摘要：110kV红河油田专用变电站10kV母线保护，受各种原因限制，仅配置了母线充电保护，具有一定的局限性。随着国家变电站相关技术的持续快速发展，对设备的安全性、稳定性、可靠性、选择性及信息的快速反馈等都提出了更高的要求。110kV红河油田专用变电站10kV母线保护，受各种原因限制，仅配置了母线充电保护，具有一定的局限性。随着国家变电站相关技术的持续快速发展，对设备的安全性、稳定性、可靠性、选择性及信息的快速反馈等都提出了更高的要求。
关键词：弧光；保护装置；母线；动作时间
一、前言
近年来弧光引起的事故增速较快。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，传统采用的方式主要有馈线过流保护闭锁变压器过流保护和采用环流原理的高阻抗母线保护等。馈线过流保护闭锁变压器过流保护原理为：当变压器过流保护采集到故障电流而馈线无故障电流，则判定为故障点在母线上，馈线过流保护开放闭锁，变压器过流经短延时动作出口切除故障；反之，如馈线过流保护动作，则判定故障点不在母线上，馈线过流保护闭锁变压器过流保护。此种方式保护动作时间一般为300-400ms，时间略长。采用环流原理的高阻抗母线保护保护与差动保护原理相似，但对CT的要求高，需要复杂的接线，而且投资较大。其次多数也采用主变中、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1.0-1.2s的动作时间，变压器中后备保护动作时间普遍为1.2-1.5s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，电弧甚至可将开关柜内的金属器件点燃引爆，引发火灾，大面积损毁配电设备，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。而110kV红河油田专用变电站10kV母线保护，受各种原因限制，仅配置了母线充电保护，仅在空母线送电时投入，母线充电完成后便自动退出，具有一定的局限性。难于保证配电系统安全稳定运行，需要配置专用的保护设备，用于快速切断故障并确保电网的安全稳定运行。
二、母线弧光保护原理、应用模式的研究
2.1电弧光的产生及危害
变电站母线短路，都会产生电弧光及大电流。弧光是电流通过电离空气产生的放电现象，典型的弧光放电现象一般少于1秒，核心温度高达20000摄氏度，具有爆炸性，破坏力极强。电弧的形成一般可分为以下四个阶段：第1阶段为压缩阶段，持续时间约5~15ms。在这一阶段温度快速上升并产生动态压力波。第2阶段为膨胀阶段，持续时间约5~15ms。因燃弧区和周围空气之间存在的压力差，开始产生气流。第3阶段为排放阶段，这一阶段可能持续上百毫秒。由于电弧能量继续输入燃弧点，产生的强力高速气流的热量及所带的炽热微粒使内部电弧开始形成对外部的影响。第4阶段为热效应阶段也是最后阶段。在这一阶段里包围短路电弧的空气几乎可以达到与电弧相同的温度。也是从这一阶段大部分的燃弧能量开始作用于开关设备的固体零部件。此时开关壳体设备开始被烧穿，大约150ms左右电缆开始燃烧，200ms左右铜排燃烧，到了250ms左右（开关柜）钢材开始燃烧。所以，从保护设备的角度来说，我们最好在第四阶段前切除故障，可是依靠目前采用过流保护长达1秒以上的动作时间，对于为开关柜内部弧光短路来说其保护效果基本是忽略不计的，高压开关柜烧得报废了保护才开始动作，切除故障点，事后故障发生地都没有办法确定。第四阶段中电弧燃烧、爆炸所释放的巨大的能量也可能对附近工作人员造成巨大的伤害。
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2.2母线弧光保护原理技术研究
