弧光保护的必要性

弧光保护的必要性
弧光保护的必要性
安全生产建议书发布时间:[2014年11月17日]
建议在厂用/配电6KV（10KV）开关柜增设母线电弧光保护系统
母线电弧光故障时有发生
在我国电力系统中母线电弧光故障时有发生。

例如1992年浙江某电厂由于小动物造成厂用电一段母线烧毁；2005年山西某电厂检修工误入开关间隔电弧光事故造成二人重伤；2008年江苏某电厂厂用电开关柜在运行中爆炸造成机组停机；2008年浙江某供电局110/10KV变电站10KV开关柜电弧光爆炸造成一人死亡；2009年安徽某供电局220/35KV变电站35KV开关柜误操作电弧光事故造成一人死亡；2009年重庆某电厂厂用电进线柜电流互感器绝缘电弧光故障造成停机及厂用变压器返厂维修；上海某电厂一期，湖南省某电厂，黑龙江某电厂，广东某供电局，甘肃某供电局都曾有过沉痛的教训。

母线电弧光保护新技术产生的背景
由于多年运行表明中压开关柜内部弧光故障对人身及设备带来极大的损害，各国电力专家开始对电弧光故障进行研究及认识。

在世界上，大家公认的第一次对电弧光故障进行深入研究的人是Ralph Lee 先生。

在他的1982年美国电力电子工程师协会（IEEE）论文里Ralph Lee 先生第一次描述了电弧光故障现象及对人身的伤害。

1987年，Ralph Lee先生又发表了一篇IEEE文章讨论了电弧光故障产生的声音及压力的作用。

在1994年，美国劳工部重大工作事故统计显示全国范围内6588起由于电流引起的触电、火灾及爆炸事故导致548人死亡。

美国芝加哥的Capelli-Shellpfeffer, Inc.咨询公司报道过在美国每一天有5-10起由于电弧光致伤的人员需要住院疗伤。

不需要住院的伤病人员就无法统计了。

在1999年，美国电力科学研究院（EPRI）调查中指出在两年的统计里电力公司每一次电气设备故障除了其所造成的直接损失之外，产生的间接损失估计为1575万元美金。

美国电力科学研究院（EPRI）
还报告了在过去的十年里，一家生产企业每年平均有两起电弧光事故。

上个世纪80年代，在欧洲的国际电工委员会（IEC）修订了其IEC298-1981标准。

在附件AA中描述了中压开关柜内部电弧光故障产生的原因，解决方案及测试方法。

2003年11月，国际电工委员会（IEC）制定了新的中压开关柜标准IEC62271-200代替了其IEC298-1990标准，新的标准在防止开关柜内部弧光故障对人身及设备危害方面提出了更加严格的要求。

在北美，为了提高安全生产，加拿大电力和电子制造商协会（EEMAC）根据IEC298-1981的附件AA制定了EEMAC G14-1-1987在内部弧光故障的条件下金属铠装开关柜电阻的测试规则。

在IEC298-1981及EEMAC G14-1-1987标准基础之上，美国在2001年也出版了IEEE C37.20.7中压金属铠装开关柜内部弧光故障的测试导则。

此外，美国在电力职业安全生产方面针对电弧光弧闪事故建立了相关标准和要求。

美国国家防火协会（NFPA），作为美国国家电力规范（NEC）的一个补充，制定了NFPA 70E 2004 职业电力安全要求标准。

作为最快速度的专用母线电弧光保护应运而生。

它不仅能很好地应用于新装开关柜里也能方便地加装到已运行的开关柜中。

其目标就是在第一时间里切除弧光故障使人身伤亡及设备损害降到最低。

国内外中压专用母线保护的应用情况
在国外由于各国政府的重视和指令性文件及规程规定，欧洲、北美、苏联及英联邦诸国中压开关配置各种专用母线保护的比率已超过95%。

近年来由于中压开关柜标准（IEC62271-200）对防弧光故障要求的提高，作为新技术的母线电弧光保护大量的在中压及低压开关柜配套使用。

厂用/配电系统的6KV（10KV）母线一般不配置专用的快速母线保护是目前国内的典型设计做法，是符合国标《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》(GB50062－92)及现行的电力行业规程规范要求的。

