弧光保护系统在中低压开关柜的应用

弧光保护系统在中低压开关柜的应用

魏宾

西安供电局

摘要：在中低压配电系统中，弧光事故对母线、变压器造成近距离短路故障冲击，如不能及时切除，可引起变电站开关柜和其它设备故障，造成严重的损失和重大人身伤亡事故。为了保证中低压配电系统安全稳定运行，需要配置专用的保护设备，用于快速切断故障。本文分析了中低压设备运行存在的问题，对中低压母线弧光保护装置的原理和系统构成进行了分析，结合实际使用情况，分析其技术优势和现有弧光保护存在的问题，在此基础上对弧光保护运行提出建议。

关键字：弧光；开关柜；母线；保护

中国分类号：TM774.1 文献标志码：A 文章编号：

Application of Arc Protection System in Medium and Low V oltage

Switchgear

Abstract：In MV & LV distribution network, arc fault will have short-circuit impact in short distance on bus bar and transformer. If not separated in time, it will cause failure of substation switchgear and other devices, resulting into great loss and severe personal casualties. In order to insure safe and stable performance of MV & LV distribution network, appropriative equipments are needed to cut off failure quickly. In this paper, problems existing in MV & LV facilities’ working , together with principle and systematic construction of MV & LV bus bar arc protection appliance are dissected. Analysis of MV & LV bus bar arc protection appliance’s technique superiority and temporary problems of arc protection is made,combining its practical use. And based on that, advice on operation of arc protection system is proposed.

Keywords：arc; switchgear; bus bar; protection system

0引言

近年来，随着我国经济的快速发展，中低压配电系统的规模应用越来越大，由于弧光引起的事故也随之增多。目前，我国在中低压母线（35kV\20kV\10kV）普遍不装设低压母线速断保护，主要是采用主变中、低后备对低压母线进行保护。但是由于变压器低后备保护动作时间普遍为0.9-1.2s的动作时间，变压器中后备保护动作时间普遍为1.5-1.8s的动作时间，中低压母线故障切除时间往往超过Ⅱ、Ⅲ类变压器动稳定时间，对母线、变压器造成近距离短路故障冲击，短路电流大，冲击时间长，如不能及时切除，电弧可将开关柜内的器件点燃，引起火灾，大面积烧毁配电设备，甚至破坏站内直流系统，造成严重的损失和重大人身伤亡事故[1-3]。为了保证中低压配电系统安全稳定运行，需要配置专用的保护设备，用于快速切断故障。

本文对中低压母线弧光保护装置的原理和系统构成进行了分析，结合实际使用情况，指出其技术优势和现有弧光保护存在的问题，在此基础上对弧光保护运行提出建议。

1 电弧光及其危害

在电力系统输配电线路和开关柜中，经常会由于短路故障而出现很大的电流，从而使整个系统遭到破坏甚至瘫痪。在电路短路的瞬间会出现温度急剧增加，周围空气发生电离，进而引起电弧性短路起火而发出刺眼的强光，而对于通电的两个电极，在其接触的瞬间和离开的瞬间均会产

生耀眼的强光，这种强光即是电弧光。

按照电弧光发生的机理不同，可分为带电导体间的电弧、带电导体与地之间的电弧和绝缘表面的爬电。

1）带电导体间的电弧性短路起火：该情况下有两种可能，其一是两导体（如相线与中性线）接触时因短路电流产生的高温，使接触点金属熔化，之后金属熔化成团收缩而脱离接触的过程，在这种情况下可能建立电弧。其二是线路绝缘水平严重下降，雷电产生的瞬态过电压或电网故障产生的暂态过电压都可能击穿劣化的线路绝缘而建立电弧。

2) 接地故障电弧起火：在电气线路施工中，由于带电导体绝缘外皮与钢管间的摩擦会使绝缘薄膜严重受损，另外，发生雷击时地面上出现瞬变电磁场，它对电气线路将感应很强的瞬态过电压，芯线上感应的瞬态过电压是基本相同的，而电缆梯架则因接地而为地电压。因此，芯线对地的电位差较大，非常容易引起接地故障电弧。

3) 爬电起火：爬电是指电弧不是建立在空气间隙中的电弧，而是出现在设备绝缘表面上的电弧。例如当绝缘子表面附着了大量污秽在潮湿或淋雨环境中由闪络发展而来的表面放电，还有电源插头的绝缘表面上的一个或多个相线插脚和PE 线插脚，它们之间的绝缘表面极有可能发生爬电。

以上各种情况下，都极易产生电弧引起火灾，因而要有效的捕捉电弧光并及时的断电来保护电力系统或保护装置。然而，要有效的捕捉电弧光，就需要对电弧光的光信息做出科学的分析，以适用性较高的单位度量电弧光，准确判断电弧光的产生并快速进行动作处理，以有效预防破坏的恶化，从而起到保护作用[4]。

2 弧光保护系统组成

电弧光保护均采用模块化方式构成系统，一般包括主控制单元、扩展单元（包括各种电流采集扩展单元、弧光采集扩展单元、跳闸出口中间扩展单元）、弧光传感器（点式传感器、光带型传感器）等多个模块构成[5]。

弧光传感器是检测弧光的重要元件，主要分为两类，一类为带式光纤弧光传感器，一类为点式弧光传感器。

带式光纤弧光传感器主要应用于空间狭小并且遮挡较多的应用场合，采用一根光纤传感器布置在所有需要检测的场合，整根光纤均能检测弧光信号，优点为布置方便，缺点为无法实现故障定位，光纤传感器长度受限，在开关柜较多时不方便实现系统扩展。

点式弧光传感器主要应用于开关柜母线室、开关室和电缆室，可以实现故障定位功能，施工便捷，系统扩展方便，缺点为现场每个传感器均需要联结至采集器，在开关柜内部施工时比较困难。

弧光传感器作为光感应元件，检测发生弧光故障时弧光信号，弧光传感器至弧光采集器采用光信号或者电信号传输。采用光信号传输弧光信号时考虑到开关柜体绝缘及现场施工的便捷性，各家均采用塑料光纤作为传输弧光信号介质，弧光传感器起到光信号采集、衰减及滤光作用，弧光的光电转换在采集器内完成。另外，还有部分传感器内置了光电转换功能，直接将光信号转换为电流信号，并采用电缆信号线作为传输弧光信号的手段。

主控单元负责分析处理来自弧光传感器和电流采集信息，并根据分析结果发出跳闸信号以切除故障。根据传感器的布置位置，主控单元还可以分析确定故障点的位置，提供定位信息。为了能够监测更多测试位置，系统还包含扩展单元，扩展单元可以进一步扩展传感器的数量。另外，扩展单元还包含电流采集信息模块，用于监测母线电流，在出现过流时发出保护信息。

各单元联接方式主要采用光纤、电缆星型连接或者电缆级联方式联接。采用星型联接时主控单元和电流采集扩展单元、主控单元和弧光采集扩展单元之间采用通信光缆或者电缆直接连接。采用电缆级联方式联接时主控单元、弧光采集扩展单元、电流采集扩展单元均配置多个通信接口，通过装置间中继方式联接。

基于模块化的配置方法，弧光保护系统可以适合于各种不同场合的电弧光保护应用, 可组成从只有一个主控单元的简单系统，到包含多个单元能用于选择性弧光保护的复杂系统。

3 弧光保护系统应用

3.1 DPR360ARC弧光保护系统

DPR360ARC是目前国内弧光保护系统应用较成熟的设备。该系统采用基于紫外传感器的弧光探头技术和基于FPGA 的高速串行通信技术，