浅谈电弧光保护在（3~10kV）厂用系统中低压母线保护的应用

钟晓鹏

摘要 ：传统的（3～10kV）中压、低压母线保护方案不能快速有效地切除短路故障，降低对人身和设备安全的危害，本文介绍了一种采用弧光检测和高速过流检测双重判据的中低压母线保护方案。

关键词：发电厂;开关柜;母线;电弧光保护

1.概述

随着工业现代化的发展和电力装备技术的进步，中低压厂用电系统负荷也越来越大，将中、低压成套组合开关柜通过母排硬连接的越来越多，当开关柜内发生弧光短路故障时，将使连结在故障母线上的所有设备解列，还有可能波及其它设备，造成事故范围扩大。

在中性点不接地的电力网的运行中，出现单相接地后，允许带接地点运行的时间一般不超过2小时，这提高了供电的稳定性，但非故障相对地电压升高为线电压，对系统绝缘不利。高阻抗类型的接地故障能延长接地故障保护的动作时间，导致了弧光能量相当大的累积。由于母线短路故障电流大，持续时间长，后备保护延时长或拒动等原因，导致故障切除时间延长，增加了对设备和电力系统的危害。

我国现行的继电保护和安全自动装置技术规程，对35 kV及以下的母线一般未配置专门的保护，而是由发电机或变压器的后备过流保护来切除母线短路故障，为了保证其选择性，其动作时限需要按照时间阶梯原则配合，即自负荷侧到电源侧的动作时限逐级拉长，典型的保护动作时间一般为1.2～1.4 s甚至更长达2.0s以上，远不能满足在100ms内快速切除故障的要求。

2.中低压母线短路故障的危害

在开关柜中发生故障的直接表现形式是电弧光放电燃烧，弧光发生点的温度是35.000°F，为太阳表面温度的4倍。电弧光形成后可以300m/s的速度爆发，爆破压和高温不仅严重损坏故障设备本身，造成开关柜内金属汽化、电缆熔毁、盘体变形，还可能迅速扩散到相邻柜体，只要系统中不断电，燃弧就会一直存在。由于周围空气被电离的作用，电阻降低趋近于零，受损的严重程度与故障电流大小及燃弧时间有关，由于发生弧光故障在断路器动作前，故障短路处电弧是一直在燃烧的，保护动作时间加上断路器动作时间之和，即为电弧燃烧的持续时间。

国外一般采用IEC298中附录AA中指定的100ms的内部电弧额定时间作为电弧故障防护标准，它指的是开关柜可以承受的内部电弧燃烧时间。如果发生开关柜内部故障时保护动作切除故障的时间在100ms以内的话，对开关设备及附近人员的损害可限制到最小。

各种燃弧时间对设备造成的破坏作用如下：1）35 ms没有显著的损坏，一般可以在检验绝缘电阻后投入使用;2）100 ms损坏较小，在开关柜再次投入运行以前需要进行清洁或进行小的修理;3）500 ms设备损坏很严重，在现场的人员也会受到严重的伤害，必须更换部件后再投入运行。

根据继电保护快速性的要求，在开关柜耐受燃弧时间以内快速切除故障，最大限度地限制电弧燃烧释放的能量，是最有效的限制弧光短路故障损坏开关设备及变压器的防护措施。

3.电弧光中低压母线保护系统

电弧光保护作为一种针对中低压母线系统运行特点开发的系统，可以在开关柜发生弧光故障的时候，迅速动作，最大限度地减少弧光的危害。

1）电弧光保护的原理

开关柜内发生短路故障时，燃弧伴随着多种物理特性，通过检测这些特征量的变化，来判断是否发生故障。电弧光保护是基于检测内部故障时发出的弧光为主，在实际应用中为了防止误动作还引入了过流信号闭锁条件。采用这种新原理的保护所提供动作时间为5 ～ 7ms，加上断路器的固有动作时间，对于开关柜各单元室的故障总清除时间可保证在100ms以内，并留有一定的裕度。

电弧光保护由三部分组成：保护主单元、I/O辅助单元、弧光传感器。保护主要判定依据为故障产生的两个不同因素：弧光及电流增量。

主单元作为控制中心包含有电流检测和断路器失灵保护功能，它通过检测支路电流和来自弧光传感器的动作信息，对收集的数据进行处理、判断，在满足跳闸条件时发指令以切除故障。主单元一般安装在电源进线柜中，每个主单元可接入多个辅助单元，它与辅助单元采用总线通信，以实现有选择性的切除母线故障。

安装在开关柜中的辅助单元可接入多个弧光传感器，当系统发生短路故障时，辅助单元收集来自弧光传感器的动作信息并传送给主单元，在主单元上显示辅助单元和弧光传感器的地址编号，有利于及时准确地定位故障开关柜，为检修提供信息。

传感器安装在开关柜的母线室内，它作为光感应元件，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辅助单元。通过弧光传感器实现对保护分区的覆盖，交换弧光和过流动作信息，可向各段母线提供有选择性的保护，适用于各种运行方式。

2）电弧光保护的作用

保护附近工作人员免受電弧故障物理效应的伤害;限制燃弧时间，令元器件损坏程度降低至最小;减少开关柜的维修费用，延长设备寿命;定位故障点，最大限度地减少停电时间，尽快恢复生产;保护变压器免受长期短路冲击电流而损坏，避免事故扩大;

3）电弧光保护对比传统保护方案配置：

电弧光保护切除故障总时间为80～100 ms，并且不会给开关设备外观上造成明显损坏，远远小于变压器后备过流保护的保护动作时间，在发生电弧光故障的开关柜内的设备严重受损之前，就可以及时切除供给的短路电流，使损失降到最小。电弧光保护装置是针对中低压母线运行方式的保护装置，馈线回路数量可扩充，动作时间较快，误动的可能性较小，可靠性高，并且具有故障定位功能。而变压器后备过流保护并不具备故障定位功能。由于变压器后备过流保护不需要单独装置，已包括在发变组保护装置中，而电弧光保护需要专门配置，现场工作量较大。

4.结语

电弧光保护作为一种针对中压开关柜故障特性开发的中低压母线保护系统，具有原理简单、灵敏度高、动作可靠迅速、对一次设备无特殊要求、适应于各种运行方式等优点，限制了短路故障弧光所造成的危害，提高了故障处理速度，将事故的损失降到最低，保证了设备的可靠运行和供电的连续性，满足厂用电系统的安全及经济运行的要求。

参考文献：

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（四川省水利规划研究院，四川 成都 610072）