电弧光保护在电气化铁道开关柜中的应用研究

詹广振

电弧光保护在电气化铁道开关柜中的应用研究

詹广振

分析了电弧光保护在目前电气化铁道开关柜中的应用情况，指出存在的问题，提出改进措施，并就充分发挥电弧光保护的作用提出了见解，供相关人员参考。

电气化铁道；开关设备；电弧光保护；铠装金属封闭；箱型金属封闭

0 引言

我国三相供电系统为小电流接地方式，发生最多的故障为单相接地故障（70%以上），由于该类型故障产生的短路电流不是很大，电力系统常用专门的消弧装置熄灭电弧。电气化铁路牵引供电采用的也是单相方式，其中一相接地（接在钢轨上），接地故障就是短路故障。另外，AT供电方式下，接触网与正馈线之间的短路故障由于电压高达55 kV，短路电流会更大，因此，电气化铁道开关柜承受电弧烧蚀的影响会更严重。根据电工原理，电弧能量理论上是 I2t，短路电流的数值不易人为控制，但短路的时间是可以缩短的，如果把短路电流持续的时间缩短到100 ms以内，在没有电缆的情况下，损失就可以降低很多。

我国中压配电系统一般不设快速母线保护，只依靠变压器限时后备过流保护，这至少要延时100 ms以上，再加上断路器固有动作时间（20～60 ms）以及燃弧时间（15 ms），总计达到150 ms以上。这会烧损铜排（铝排就更严重了）甚至钢制柜体，再恢复送电十分困难。

鉴于上述情况，各设计单位相继要求在开关柜内安装电弧光保护装置，达到快速切除故障的目的，但却忽略了现有铁道开关柜与其他行业开关柜之间的区别，使弧光保护的作用被削弱，未达到应有的目的。针对这种情况，本文提出了新的选择方法，以充分发挥电弧光保护装置的作用。因水平有限，难免有不当之处请批评指正。

1 金属封闭开关柜分类及现状

除进出线外，完全被金属外壳封闭的开关设备称为金属封闭开关设备。GB3906-1991对金属封闭开关设备和控制设备可按以下方面分类：

（1）按使用地点划分：户外式与户内式。由于户外式环境条件影响其安全性，使用很少，户内式占绝大多数。

（2）按主绝缘方式划分：空气式、充流体式（过去称为“充气柜”、箱式气体绝缘组合电器（C-GIS））、固体绝缘式。

（3）按开关元件的安装方式划分：固定式和移开式。开关元件固定安装在柜内，用母线把各个元件连接起来，构成一个完整的导电回路，这种结构称为固定式。开关元件不固定安装在柜内，可以在柜内移动甚至移出，可以形成工作位置、试验位置、移开位置，这种结构称为移开式。

（4）按内部结构划分：铠装式、间隔式及箱式。某些组成部件（如主开关、电缆、母线）分别装在接地的、用金属隔板隔开的隔室中的金属封闭开关设备称为铠装式。与铠装式金属封闭开关设备一样，某些元件也分别装在单独的隔室内，但具有一个或多个非金属隔板，隔板的防护等级达 IP2X以上，这种结构称为间隔式金属封闭开关设备。除铠装式、间隔式以外的金属封闭开关设备称为箱式金属封闭开关设备，其金属外壳具有的特征：间隔的数目少于铠装式和间隔式金属封闭开关设备；隔板的防护等级低于IP2X；隔室间可以没有隔板。由此可知，箱式开关柜在所有开关柜中性能是最低级的，在电力行业只有环网柜等二次配电设备采用箱式结构，其余都是铠装式的。

1.1 现有铁道电气化开关柜结构及其存在的问题

我国现有铁道电气化开关柜使用的是 XYN-27.5箱型移开式金属封闭开关设备，其在箱式设备中最简单、最低级：隔室间没有隔板，只有一个高压室和一个低压室，见图1。

图1 箱型移开式金属封闭开关设备示意图

这种结构的开关柜所有高压元件都安装在一个室内，若一处发生电弧光都会烧灼到所有其他高压元件（电弧光辐射也会损害绝缘件电性能）；若一处带电，整个高压室都不能进入检修。抗电磁干扰能力也非常薄弱。这种结构开关柜（当初还是三室隔离，只是防护等级低）在电力等行业早已淘汰。

