电弧光保护装置发展状况综述

电弧光保护装置发展状况综述

发表时间：2016-07-18T15:30:57.443Z 来源：《电力设备》2016年第8期作者：陈波1 康真1 陈亮2 张军侠2 胡宇3 [导读] 期望为相关部门制定产品标准提供参考，也期望为电力同行全面了解内部电弧故障及电弧光保护产品提供帮助。

陈波1 康真1 陈亮2 张军侠2 胡宇3

（1.国网宁夏电力公司检修公司，宁夏银川 750011；2. 陕西德瑞森电气工程有限公司，陕西西安 710054；3.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001）

摘要:本文阐述了开关柜内部电弧故障的起因、危害、相关标准的具体要求以及电弧光保护在母线保护中的地位和积极作用，同时还介绍了国内外电弧光保护产品的基本状况，给出了电弧光保护产品的分类，分析了电弧光保护产品所涉及的关键技术，系统总结了电弧光保护产品自身及其市场推进中存在的问题，以期为相关部门制订产品标准提供参考、为电力同行全面了解这类产品提供帮助。

关键字：电弧光保护；母线保护；关键技术；快速识别；快速开断；故障预警1 概述

在我国，40.5kV及以下电压等级的配电系统大多为中性点高阻接地系统，开关柜内部或外部单相弧光接地虽不会出现短路电流，但由此引发的弧光接地过电压可达3.5倍相电压，甚至更高[1]，由此引发开关柜内部其它相的薄弱环节对地放电从而发展成相间电弧光短路事故的概率很大。在国外，52kV及以下电压等级的配电系统也有中性点低阻接地或直接接地的，那么单相弧光接地直接就是单相短路，若在开关柜内，瞬间就会发展为相间短路或三相短路事故。由于配电系统成本控制及继电保护配置的原因，在开关柜内部发生电弧短路这种小概率事件时往往需要1s以上才能完成故障识别及开断，这已经超出绝大多数开关柜内部电弧故障承受能力的极限。在高能电弧及故障电流长时间的作用下，开关柜自身会损毁，变压器会受到严重冲击或损坏[2]，相关的金属材料及绝缘材料会汽化，相邻开关柜也会被“火烧连营”，高温有毒气体、高亮度弧光或柜体高压燃爆会威胁到邻近人员的身体健康甚至生命安全，给企业带来重大的经济损失并可能造成不良的社会影响。电弧光保护装置也称电弧光母线保护装置，就是针对开关柜内部电弧故障设计的，目的是实现对故障电流及内部电弧的快速识别，以便在最短时间内直接触发电源侧断路器动作从而切除故障，达到保护电力设备及人身安全、降低恢复供电的成本投入、缩短恢复供电的时间的效果，并由此给电力企业或电力用户带来安全效益、经济效益和社会效益。但到目前为止，并没有关于电弧光保护装置的标准公布，所以这类产品呈现出千姿百态、五花八门的现象，其性能的确认还缺乏权威性，没有规范性的型式试验作为依据，一些性能指标都是厂家自我宣传，用户有些无所适从。本文着重归纳和展现目前产品的类别及性能差异，期望为相关部门制定产品标准提供参考，也期望为电力同行全面了解内部电弧故障及电弧光保护产品提供帮助。

2 开关柜内部电弧故障

GB3906-1991《3-35kV交流金属封闭开关设备》参照采用IEC298(1990)《1kV以上52kV及以下交流金属封闭开关设备和控制设备》在其“设计和结构”章节(6.16)对开关柜的内部电弧故障性能作出了规定：当引燃内部电弧时，不应伤及人，同时也不应该影响相邻的金属封闭开关设备的运行。要采取必要的防护措施，保证人身安全，但最重要的是应该避免上述电弧的发生，就是万一发生也能够限制它的持续时间和后果。在其“型式试验”章节(7.15)将内部故障电弧效应的试验列入了根据供需双方协议进行的试验项目[3]。在其附录A中，规定了试验持续时间：电弧持续时间的选择与保护装置确定的电弧可能的持续时间有关，一般取0.8~1s。在试验具有压力释放帘板的金属封闭开关设备时，仅就验证它对压力的释放阻力而论，电弧持续时间为0.1s一般已足够。

GB3906-2006《3.6kV-40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》，修改采用IEC62271-200：2003《额定电压1kV以上52kV及以下交流金属封闭开关设备和控制设备》(第一版、即IEC60298的第四版），取代GB3906-1991。标准定义了内部电弧级开关设备和控制设备(IAC)，即经过验证能满足在内部电弧情况下保护人员规定要求的金属封闭开关设备和控制设备(3.132)。在其“设计和结构”章节(5.101)明确了内部故障性能要求：满足本标准要求设计和制造的金属封闭开关设备和控制设备，原则上能够防止内部故障的出现。至少在其整个使用期间出现内部电弧的概率是很小的，但不应完全忽视。因产品缺陷、异常的使用条件或者误操作引起的外壳内部的故障可能导致内部电弧，如果现场有人，会造成伤害。并在其“型式试验”章节(6.106)将内部电弧试验列入IAC级开关设备和控制设备强制试验项目。标准还列出了内部故障的部位、原因及降低内部故障概率的措施，具体如下：

