但Ⅳ段母线和Ⅴ段母线依然停电，但该方式较少运用。

3.3.2 系统配置方案

一般110 kV/20 kV变电站最多为3台主变同时运行，因此20 kV母线通常最多为六分段环形。因此只需讨论六段母线电弧光保护系统的配置思路，提出如下方案。

方案一：每条进线（含2段分支母线）均配置1个主控单元和2个弧光单元。但该方案存在以下问题：主控单元Ⅰ在已接入2路电流单元、1路弧光单元的情况下，由于数据输入接口（L1—L4）的限制，无法全部接入由主控单元Ⅱ与Ⅲ上送的弧光传感信号。

方案二：为了保护系统的可靠性，每条进线均配置2个主控单元，即每段分支母线上均安装1个主控单元和1个电流单元，弧光单元根据弧光传感器的数量和主控单元上弧光输入口的数量来确定是否选取，一般情况下16路弧光接入信号可满足接入要求，无需再接入弧光单元。单母六分段环形接线相比于单母四分段接线增加了2条分支母线，但与单母四分段接线原理相似，想要实现有选择性地跳闸，只要将本侧母线分支上的弧光信息传送给安装在对侧段上的主控单元，即母线Ⅱ与Ⅲ段，母线Ⅳ与Ⅴ段，母线Ⅵ与Ⅰ段上的弧光信息实现互传，在金沙变远景3台主变工程中拟采用方案二。

4 结语

金沙变一期双单母电弧光保护系统的实际运行情况表明，电弧光保护系统在快速切除20 kV母线故障、提高电网稳定、减少停电时间、减少设备损失等方面发挥了重要作用，为改进20 kV母线保护、提高20 kV配网供电可靠性提供了新的方案。

[1]万山景，王坚，张梓望.电弧光保护系统配置方案探讨[J].电力系统保护与控制，2009，36（16）:99-103．

[2]樊建军.电弧光保护在中低压开关柜和母线保护中的应用[J].内蒙古电力技术，2008，26（2）:53-55．

（本文编辑：杨勇）

Application of Arc Light Protection System in 20 kV Bus Protection

FANG Jing-hui，XU Yu-yin，ZHU Xiao-feng，XU Wei-ming
（Jiaxing Hengchuang Electric Power Design＆Research Institute，Jiaxing Zhejiang 314033，China)

In order to improve power supply reliability of 20 kV distribution networks，it is necessary to explore and improve 20 kV bus protection scheme．On the base of comparing existing 20 kV bus protection schemes，the paper proposes arc light protection scheme and elaborates on basic principles and system components．In combination with 110 kV Jinsha substation project in Jiaxing，the paper discusses various configuration schemes of arc protection system in case of 20 kV single/double bus and single-bus four（six）-segment annular connection，and it concludes optimal configuration mode in typical connection of 20 kV bus．

20 kV；bus；arc light protection；segmented annular connection

TM771

：B

：1007－1881（2013）01－0020－04

2012-05-08

方景辉(1981-)，男，西安人，高级工程师，主要从事电力设计技术管理工作。