摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，我国综合国力显著加强，电气设备在运行过程中，发生电弧短路故障是十分危险的。据统计，大多数电气设备电弧事故是由人为错误引发的。电弧故障往往带来设备严重损毁、作业人员受到严重甚至致命的伤害。弧光保护装置因此应运而生，通过快速判别电弧故障，降低电弧故障持续时间。为确保动作的可靠性，弧光保护动作条件一般设定为弧光强度判据和电流判据，只有这两个判据同时满足才发出动作指令。
关键词：弧光保护；电流判据定值；设定
引言
目前，我国的电网容量不断扩大，中低压配电系统(35kV及以下电压等级)的规模也随之变大，中压母线短路容量愈来愈高。近几年常有开关柜或母线因绝缘损坏、操作失误、设备老化等原因产生弧光而被烧毁的事故发生。电弧中心温度约为20000℃，高温导致电缆熔毁，电缆护套着火，铜排、铝排等器件迅速气化；空气过热膨胀，产生巨大压力，使设备变形、破碎、爆炸，若冲击波波及站内直流系统将造成全站直流失电；爆破带来开关设备的剧烈振动，使固定元件松脱；开关柜内电弧持续燃烧，产生大量高温金属气体会造成两相短路和三相短路；没有灭弧保护的情况下，往往熔毁开关柜或一整套机组，使其无法修复，损失巨大。造成重大的经济损失和人员伤害。
1电弧光保护系统的原理
通过对弧光传感器的物理位置进行构建，电弧光保护系统判断，对开关柜内部的弧光检测来判断是否发生了弧光故障.方法是利用弧光传感器检测电弧是否发生了明显的变化，如果有明显的变化，则通过传感器将非电量信号电弧转换为电信号进行处理，发出跳闸信号，实现对弧光故障的保护.在实际应用中，常常还引入过流信号来避免外界光干扰引起的误跳闸.即要先检测是否有弧光信号，如果存在有弧光信号，则再检测电流是否有突变量，如果两者同时满足条件，就认为发生了弧光故障，发跳闸指令来切除故障;即只检测到弧光和电流突变其中之一时发报警信号，同时检测到这两种信号则发跳闸命令.两者配合提高了系统的可靠性，防止系统误动.弧光探头的覆盖范围是由其分布决定的.同时通过对弧光探头的位置信息进行检测，弧光保护系统可以实现故障定位功能，帮助寻找故障点并进行维修.
2弧光保护中电流判据定值的设定
2.1按系统最大负荷电流设定电流保护定值
如按照DL/T1504—2016的附录D中推荐，根据系统最大负荷电流，考虑保险系数后，电流定值推荐设置为1.1In～1.3In。如某省电力公司对于弧光保护电流定值，按主变低压侧的1.8In～2In进行设置。此类方法设定相对简单，无须复杂的系统短路计算，正常情况下，最大负荷不会超过电源侧电流互感器的额定电流。为了确保动作的快速性，弧光保护装置的电流动作判据并非如常规继电保护装置一般采用全周傅里叶算法或全周差分傅里叶算法计算电流幅值(有效值)，而是采用瞬时值等特殊算数，对电流瞬时值或电流瞬时值“与”电流变化率di/dt来快速计算电流幅值(有效值)。如果电流波形不是对称的正弦波，这些算法往往存在一定的误差(误差主要为负误差，即计算值比实际值大)，影响动作的可靠性。
2.2主单元
主单元包含有电流检测和断路器失灵保护,它通过检测短路电流和来自弧光传感器的动作信息,并对收集的数据进行处理、判断,发出跳闸信号以切除故障。该系统只有同时检测到弧光和过流时才发出跳闸指令。在进线断路器未能动作切除故障时,它将启动断路器失灵保护逻辑,发出跳闸指令给上游断路器切除故障。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆此外,主单元根据辅助单元传送来的弧光传感器的动作信息和温度传感器测量的温度,提供弧光故障点的定位和温度报警信息。每个主单元最多可接入10个辅助单元,它采用RS485总线与辅助单元通信。主单元中具有二进制I/O接口供主单元之间交换过流和弧光传感器动作信息,以实现有选择性的切除整流系统故障。