表1 内部故障的部位、原因及降低内部故障概率的措施举例

除采取上表中的措施之外，也可采取其它措施来提高内部电弧情况下对人员更高的防护，这些措施是为了限制此类事件的外部影响。下面是这些措施的例子：

(1)通过光传感器、压力传感器、热传感器或母线差动保护触发的快速故障排除；

(2)选用适当的熔断器与开关装置组合来限制允通电流和故障持续时间；

(3)通过快速传感器及快速合闸装置(灭弧器)把电弧转移到金属短接回路上来消除电弧；

(4)遥控；

(5)压力释放装置；

(6)仅当前门关闭时才允许可抽出部件移入和退出运行位置。

目前的情况是，第(5)和第(6)条已经在开关柜中普遍采用，第(2）条在熔断器-负荷开关组合电器中普遍采用，第(1)及第(3)条有少量采用。

在标准的附录A(规范性附录)中还给出了开关柜台内部故障试验方法，并规定了试验持续时间：制造厂应规定试验持续时间，标准推荐1s、0.5s、0.1s。

目前国内使用的开关柜一般都满足GB3906-1991，新上的变电站在设备采购时要求满足GB3906-2006，例如国家电网公司在设备招标技术条件上直接列出内部燃弧试验持续时间大于或等于0.5s的要求，有少数厂家按1s进行试验。按GB3906-1991型式试验的产品基本未做内部燃弧试验，而按GB3906-2006型式试验的产品必须强制进行内部燃弧试验，由此可见时代发展对开关柜产品安全性提出了更高的要求。但即便如此，型式试验是否按标准严格进行，厂家提供给用户的产品是否是型式试验确认的产品，我们有理由对此持怀疑态度。理由是，在国内过度竞争的环境下用户要求厂家提供的产品价格足够低廉，而燃弧持续时间由0.1s提高到0.2s，设备成本将上升10%，提高到1s设备成本将上升100%[4]，这显然存在矛盾。另外，现场事故已经暴露了开关柜在内部故障方面的实际性能[5][6]。用户不得不面对现实：仅依靠开关柜自身能力难以抵抗内部电弧故障破坏性的威胁，必须采取GB3906-2006给出的其它措施来提高内部电弧情况下对人员和设备更高的防护。图1是开关柜内部燃弧试验的现场效果，可见即使是通过燃弧试验的开关柜，在现场运行过程中一旦出现长时间内部燃弧故障，破坏力将是不可估量的。

图1 开关柜进行内部燃弧试验

3 中低压配电系统的母线保护方案

开关柜内部电弧故障发生在开关柜内，等同于母线故障，所以也属于母线保护范畴。而母线故障基本都表现为开关柜内部电弧故障的形式，所以两者的实质内容基本相同。电弧光保护属于母线保护方案之一。

3.1 变压器后备过流保护方案

这是目前国内应用最广泛的开关柜母线保护方案，由于考虑到与馈线和母线分段开关的阶梯时差配合原则，以致到进线开关时延已达1.0s~1.4s，甚至更长[4][7]。显然，这个保护方案的突出问题就是快速性严重不够，不能达到开关柜内部电弧故障的有效保护。不仅如此，持续的故障电流对变压器绕组将造成强大的热效应冲击，使配电系统的设备安全面临巨大风险。

3.2 简易母线保护方案(馈线电流闭锁式母线保护)

利用微机继电保护采用传统方法识别进线故障电流及馈线故障电流，两者同时存在，则通过馈线继电保护输出信号闭锁进线继电保护，否则开放进线继电保护[8]，这是近年来国内外应用较广泛的方案。其典型动作时间300ms以上[4]，与变压器后备过流保护方案相比有了很大进步。

3.3 基于GOOSE的母线保护方案

智能数字化变电站是建立在“一次设备智能化，二次设备网络化，符合IEC61850标准”基础上的变电站[9] [10]。基于GOOSE(通用面向变电站事件对象）网络[11]，可以获得变电站包括开关量在内的所有信息，通过接口配置、光纤传输及逻辑运算就可以实现母线电流差动保护或简易母线保护方案的功能。由于传统的故障电流识别技术、中间环节的时延，在网络通信正常的前提下此方案的典型动作时间在100ms以上。

3.4 电弧光母线保护方案

利用电弧的光特性、热特性、超声波特性或周围气体压力特性来识别内部电弧的存在，作为第一判据；利用母线进线故障电流快速识别技术来判别故障电流的存在，作为第二判据。将上述两个判据进行逻辑组合后直接触发进线开关或母线快速短接开关，达到快速切除或转移内部电弧故障的目的。此方案不与其它继电保护装置发生关联，具有相对独立性，工程量小，典型动作时间约80ms~100ms，特殊的可以达到20ms以内。

3.5 其它母线保护方案

包括电流差动保护、电流相位比较式母线保护、方向过流比较式母线保护，高阻抗保护等等[12]，这些方案接线复杂、对CT要求高，对馈线较多的中压配电系统来说施工量很大，成本也很高。这类方案的典型动作时间在100ms附近。

综上所述，从典型动作时间、成本投入及实施效果方面来看，电弧光母线保护方案在目前母线保护方案中占有一定的优势。

4 国内外电弧光保护产品基本状况

4.1 国外状况

上世纪60年代，欧美就开始了对电弧光短路故障的研究，80~90年代已经对这类故障有了深入了解，并提出各种弧光短路的防护措施[5]。电弧光保护系统作为一种主动性保护措施在欧美国家的一些电力系统和工矿企业应用已有近20年的历史。90年代ABB公司研发出