这一设计规范导致了目前中压开关柜没有专用母线保护。

即专用母线保护“可用可不用”“景上添花”的局面。

为什么35KV及以下
的母线没有配置专用的快速母线保护？其中重要的原因之一是中压母线故障绝大部分情况下“没有系统稳定性的问题”。

因此，长期以来人们对中低压母线保护一直不够重视。

虽然国内外的中压开关柜的制造技术进步很快，6KV（10kV）母线发生故障的机率大为减少，但是由于厂用/配电的6KV
（10kV）系统出线多、操作频繁、容易受小动物危害、设备绝缘老化和机械磨损等原因，6KV（10kV）开关柜故障时有发生。

在发生母线短路故障时由于没有配备快速母线保护而未能在最短的时间里切除故障以至严重的操作人员人身伤亡事故发生；个别开关柜引发整段开关柜“火烧联营”的事故发生，甚至波及到变压器，造成变压器的烧毁。

随着我国国民经济的发展，我国对运行和检修人员的人身安全、国家安全生产规范及职业保险要求的要求不断提高。

在以人为本的今天，我们绝不能因为“没有系统稳定性的问题”而忽略了安全生产。

我国于2004年开始使用进口专用母线电弧光保护，目前电力系统，尤其是发电系统，约70% - 80%的新建电厂均采用了专用母线电弧光保护，一些电网公司，例如广东、甘肃等也开始批量使用专用母线电弧光保护。

成功案例：2010年4月22日08：16（当日有雷雨），南方电网（广东茂名110kV变电站)10kV母线51PT 柜A相避雷器发生爆炸；弧光造成三相短路，随后弧光保护动作，在50ms内跳开#1主变低侧501开关，有效避免了开关柜“火烧连营”重大事故的发生。

近期，其他省电力公司也高度重视，并开始了对快速专用母线电弧光保护的试点、评估及应用工作。

必要性1: 国内中压开关柜保护的现状和存在的问题
６ＫＶ（１０ＫＶ）厂用/配电中压开关柜为全厂辅机/供电系统的供电枢纽。

在发生内部故障时，是否能迅速地切除故障，对全厂/配电系统的安全运行至关重要。

但是，按目前的保护方案：中压母线尚没有配置任何专门的保护；而是由进线开关的相关后备保护来兼顾的。

但是进线开关与出线开关的保护需要相互配合：一般速断保护延时的级差至少为３００毫秒，甚至５００毫秒；而过流保护的配合级差更
是长达１－２秒。

所以，厂用/配电系统中压母线上所发生的任何故障都至少要延时切除。

换句话说，现有的厂用中压母线能在第一时间切除故障的保护还是个空白。

可是，我们只要稍加注意，就会不难发现不论是中压开关母线的上游还是下游的诸多电气设备无一没有配有快速保护。

相比之下，我们恐怕很难有充分的理由来说明，中压母线的安全性可靠性不应该受到不同样的重视。

鉴于中压母线的重要地位，任何故障的延时切除，都是我们极为不愿意看到的状况。

因为开关柜内的各种故障，其短路电流所产生的电弧及其大量的高温，使柜内气体急剧膨胀，可在极短的时间内达到顶峰，严重危及人身和设备安全。

必要性2：电弧光对人员及设备的伤害
电弧光发生时产生的高温（弧光发生点的温度是19427℃）灼烧人员皮肤；强光刺伤眼睛；感电侵害肌肉、神经；爆破压力（爆破点压力为120kPa，而人体能承受的最大压力为7.5 kPa）造成人员的坠落及碎片飞射；爆破音造成人员的耳膜、内脏震动损伤；毒气伤害人员呼吸系统。

电弧光发生时产生的大量气体，其压力波可造成盘体变形、破碎；电弧可使铜排气化的体积膨胀，空气因高温而膨胀（压力为120kPa）；爆破音造成盘内强烈震动，使固定元件松脱。

高温可造成电缆在100ms内燃烧、及所有绝缘材料的燃烧，造成铜排、铝在150ms内燃烧熔毁气化，并产生大量的浓黑有毒的烟气，这些含有大量碳黑烟气将以300M/s 迅速扩散至整段母线和开关柜，造成所有一次和二次设备表面的严重污染，使得绝缘电阻为零。

