智能电弧光保护系统的应用与分析

沈海泓 冯任卿 张彦生 白云飞

（1.国网河北省电力公司，石家庄 071000；2.河北省电力勘测设计研究院，石家庄 071000； 3.国网石家庄供电公司，石家庄 071000）

按照我国现行的继电保护设计标准，在中低压母线中原则上不配置快速母线保护。可是在我国中低压母线设计中，设计了较多的出线柜，开关控制次数多，开关材质比高压开关材质的性能差，再加上人员违反操作规程，设备长期疏于维护绝缘相应老化及机械疲劳磨损，运行维护条件差等多种因素，所以在中低压母线上发生的故障几率高。比如尽年来发生的弧光事故，2004年8月6日，无锡庙岭站10kV 3 号母线发生不对称单相接地故障，在检查故障线路的操作过程中，操作人员误入间隔把3 号母线单相接地故障接到了2 号母线上，引起211 开关爆炸，并造成一台进口全密封110kV、31.5MVA 主变压器因出口短路而损坏；2006年4月，广东某供电局在一变电站进行检修对某10kV 出线进行切换操作时，由于违章操作和开关柜内联锁功能失效，在带负荷拉开该带电线路的线路侧刀闸时产生弧光短路故障，故障电弧效应将该线路柜后门冲开，将拿地线到停电线路柜后面的一位检修人员灼伤；2007年9月，河北邢台某供电局在110kV 变电站在进行检修时，鹿城312 出线柜内部故障发生爆炸，在附近工作人员的3 名检修人员被电弧火球烧伤，变电站外一台3150kVA 变压器因短路烧毁，变电站停电，事故造成该供电区域大面积停电3h。如此一些事故给人员和财产造成了巨大损失。

然而至今，国内对中低压母线保护意识淡薄，没有引起足够的重视，基本上是依靠上一级保护装置中的后备过流保护来切除母线短路故障，这样造成了切除故障时间较长，造成不可估量的损失。所以，为了保证母线开关设备的安全运行，迫切需要安装专用的中低压母线保护系统。

国网石家庄供电公司联合保定尤耐特电气分析国内外弧光保护的性能及结合国内应用现状，共同研发生产出了智能电弧光保护系统彻底解决了这一问题，该系统根据检测到的电弧光信号，在极短的时间内（＜7ms 保护动作出口）即可切除母线（及馈线）故障，保障设备及人员安全，降低损失。

1 弧光的危害

电弧故障的危害程度取决于电弧电流及切除时间，电弧产生的能量与I2t成指数规律快速上升。只有总切除时间小于85ms，才能使设备不遭受损害，总切除时间大于100ms，将会对设备造成不同程度的损害。

值得一提的是国网石家庄供电公司联合保定尤耐特电气共同研发的UNT-EAP 弧光保护系统总切除时间经现场实际测试小于67ms。

2 UNT-EAP 电弧光保护系统的构成

EAP 弧光保护系统由 EAP2100 主单元、EAP2200 采集单元、EAP3000 馈线保护单元、弧光传感器和光纤组成，连接如图1所示。

图1 智能电弧光保护系统连接示意

2.1 弧光保护主单元

弧光保护主单元是电弧光保护系统的最重要的组成部件，负责输入信号的采集、测量、计算及逻辑判断，实现各项保护逻辑。

1）弧光主单元可以提供8 路可编程的跳闸出口，可以根据现场情况灵活设定。

2）主单元与采集单元间具有光纤、通信双连接，既可快速传递故障弧光信号，又可进行数据传输。

3）定时发送光秒脉冲信号，检测光纤回路是否有破损及断开等故障隐患。

弧光保护主单元有3 个弧光输入接口，共可接入254 个弧光采集单元；3 路电流信号采集，5 路快速输出跳闸出口。其跳闸出口依据为发生弧光短路时的两个条件：弧光光强及电流突变量，弧光光强和电流突变量同时满足设定定值时则发出跳闸命令，根据弧光传感器输送的信号，能准确地判断故障点位置。

2.2 弧光保护采集单元

弧光保护的采集单元，提供8 路弧光采集输入和8 路输出，采用弧光传感器采集弧光，并把该信号通过光纤传递给主单元，并有一路通信口与主单元进行传输数据。当有多台采集单元时，各采集单元间采用串行方式传递弧光信号，最终传递给主单元。