1.2 现有开关柜使用弧光保护的局限性

电弧光保护系统采用弧光检测和过电流检测双判据原理，保护动作速度快、可靠性高。如果选用快速继电器出口跳闸时间小于 4 ms，选用常规继电器出口跳闸时间小于 8 ms，远快于传统的母线保护。这样开关柜的内部弧光故障总切除时间可以控制在100 ms以内，除电缆外都可以保证其他元件不会烧损，也保证了操作人员的安全，将故障损失降至最低，为快速处理故障，恢复供电创造了条件。

但是，这种弧光保护装置如果安装在上述箱式柜中，由于只有一个高压隔室，只能安装一个弧光感应器，不论进线柜还是馈线柜哪个部位发生电弧光，母线电源处电流必然突变起动弧光保护系统，都会无选择性让进线断路器跳闸快速切除故障，造成该方向行车全部中断。如果故障发生在母线侧或任一断路器上，母线停电也属正常。如果弧光发生在该回路CT负载侧，母线停电就没有必要了，只需让该回路停电即可。CT负载侧如果是电缆引出，事故率最高，造成同方向全部停车的几率也就更大。因此，一个高压室的箱式开关柜采用弧光保护有可能使停电范围扩大，对安全行车极为不利。

如果有选择性跳闸，就要引入馈线电流，当检测到母线进、出线电流都有增量出现，则可以只让该馈线断路器跳闸，只切除该回路，不会造成该方向行车全部中断。但是，从断路器到CT这段线路发生弧光短路，则无法选择判断是应该让总进线断路器跳闸还是让该馈线断路器跳闸，只能让进线断路器跳闸使母线全部停电，该方向列车全部停运。所以，增加馈线电流判断依据也只能提高部分判断的选择性，还不能实现完全的选择性，而且还要增加馈线电流检测回路，最后还存在停电范围扩大的可能。

2 理想开关柜结构及弧光保护的配置

从开关柜分类中可以看出：最理想的是铠装式。过去设计成手车式（移开式）是针对少油断路器需要频繁维护而设计的，而现在使用的真空断路器很少维护，没有必要再设计成移开式。相反，移开式的缺点要多于固定式，所以，铠装固定式金属封闭开关设备是比较理想的选择。

2.1 开关柜安全保障的原理

一般铠装式开关柜至少要有1个低压隔室，3个高压隔室（母线室、断路器室和电缆室（出线室）），图2是KGN8-27.5型铠装固定式金属封闭开关设备示意图。该设备具有以下优点：

（1）一个隔室出现故障，只要隔板的钢板不被烧破，其他隔室的元件就不会被损坏，故障恢复的时间就缩短了，这对行车十分有利。

（2）任意2个隔室有电，另一个隔室也可以停电检修，这对不停电检修十分有利，运行的连续性最高。

（3）由于隔板采用钢板，具有隔离电磁场的能力，可以有效屏蔽电磁场对二次元件的干扰。

（4）任何操作都是在高压带电体被密封的条件下进行（IP4X防护等级），虽然操作过程是最危险的时候，但是，由于设计有泄压通道，完全可以保证人身安全。GB3906-2006中明确规定：任何时候人与带电体之间的防护等级不得低于 IP2X，这是网栅式开关设备和箱式柜无论如何都达不到的。

2.2 常规的弧光保护应用方案及存在的问题

目前变电站铠装开关柜电弧光保护方案是：在进线柜内安装一台弧光保护主单元，在馈线柜内安装一台馈线保护单元，根据需要再安装若干台弧光采集单元，各个弧光采集单元再通过光纤串接起来，最后与弧光保护主单元连接（图3）。

图2 铠装固定式金属封闭开关设备示意图

图3 现有弧光保护方案示意图

现有方案存在的主要问题：

（1）所有馈线柜都要安装馈线保护单元，增加造价。

（2）馈线保护单元都要输入该回路电流信号，取增量后与弧光信号共同判别是否跳闸，接线复杂，判断过程也复杂。

（3）断路器室发生弧光启动馈线保护单元，但该回路短路电流并不通过电流互感器，馈线保护单元检测到的电流变化量可能是减量也有可能是增量（取决于负载性质），会影响判断的准确性。如果弧光发生在断路器断口上端，应该让进线断路器跳闸以切除故障，如果发生在下端，应该让馈线断路器跳闸。但在一个室内，弧光探头是无法区分的，只能让进线断路器跳闸才可降低风险。