由于开关柜为刚性连接，结构紧凑，空间有限，使得任何方式的清理工作，都将是耗时，费力的。

更不用说受损设备的更换了。

最为重要的是整段母线的停役，给全厂带来的经济损失将是无法估量的。

同时要想使设备的绝缘完全恢复到原来的水平几乎是不可能的。

以下为国外的资料介绍的各种燃弧时间下对设备造成的损坏程度：
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
100ms损坏较小，在开关柜再次投入运行以前需要进行清洁或可能的某些小的修理
500ms设备损坏很严重，在现场的人员也受到严重的伤害，必须更换部分设备更换才可以再投入运行。

这里可能需要指出的是，电厂的厂用中压母线的短路水平，即使是300MW等级的电厂，也达近３０ＫＡ－４０ＫＡ。

这对于母线或开关柜内的故障点来说，任何延时的切除，都将是不能容忍的。

按照IEC62271-200规定，开关柜承受内部燃弧时间仅为100ms。

任何时间的延长，都将超出开关柜本身的设计承受极限。

这与开关的遮断容量完全不是一个概念。

必要性3：低压母线故障对变压器的冲击严重
据有关资料统计，一些地区的110kV及以上等级的变压器在遭受穿越故障电流冲击而直接导致损坏的事故，约占全部事故的50%以上。

与前几年相比呈大幅上升的趋势。

特别是变压器低压侧出口（低压母线）短路时形成的故障一般需要更换绕组，严重时可能要更换全部绕组，其后果和损失是何等的惨重。

按国际规定，１１０ＫＶ及以上等级变压器的热稳定允许时间为２秒；动稳定时间为０．２５秒，但实际上，在低压侧出口短路故障，靠过流后备保护切除的动作时间往往在１－２秒以上，远远大于变压器的动稳定时间. 所以, 可以说, 目前保护配置的不完善, 是造成变压器损坏的重要原因. 设备受损与否，或轻重与否，关键是能否在第一时间将故障电流切除。

所以，针对国内现有的厂用和配电中压母线保护配置的现状，非常有必要增设快速保护。

国内一些专家也一直强调装设专用中低压母线保护的重要性，用户也希望可以提供一种造价较低、原理简单、适用于6－35KV的母线保护，以最大限度减少母线故障对设备的损害，提高供电可靠性。

专用母线电弧光保护不仅动作速度快，可靠性高而且与其它专用母线保护相比有价格优势。

母线电弧光保护系统的可靠性
由于光电式电弧光保护系统测量的光和电是两个完全不同物理性质的参数，采用光信号，故障电流信号双判据的动作原理决定了他的误动率要比系统中其他主保护（包括变压器、进线、馈线保护）误动概率要小。

采用专用母线电弧光保护的好处
1. 保护附近工作人员免受电弧光对人身的伤害；
2. 保护中低压设备免受严重破坏，防止火灾发生；
3. 保护主变压器或者厂用变压器免受严重冲击而损坏；
4. 防止波及站用直流系统，避免造成巨大的经济损失；
5. 最大限度地减少用户的停电时间（用户停电恢复时间，由原来的2-3个星期减少到几个小时以内）；
6. 延长现有开关设备的使用寿命。

结束语：
随着人们对电弧光故障的进一步研究和认识，在上个世纪八十年代末及九十年代初，欧洲、美国相关专业协会及政府相关部门针对电弧光故障及其危害开始增改或制定相应的政策措施、技术标准及安全规范。

虽然中低压母线快速专用保护至今没有写入我国电力设计规程或电力二十五条反措当中。

但是，随着人们对电网运行智能化、可靠性和安全性的进一步要求，我们相信欧洲、美国及我国的相关专业协会及政府相关部门会对电弧光故障及其后果制定或增改更为严格的政策措施、技术标准及安全规范。

我们建议国内厂用/配电中压开关柜增设电弧光保护系统作为母线主保护，从而弥补目前中压开关柜现在只有母线后备保护的技术缺陷。

减少或避免中压开关内部电弧光故障带来的人身伤害，提高电力系统安全生产率；使开关及变压器等主要设备损失降到最低，在最短时间内恢复供电或生产；为变电站无人值守及坚强智能电网的建设提供必要的保障。