电弧光保护在氧化铝厂10kV配电系统中的应用

李云双

摘 要：分析10kV开关柜内产生弧光短路故障的原因及危害，并在氧化铝厂10kV配电系统中采用电弧光保护，以减少电弧光短路故障对开关柜的破坏作用，从而进一步保证氧化铝厂供电的可靠性。

关键词：电弧光保护；配电母线；短路故障

氧化铝厂10kV配电系统都未装设专用的母线保护。当10kV配电母线发生短路故障时，所产生的电弧光会對开关柜本体及电气运行人员产生非常大的伤害，但是目前国标规范并不要求对10kV配电系统设置专用的母线保护，而是依靠上一级馈线开关来切除母线短路故障。由于要考虑上下级馈线开关之间的配合关系，上一级馈线开关保护跳闸时间一般整定为0.5秒以上，这就会导致故障切除时间过长，加大了开关柜本体的损伤程度，严重时可能造成氧化铝厂大面积停电。该问题已引起氧化铝厂电力设计人员的高度重视。

1 电弧光产生的原因

（1）绝缘故障。开关柜内的绝缘材料电气距离不够，在积灰严重、天气潮湿时易发生绝缘故障。另外，运行时间较长的开关柜在机械磨损、电磁场、温度、腐蚀等环境作用下也易造成绝缘老化，从而发生绝缘故障。

（2）电气回路接触不良。开关柜内电气触头接触不良、紧固螺栓松动，在大电流通过时易产生发热状况，从而引起绝缘击穿。

（3）外来物体的进入，如设备正常检修后工具遗漏在开关柜内或小动物进入开关柜。

（4）人为操作原因，如误入带电间隔、隔离开关误操作、带接地线合闸、忘记测量工作区内电压。

2 电弧光的危害

（1）电弧光中心温度极高（约为20000℃）。由于过热可能导致铜排、铝排、电缆、铜牌和钢材熔毁气化，过热会导致压力上升，可能会使开关柜爆炸。

（2）故障产生的弧光冲击波可摧毁周围的用电设备，若波及直流系统，可造成全所直流失电，将造成无法弥补的重大损失。

（3）高温灼伤皮肤、爆破音振损伤耳膜、强光刺伤眼睛、爆炸碎片飞射，从而造成人员伤亡。

3 电弧光故障分析

氧化铝厂10kV配电系统为小电流接地系统，正常状态下三相电压对称，每相对地电容电流都超前相电压90o，三相电容之和为零。当系统母线发生单相接地短路后，中性点对地电压不再为零，系统出现中性点偏移。当为金属性接地时，故障相对地电压为零，非故障相电压升高为线电压，非故障相电流增大。当电缆出线较多、较长时，对地电容电流会很大，并会导致电弧接地过电压，极易产生燃弧现象。IEC298标准规定开关柜内部燃弧时间是100ms，为保护开关柜免受电弧短路故障的破坏，保护动作应在100ms以内切除电弧光故障。

4 QGP322电弧光保护系统

4.1 QGP322电弧光保护原理

QGP322电弧光保护系统采用弧光检测和过电流检测双判据原理。当10kV开关柜发生短路故障时，会产生弧光，弧光传感器检测到弧光后把信号传递给辅助单元，辅助单元再把信号传送至主单元，主单元收到弧光信号后检测电流。当弧光信号和电流过流信号同时存在时，启动跳闸出口，发出跳闸信号。电弧光保护系统动作速度快、可靠性高。

4.2 QGP322电弧光系统组成及功能

QGP322电弧光保护系统采用模块化结构设计，主要由主单元、辅助单元、弧光传感器组成。

（1）主单元的功能包括判断电流和弧光同时发生；弧光探测信号的自动采集、逻辑设置管理；对所有关联弧光传感器的持续监视；保护跳闸启动方案的选择；故障方位的精确定位；可持续的系统自检；故障信息的管理。

（2）辅助单元用于连接电弧光保护主单元和弧光传感器，每个辅助单元可连接16个弧光传感器。每一个连接的传感器都可给出一个独立的地址信息，用于弧光保护系统的逻辑设置、监视所连接的弧光传感器的状态、装置故障定位等。辅助单元与主单元之间经专用连接电缆实现通讯联系，辅助单元之间可用连接电缆实现系统的扩展功能。

（3）弧光传感器安装在开关柜中，可实现有选择性的保护。弧光传感器是一种光感应元件。当发生接地或相间短路故障时，因有弧光产生，弧光传感器内电子元件将光信号转换为电信号，并传递给弧光保护的辅助单元。

4.3 QGP322电弧光保护系统在氧化铝厂10kV配电系统的应用

氧化铝厂各10kV配电系统均采用单母线分段的接线方式，正常时为分列运行方式，两路进线电源分别引自上级10kV总配电所，各馈出回路为所在生产区域的10/0.4kV变压器和10kV电动机供电。

（1）弧光保护的配置。10kV配电系统的弧光保护由主单元QGP322、辅助单元QGP16L和弧光传感器QGS20和连接电缆组成。在每个10kV馈线柜内安装1个弧光传感器，在母联柜和隔离柜安装一个弧光传感器，在电压互感器柜安装1个弧光传感器，通过辅助单元QGP16L把采集的弧光信号传递给主单元QGP322。主单元QGP322分别安装在两个进线柜上，辅助单元QGP16L安装在母联柜或馈线柜上，辅助单元QGP16L连接弧光传感器QGS20不能超过16个，超过时需再增加一个辅助单元。

（2）弧光保护整定。当弧光传感器QGS20采集到弧光信号、主单元QGP322采集到过流信号时，将发出跳闸命令跳开进线断路器，同时将动作信号送至后台监控系统。当任意一段母线发生母线短路时，会跳开该段母线的进线断路器，另一段母线则保持正常运行。弧光判据的启动条件是弧光强度超过8000LX，电流超过正常最大负荷电流。

5 结语

开关柜内部的电弧光短路故障是一种很严重的故障。一旦发生，会对开关柜本体及电气运行人员造成非常大的伤害。电弧光保护系统为氧化铝厂10kV母线系统提供了可行的解决方案，通过在开关柜内设置电弧光保护系统，在开关柜的电弧耐受时间标准以内切除电弧光故障，可最大程度地减少弧光短路故障对用电设备的破坏，从而进一步保证氧化铝厂供电的可靠性。

参考文献

[1]韩胜国，杨华.电弧光保护在中低压母线保护中的应用[J].贵州电力技术，2014，（3）：73-75.

[2]朱根良.浅议中压开关柜事故调查中的故障分析[J].高压电器，2002，38（5）：62-63.

（作者单位：东北大学设计院（有限公司））