（4）在断路器与 CT之间发生弧光短路，馈线保护单元无法启动跳闸，只能让进线断路器跳闸，扩大了停电范围。

2.3 理想的弧光保护应用方案

鉴于上述情况，笔者认为采取如下方案比较合 理，如图4所示。

图4 铠装固定柜采取的弧光保护方案示意图

该保护方案工作原理：进线柜进、出线室（电缆室）弧光探头动作不必再检测电流增量，直接让进线断路器（包括变压器高压侧断路器）跳闸，母线室、断路器室探头动作需再检测电流增量后让断路器跳闸。各馈线柜和PT柜的母线室、断路器室（包括PT室）探头动作，通过弧光采集单元启动弧光保护主单元，再检测进线柜电流增量，直接让进线断路器跳闸。馈线柜电缆室（或出线室）弧光保护动作启动弧光保护主单元，再检测进线电流增量，最后根据启动的弧光探头的位置，通过执行装置只让该馈线断路器跳闸，达到选择性的目的。这种方案具有以下优点：

（1）所有馈线柜都不需要安装馈线保护单元，只安装一个断路器执行装置（一般带远动控制的开关柜都有），降低造价。

（2）不再取馈线电流增量信号，接线简单，造价低，判断过程也简单、准确。

（3）由于有可靠的选择性，馈线断路器负载侧发生故障不会引起进线断路器跳闸，有效地减少了停电范围，保证行车安全可靠。

（4）在断路器室内，即使安装多个弧光探头，也很难区分灭弧室进线侧发生弧光还是出线侧发生弧光，因为弧光发生的部位是随机的，再加上反射和折射，在一个金属封闭的室内很难再确定具体位置，容易误判。另外，即使断路器出线侧首先发生弧光，进线侧的绝缘件也要受到灼烧，绝缘强度降低，也应尽快退出运行，保证安全。

3 结语

综上所述，弧光保护既要保证保护的快速性、准确性，还要保证选择性，这才是解决问题的关键。笔者认为从以下几个方面考虑比较稳妥：

（1）要选择一种设计先进的开关柜产品，这是最基本的条件。但弧光保护只是一种补救手段，例如，现在广泛使用的XYN-27.5箱型金属封闭开关设备，只有一个高压室，安装弧光保护装置后，没有了选择性跳闸，这对行车安全反而不利。建议设计选型时选择铠装式结构。

（2）弧光馈线保护装置与普通的微机式保护装置重复设置，不但造价高，事故的几率也高了。建议综合保护厂家在装置上增加弧光保护功能，缩短出口跳闸继电器的动作时间（3 ms以内），进线保护装置与馈线保护装置直接建立通讯连接缩短跳闸指令传输时间。

（3）对弧光探头进行深度研究，提高其探测范围的精确性，避免范围以外的弧光对其产生影响，这样就可以在断路器室内通过弧光探头区分灭弧室进线侧还是出线侧发生的弧光，进一步提高其选择性。

（4）目前，在一些先进国家弧光保护装置已成为中压开关柜的标准配置。我国在2005年后，各地用电部门也强调了电弧光的危害，同时在输配电系统中大量推广了弧光保护装置。建议在电气化铁道领域也进行合理选用。

[1] 徐国政，张节容，钱家骊，等. 高压断路器原理和应用[M]. 北京：清华大学出版社，2000.

[2] 王季梅.真空开关理论及其应用[M]. 西安：西安交通大学出版社，1986.

[3] GB3906-2006 3.6 kV～40.5 kV交流金属封闭开关设备和控制设备[S]. 中国标准出版社.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中国国家标准化管理委员会.

[4] 翟铁久，涂大石，王燕楠. 电气化铁道开关设备选型研究[J]. 铁道标准设计，2012，（8）.

Analyzes the application of arc light protection for switchgear of electrified railway, points out existed problems, proposes improving measures and raises suggestions on fully playing roles of arc light protection, provides references by relative personnel.

Electric railway; switchgear; arc light protection; armored metal-enclosure; box type metal-closure

U226.7

：B

：1007-936X(2015)03-0007-04

2014-08-05

詹广振.郑州铁路局新乡供电段，高级工程师，电话：18738582193。