1）弧光采集单元具备故障硬定位、软定位功能，可以通过采集单元的指示灯指示定位弧光位置。

2）弧光信号可在采集单元之间串行传输，从而使监测点的数量可任意增加，且大大减少了传输光纤的成本，更适合于多种运行方式。

2.3 弧光保护馈线单元

馈线保护单元独立使用，每个单元最多可提供3 个弧光输入口，3 路电流信号采集，5 路快速输出跳闸出口。其动作判据为发生故障时两个因素：弧光及电流增量，弧光数值和电流增量同时满足定值时则发生跳闸命令。

1）独有的快速电流算法，保证电流判据的快速、可靠性。

2）全数字化设计，整定参数时无需拨码开关及电位器等机械元件，精度高，无振动、磨损等隐患。

2.4 弧光传感器

弧光传感器安装在开关柜各间隔室中，可实现对由简单到各种复杂接线中、低压开关柜提供有选择性的保护。弧光传感器作为光感应元件，将检测在发生弧光故障时突然增加的光强，并将光信号转换成电流信号传送给采集单元。

1）检测范围100～500kLUX 范围间调整。

2）弧光传感器安装在开关柜内，把光信号 直接传给弧光单元或主控单元。

3）安装十分方便。

3 UNT-EAP 电弧光保护系统控制原理

图2 电弧光保护原理

电弧光保护动作判据为故障时产生的两个条件：弧光和电流增量。当检测到弧光和电流增量同 时达到设定值时发出跳闸指令信号；当只检测到单一弧光或者电流增量满足设定值时只发出报警信号，并不发出跳闸指令。

4 UNT-EAP 电弧光保护系统系统优点

4.1 动作迅速可靠

内部器件使用快速继电器，在7ms 内发出跳闸指令，加上断路器固有动作时间为30～60ms，这样故障总切除时间控制在67ms 以内。继电保护装置包括测量、计算、自检、动作等时间累计约44ms，加上断路器动作时间，差动保护和无时限电流速断保护动作，故障切除时间约100ms。即使电流速断保护比弧光保护多40ms，查看弧光危害示意图，电缆已经燃烧。如果是带时限电流速断保护延时100ms、过电流Ⅰ段延时300ms，已经达到柜体燃烧甚至爆炸的可能。

通过检测弧光强度和过电流闭锁的两个判据，实现了该系统保护的准确动作。再加上整套系统持续全面的自检功能（已取得实用新型专利），充分保证整套系统工作的可靠性和安全性。

表1 电弧光保护和过电流保护时间对照表

4.2 确定故障位置功能

传感器安装在各开关柜的间隔室中，也可以沿着母线安装。主单元设备上记录发生故障的位置和动作时间。

4.3 抗干扰能力强

弧光传感器为无源型，这样不会存在被干扰问题。大大增强了安全性。

5 应用

石家庄市奥北公元小区配电站，现场共有18 个间隔，每个配电柜上配有许继PMF702A 综合配电保护装置，其固有动作时间约为40ms，加上断路器固有动作时间为30～60ms，这样故障总切除时间一般在100ms 左右，此时电缆已经燃烧，根本无法实现母线保护。

现在配置了一套UNT-EAP 电弧光保护系统：两台弧光保护主单元，两台采集单元、八台馈线保护单元；每个间隔单元的母线室均配备一个弧光探头如图1所示，本系统在7ms 内发出跳闸指令，总切除弧光时间小于 67ms，有效地保护了母线。UNT-EAP 电弧光保护系统安装后如图3、图4、图5和图6所示。弧光投入与退出可通过压板投退。

图3 母线室弧光探头安装

图4 弧光保护主单元安装

图5 弧光保护采集单元安装

图6 电缆室弧光探头安装

6 结论

通过现场模拟弧光现象的试验更进一步的应征了UNT-EAP 电弧光保护系统快速准确的故障定位与切除故障性能，说明智能电弧光保护系统是电气保护一个新的重要分支，UNT-EAP 电弧光保护系统以感光快速和电流增量的逻辑配合使其优越性表现更为突出。UNT-EAP 弧光保护系统具有保护逻辑简单、动作快速可靠、系统配置简单、适用性强，在现场安装方便灵活，调试简单等优点，是目前最为理想的母线保护解决方案；在某一方面，也可以作为一种后备保护。

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[2] 电弧光保护专家,杭州瑞胜电气有限公司.ARC Protection Specialist,Rizner Electrical Co,Ltd.Hangzhou,China.

[3] 光电式电弧光保护系统用户手册,瑞胜电气有限公司.The User’s Manual of ARC Protection System,Rizner Electrical Co.,Ltd.Hangzhou,China.

[4] 杨建红,张认成,房怀英.Lyapunov 指数法在故障电弧早期探测中的应用[J].电工电能新技术,2008,27(2): 55-58.

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