2.3控制单元
控制单元包括触摸屏、电源与充电模块、6路开入量接口、无线通信接口、以太网接口以及USB接口，实现对光源和电流发生器的控制，能够控制发光强度、电流大小和两者之间的时间配合。通过触摸屏实现人机接口，用户体验好，操作简单方便；6路开入量接口负责采集弧光保护装置的动作信息，计算保护动作时间；通过无线通信接口连接光源；通过以太网或电缆接口连接电流发生器；打印机或U盘与控制单元之间通过USB接口连接，实现打印、拷贝等功能；控制单元供电电源为220/110VAC/DC，亦可由自带电池供电，保证工作3小时以上，方便使用，满足现场检测需求。
2.4电弧光传感器测量精度试验
试验器材:标准测试光源，照度检测仪，封闭的黑色内壁测试箱，被测弧光保护装置.试验步骤如下:a)在没有干扰光的黑色内壁测试箱内，如图5所示，安装好标准测试光源，标准照度检测仪传感器，被测电弧光传感器，将电弧光传感器连接在弧光保护装置上b)将弧光保护装置的动作逻辑设置为:仅检测弧光;c)打开标准测试光源，弧光传感器未动作;d)用推杆推动电弧光传感器靠近光源，观察弧光保护装置动作情况;e)当弧光保护装置可靠动作时，停止推杆移动，从标准照度检测仪上读取可靠动作值;f)不断按下装置复归按钮，同时拖动推杆远离光源，当装置可靠不动作时，从标准照度检测仪上读取可靠不动作值;g)重复上述步骤5～10次，记录每次的试验数据;h)将试验数据求平均值，作为本次测试的最终数据.
2.5按系统最小短路电流设定电流保护定值
弧光保护装置可以作为35kV及以下电压等级的母线主保护应用，在母线处发生电弧短路故障时，弧光保护能快速动作，减轻电弧短路故障对开关设备及附近作业人员的伤害。从这个角度出发，弧光保护针对的是开关设备内部的电弧短路故障。由于弧光保护的特殊性，要求动作越快越好;同时，不能因为快速性而牺牲可靠性，所以弧光保护的电流定值需要按最小短路电流进行选择。流过电源侧电流互感器的最小三相短路电流对称初始值为Ikmin″，具体计算可参照等效采用IEC60909的国标GB/T15544—2017《三相交流系统短路电流计算》。需要注意计算最小短路电流的前提条件:选用最小电压系数c，参见表1;选择电网结构及从电源和电网供给短路点的短路电流为最小时的供电方式;不考虑异步电动机的影响;计算线路阻抗时用较高温度时的电阻ＲL。
结语
在中低压开关设备中，弧光保护装置作为母线保护的主保护，针对的故障是释放巨大能量的电弧短路故障。短路电弧释放的能量与电弧持续时间成正比，故弧光保护装置动作时间越快越好，不适合有延时。电流判据作为弧光保护的主要判据之一，可靠性非常关键。按照系统的最小短路电流来设定电流定值，往往系统短路阻抗计算复杂，准确计算短路电流值比较困难。如果按系统的最大负荷来设定电流定值，只要妥当设置定值(如按规范要求的上限系数来设定)，是简单且可靠的方法。最后，有条件还需要复核电源侧电流互感器的实际计算准确限值系数，是否会在设定电流下饱和。
参考文献
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[2]白忠敏.电力用互感器和电能计量装置设计选型与应用[M].北京:中国电力出版社，2004.
[3]厦门ABB开关有限公司.UFES快速灭弧器产品说明书[Z].厦门:厦门ABB开关有限公司.
论文作者:李嘉辉
论文发表刊物:《电力设备》2019年第23期
论文发表时间:2020/5/6