电弧光保护在某南非冶炼厂中压系统的应用

胡 伟

(北京矿冶科技集团有限公司， 北京 102628)

0 前言

随着冶金工业快速发展和规模扩大，中压开关柜的应用数量越来越多，冶炼厂大量的冲击负荷和谐波源会加速开关柜绝缘老化，大量中压电缆的应用使单相接地故障增多，都可能引发开关柜的弧光短路故障，损毁开关柜设备和母线的事故时有发生，经济损失严重，甚至对运营人员造成伤害。国外早在20世纪90年代开始已经将弧光保护应用在中低压开关柜和母线保护上，至今已有较成熟和丰富的运行经验。随着经济水平的提高，对在冶金行业中压配电系统应用和推广电弧光保护提供了条件。

本文结合南非某冶炼厂区域11 kV配电站开关柜安装弧光保护实例，对中压开关柜弧光保护的设计进行分析，为弧光保护的设计和应用提供经验和借鉴。

1 弧光保护系统

弧光产生初期的100 ms以内对电气设备损伤比较小；大于100 ms时，会对电气设备造成严重甚至不可逆的破坏[1]，如图1所示。IEC 298标准规定的开关柜内部燃弧时间是100 ms，即需要保护在小于100 ms内动作切除故障，以防止弧光短路故障进一步扩大造成设备的结构性损伤。传统的电流保护方案检测和动作时间长，不能快速抑制弧光故障的扩散从而避免设备的严重损坏[2]。因此，在配电系统中采用能快速切除中压设备弧光故障的保护系统，对于保障配电系统的安全运行是必要且迫切的。

图1 电弧能量与燃烧时间对设备危害示意图

1)弧光保护系统的组成。主要由弧光传感器、保护装置、二次接线元件和光纤等构成[3]。

2)弧光保护系统的工作原理。电弧光保护的主要动作依据为电弧光故障时产生的两个因素：弧光和电流增量[4]。当安装开关柜一次设备室的弧光传感器探测到弧光信号，弧光传感器将弧光信号转化为电信号，传给保护装置，若同时保护装置检测到了过电流信号，则判定产生电弧故障，保护装置通过输出继电器立即发出跳闸指令[5-6]，依据配电系统要求的动作逻辑断开关联的断路器；当仅检测到弧光信号时，输出报警信号。电弧光保护原理如图2所示。

图2 电弧光保护原理示意图

3)弧光保护系统的优势。弧光保护装置动作速度极快，保护动作时间最大值15 ms内，故障总切除时间完全可以控制在100 ms内(包括断路器动作时间35～60 ms)，远快于传统母线保护动作时间，能最大限度地避免电气设备受到电弧故障伤害。

5)弧光保护整定动作门槛值。弧光传感器动作门槛值一般可整定为大于8 000 lux，电流动作门槛值按大于最大负荷电流整定。

2 弧光保护在中压系统中的应用

南非某冶炼厂11 kV配电系统采用单母线分段接线，弧光保护系统的保护对象为11 kV的Ⅰ、Ⅱ段开关柜母线室、断路器室、电缆室内的一次电气装置。

2.1 选用的弧光保护系列的主要特点

该站采用的弧光保护装置为ABB RE*615系列配电网保护测控装置，该保护装置不仅可以满足电力设备的常规保护，还可以选择配置带3个光探头传感器的弧光保护功能。由配置了弧光保护功能的RE*615系列保护测控装置组成的弧光保护系统，可以替代国内主流的由专用弧光保护主单元和扩展单元配合的方式实现弧光保护的系统。RE*615系列弧光保护主要特点如下：

1)装置可通过可选配件配置最多3个弧光检测通道，可实现对金属铠装开关柜的电缆室、母线室或断路器室的弧光故障保护，从而保护开关柜一次电气装置。

2)弧光监测探头采用光缆内置的透镜传感器，可独立进行弧光探测。保护装置可选自动或手动背光补偿功能。

3)弧光保护动作模式有3种，分别为仅弧光监测模式、弧光和电流组合监测模式、远程开关量动作模式。本文建议采用弧光和电流组合监测模式，以弧光和三相相电流和零序电流的组合判据作为保护动作的依据。