弧光保护经过近几年的逐步发展，已经较为成熟，弧光保护的切除时间一般少于100ms。为解决红河油田110kV变电站10kV母线保护缺陷问题提供了一种新思路及方法。弧光保护一般采用光纤传感器作为电弧光探测单元，电弧现象产生时会伴随强烈的光辐射，弧光传感器可以探测到柜体内出现的弧光并判断强弱。在弧光单启动跳闸方式下，应对指定设备从不同角度配置 2 个及以上数量的弧光传感器， 经过与运算后再出口。当弧光监控系统检测到故障信号，会发出动作信号给断路器，反应时间一般仅为1毫秒。电弧光保护为了增强可靠性通常采用采用检测弧光和过流双判据原理。弧光与过流双判据保护，各区域电流、弧光及时间定值都可以单独进行整定，也可以通过分别设置过流、弧光保护软压板来控制保护的投退。当电弧光保护装置同时满足电流越限和过流时间越限及电弧光越限和弧光时间定值越限时，才执行保护出口动作，跳开保护出口指定开关。具有原理简单，动作迅速可靠，适用于各种运行方式，在各种运行方式下保护都不需要切换等优点 。另外，弧光保护装置中一般包含有电流检测及断路器失灵保护 ，系统只有同时弧光定值与弧光时间定值越限和过流定值及过流时间定值越限时才发出跳闸指令。当进线断路器未能拒动不能正确切除故障时，它将立即启动断路器失灵保护逻辑，向上游断路器发出跳闸指令切除故障。故障时弧光保护装置还能根据相应弧光传感器的动作信号以及温度传感器传输的温度信息向远程监控后台提供弧光故障点的定位信息和温度报警等。
2.3弧光传感器的研究
电弧光传感器可以检测电弧光的强弱程度，也是将弧光信号传输给电弧光保护装置进而根据电弧光的强度程度判断是否需要切断系统电源。所以弧光传感器在整个电弧光保护系统中也起着非常重要的角色。主要可分为电流型及光纤型两种，一般弧光传感器连接线最大长度100米，可以单独检测可见光及紫外线，也可同时检测两种光。弧光传感器安装在高压柜内部作为光感应元件，当高压柜内部发生短路故障产生弧时，传感器检测到突然上升的弧光信号，立刻将光信号通过光纤等传输给弧光保护装置及附属，弧光保护装置将光信号转为电信号之后进行相应处理及运算，以实现由可靠的、有选择性的保护。选择同时检测可见光与紫外线的传感器将减少安装工作量，也会降低投资。
2.4红河专用变电站10kV母线弧光保护模式的研究
通过对弧光保护装置及附属配件的原理研究以及弧光保护系统模式应用的研究，综合红河油田110kV专用变电站10kV为单母线分段系统，可于10kV I段母线、可于10kV II段母线分别安装一套弧光保护成套装置实现母线的全时限保护。其交换机也可以使用原继电保护系统的空余端口。接线方案：①电流信号：由于10kV高压开关柜中的电流互感器绕组已全部在使用状态，无多余绕组使用，故将测量绕组电流端子排通过继保装置后串接入弧光保护系统。②电源输入：主机的电源端子通过两根线（L、 N）并联接于本高压开关柜的装置电源下端。③弧光传感器模拟量信号：信号线通过高压开关柜体间预留接线孔穿越高压开关柜接线。④GPRS对时：通过RS485接线与站内对时系统通讯。
2.5弧光保护系统远程监视系统的建立
红河油田110kV专用变电站作为红河油田的核心变电站，自动化程度很高，也需要配备弧光保护专用的实时在线监测系统。由于变电站内部的所有信号报警都集成在原后台远程监控系统中，单独的弧光保护后台监测不利于变电值班人员的日常监护工作，故可通过公用测控装置的多余开入量与后台报警中的电铃电笛设置相结合，将弧光保护的报警事件、跳闸事件等信息接入原继电保护系统空余开入中，通过合理设置报警模式将其引入原变电后台监控系统中。实现统一的远程监控。
三、总结
弧光保护中引入了弧光定值量，将成功实现母线保护的全时限保护，并能成功将母线故障保护时间缩短到约65ms左右，低于100ms。弧光保护系统的快速动作特性，可以使母线及电缆在事故发生初期就保护动作跳闸，迅速切除故障源，避免了设备过度损坏及电气爆炸的人员安全事件。
论文作者:王敏正
论文发表刊物:《电力设备》2019年第1期
论文发表时间:2019/6/21
标签：弧光论文; 母线论文; 电弧论文; 红河论文; 变电站论文; 故障论文; 时间论文; 《电力设备》2019年第1期论文;