刚果(金)ZONGOⅡ电站中压开关柜电弧光保护的应用

2017-08-09胡楠国佳

水利水电工程设计 2017年2期

关键词：弧光过流开关柜

胡楠国佳

胡楠国佳

结合工程实际介绍了电弧光的定义及危害、电弧光保护系统的构成及控制原理。

电弧光危害保护控制原理

电弧光现象是两相之间或相地之间因电离加剧引起空气导电的现象。弧光放电的条件是小间隙和大电流。

弧光点温度发生电弧白光时，是太阳表面温度的2倍；弧光的照度达8 000～9 000 lx，而人眼能承受最大光强为300 lx以下；弧光爆破压达120 kPa，而人体能承受的最大压力为7.5 kPa；弧光燃烧带来强烈的声响和震动，也超过人体能承受的极限。电弧光引起的事故对人员和设备都会造成很大的危害。

电气短路引起电弧燃烧在配电系统开关柜中一旦发生，就会引起诸如爆炸、燃烧等较大的设备材料损毁，危害电力系统运行的安全和稳定，还会对人员造成很大危害。

1 装设电弧光保护的必要性

1.1 电力工业发展的需要

一方面，随着国家电力工业的快速发展,中低压开关柜的应用数量越来越多, 由于开关柜弧光短路故障引发的中低压母线故障时有发生, 并且也发生过主变压器由于遭受外部短路电流冲击损坏的事故, 经济损失严重；另一方面, 用户对供电的可靠性要求也越来越高；因此, 在中低压开关柜装设专用快速母线保护——电弧光保护是有必要的。

1.2 开关柜内部燃弧耐受时间的需求

当开关柜内部弧光短路故障时, IEC298 标准附录中规定的内部燃弧时间是100 ms, 也就是说开关柜可以承受的电弧燃烧时间, 即保护动作和断路器切除故障的时间之和应小于100 ms，此时才能达到保护开关柜的目的。目前市场上销售的开关柜基本上是按照IEC298 标准生产的, 即开关柜可以承受的电弧燃烧时间为100 ms。表1为国外对各种燃弧持续时间下设备损害程度的试验结果。

表1 不同燃弧持续时间下对设备造成的损坏

1.3 变压器动稳定时间及中低压母线保护动作时间的要求

国标规定的110 kV 及以上电压等级的变压器的热稳定允许时间为2 s, 动稳定时间为0.25 s。但实际上, 在低压侧出口短路故障时，过流后备保护切除动作时间往往在2 s 以上, 距变压器的动稳定时间要求0.25 s 相差甚远, 这也是造成变压器损坏的重要原因。

1.4 现有的中低压母线保护方式及存在的问题

1.4.1 变压器后备过流保护

这是目前国内应用最广泛的中低压母线保护方式。由于考虑到与馈线和母线分段开关的配合, 保护跳闸时间一般整定为1.0～1.4 s, 有的甚至更长, 达2.0 s 以上。这一动作时间远远不能满足快速切除中低压母线故障的要求。

1.4.2 馈线过流闭锁变压器过流保护

近年来采用馈线过流闭锁变压器过流保护的应用较为广泛, 与变压器后备过流保护方式相比，其动作速度有了一定的提高, 典型动作时间为300～400 ms，但仍难以在100 ms 以内切除故障。

1.4.3 采用环流原理的高阻抗母线保护

这种保护方式典型的保护动作时间为35～60 ms。考虑到断路器的分闸时间, 这一动作速度对要求100 ms 以内切除故障来说，常常也不能满足要求。并且这种保护方式的接线复杂, 对TA 的质量要求高, 安装在有很多出线的6～35 kV 母线上非常困难, 也不经济。此外, 由于其保护范围受到TA 安装位置的限制, 不能保护到发生故障几率较高的电缆室电缆接头处的故障，因此，并不适合应用于中低压母线保护。

从实际应用情况来看, 现有的保护方式显然不能满足快速切除母线故障或保护覆盖范围的要求,因此, 在中低压母线和开关柜装设一种快速的母线保护是必要的, 也是迫切的。

2 电弧光母线保护系统的应用

刚果(金)也称刚果民主共和国，地处非洲大陆中部，ZONGOⅡ水电站是刚果民主共和国最大的水电站，当地电厂技术人员运行水平较低，因此ZONGOⅡ水电站厂用电10 kV设计电弧光保护是非常有必要的。

2.1 保护对象

保护对象是该电站厂用电10 kV Ⅰ、Ⅱ 、Ⅲ段母线。整套系统由主单元OCUS650主单元、弧光传感器AC14、电流单元IC14 和连接电缆组成。在每个开关柜母线室内安装1 个弧光传感器, 在母联断路器和母联隔离车安装1 个弧光传感器, 在母线桥加装1 个弧光传感器,在TV 柜内安装1 个弧光传感器, 通过弧光传感器AC14把采到的弧光信号传送给主单元OCUS650。系统配置电流单元IC14用于提供过流判据。主单元OCUS650 安装在进线柜上, 弧光传感器AC14、电流单元IC14安装在馈线柜上。

2.2 电弧光母线保护原理

电弧光保护原理很简单, 主要动作依据为故障产生的2个不同因素: 弧光及电流增量。当同时检测到弧光和电流增量时发出跳闸命令。也就是说, 当系统发生故障时, 弧光传感器将弧光信号转化为电信号传给主单元, 主单元检测电流信号,如果达到启动值即发出跳闸信号。主单元装置动作时间为5～7 ms,断路器动作时间为35～60 ms,可以在100 ms 以内切除故障。

当弧光传感器采集到弧光信号、主单元采集到进线过流信号时, 将启动跳闸继电器跳开进线断路器, 同时将动作信号( 硬接点) 传递给后台监控系统。系统拥有完善的自检功能, 能实时在线自检, 系统自检告警信息可以在装置上看到, 也可通过主单元的告警继电器送到后台。当任意一段母线出现故障时, 都只会跳开该段母线的进线断路器, 其他段母线仍会正常运行。

在母联开关运行时, 跳开故障母线进线断路器和母联断路器。其中弧光判据的启动条件为: 光强度超过8 000 lx, 电流超过最大负荷电流。

2.3 电弧光母线保护系统结构

电弧光保护系统结构如图1所示, 由OCUS650主单元、弧光传感器AC14、电流传感器IC14 和连接电缆构成。

图1 电弧光保护系统结构示意图

2.3.1 OCUS650主单元

主单元通过检测短路电流和来自弧光传感器的动作信息,并对收集的数据进行处理、判断, 发出跳闸信号以切除故障。该系统在同时检测到弧光和过流时发出跳闸指令。在进线断路器未能动作切除故障时, 它将启动断路器失灵保护逻辑, 发出跳闸指令给上级断路器切除故障。此外, 主单元根据弧光传感器送来的动作信息和温度传感器测量的温度, 提供弧光故障点的定位和温度报警信息。

2.3.2 弧光传感器AC14

弧光传感器安装在开关柜各间隔室中,对各种接线的中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主单元，一般它作为弧光保护系统中的主要故障判据。

2.3.3 电流单元IC14

主要检测线路中的电流，当检测到弧光后才检测电流，发现故障后将信息传至主体单元，一般它作为弧光保护系统中的辅助故障判据。

本系统也可选配便携式弧光传感器、温度检测单元和烟雾监测单元，丰富系统构成。