4)应用广泛，经验丰富，目前在全球已有大量该装置保护投入运行，在南非的项目中装设弧光保护是中压开关柜保护的基本配置。

5)保护动作时间快速，最长不超过15 ms，可实现电气装置的快速保护功能。

6)保护独立设置，整定简单。

2.2 开关柜弧光保护

2.2.1 弧光保护系统动作逻辑

根据设计要求和业主方标准，该站弧光保护系统采用最大安全动作逻辑，11 kV配电系统弧光保护系统动作逻辑如下：

1)Ⅰ段进线、馈线开关柜母线室和断路器室发生弧光故障，电流和光强满足电流判据和弧光判据，保护动作跳Ⅰ段进线断路器、分段断路器和所有馈线断路器，Ⅱ段母线仍可以正常运行；反之Ⅱ段亦然。

2)进线、馈线开关柜电缆室发生弧光故障，电流和光强满足电流判据和和弧光判据，保护动作跳对应开关柜的断路器。

3)分段断路器开关柜母线室、断路器室发生弧光故障，电流和光强满足电流判据和弧光判据，保护动作跳分段柜断路器侧母线段进线断路器、分段断路器和所有馈线断路器(本例中为Ⅰ段)；分段断路器开关柜母线室、隔离室发生弧光故障，电流和光强满足电流判据和弧光判据，保护动作跳断路器隔离侧母线段进线断路器、分段断路器和所有馈线断路器(本例中为Ⅱ段)。

2.2.2 弧光保护系统接线结构

11 kV配电系统电弧光保护系统接线结构如图3所示。弧光保护系统由RE*615系列保护装置、弧光传感器和连接电缆、报警和跳闸公用母线组成，弧光传感器安装位置如下：

1)进线、馈线开关柜在母线室、断路器室、电缆室各安装1个弧光传感器。

2)VT柜在母线室、PT室各安装1个弧光传感器。

3)分段柜在母线室、断路器室、电缆室各安装1个弧光传感器。

图3 电弧光保护系统图

2.2.3 报警跳闸柜顶母线接线结构

弧光传感器把采集到的弧光信号传送给对应开关柜的保护装置RE*615，保护装置提供弧光保护动作判据，如果满足动作判据，发出信号给进线保护装置，由进线保护装置反馈信号给需要动作的开关柜，完成弧光保护动作逻辑。进线柜和各开关柜之间的动作信号传送由柜顶报警和跳闸公共母线完成，接线情况如图4所示。

图4 弧光保护系统报警跳闸柜顶母线接线图

由图4可知，当各开关柜保护装置RE*615检测到弧光故障信号，并满足弧光保护动作条件时，保护装置BO输出接点发出跳闸信号，通过柜顶弧光故障报警公共母线接入进线保护装置BI开关量输入继电器；然后由进线保护装置BO输出接点发出跳闸信号，触发带自保持功能的闭锁继电器BR发出跳闸信号，通过柜顶弧光故障跳闸公共母线触发相关开关柜保护装置BI开关量输入继电器，动作于断路器跳闸，完成弧光保护功能。

ABB RE*615保护装置配有断路器失灵保护，在断路器未能在设定时间内动作切除故障时，它能及时启动断路器失灵保护逻辑，发出跳闸指令给后备断路器切除故障，此时柜顶报警和跳闸公共母线可兼作断路器失灵保护母线。

3 结束语

电弧光保护对于快速切除中低压开关柜电弧光故障、减少设备损害和保护人员安全，发挥着其它保护不可替代的作用。目前在一些国外的工程设计中，弧光保护都是中压开关柜保护的基本要求，而在我国冶金行业中压配电系统中，弧光保护应用还比较少，因此，中压开关柜弧光保护具有良好的应用和推广价值。不同于国内其它弧光保护，需要配置单独的弧光保护主单元及辅助单元，本文介绍的弧光保护是中压开关柜综合保护装置的可选附加功能，通过设置柜顶弧光报警和跳闸公共母线实现中压配电系统的弧光故障保护动作逻辑，弧光保护系统接线简单，方便，可靠。