韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

摘要：隨著(zhù)變配電系統中6kV～35kV中低壓開(kāi)關(guān)柜的廣泛應用，由開(kāi)關(guān)柜內因弧光短路故障而引發(fā)供配電設備損壞事故目益增多。本文根據在新疆油田電網(wǎng)中因弧光短路引發(fā)的停電事故，結合相關(guān)理論分析了弧光短路故障的成因及特征，介紹了在實(shí)際工程使用電弧光保護裝置來(lái)減少因弧光短路故障引發(fā)停電事故的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：弧光短路；中低壓開(kāi)關(guān)柜；供配電設備；事故；電弧光保護

 

       隨著(zhù)變配電系統中6kV一35kV中低壓開(kāi)關(guān)柜的廣泛應用，由開(kāi)關(guān)柜內發(fā)生弧光短路故障而引發(fā)的供配電設備損壞事故Et益增多。中低壓開(kāi)關(guān)柜在內部發(fā)生短路故障時(shí)，必然出現電弧光的現象，而電弧光是供電設備損壞的能量來(lái)源。目前電網(wǎng)內無(wú)人值守的變電站數量迅速增多，但存在保護不完善的弱點(diǎn)，由于開(kāi)關(guān)柜的弧光短路故障沒(méi)有得到及時(shí)清除，發(fā)展為中低壓母線(xiàn)故障，事故范同擴大，弧光短路故障的高溫、高壓、高能通常會(huì )燒毀整段母線(xiàn)設備，造成變電站供電區域大面積停電的嚴重事故，進(jìn)而造成重大的經(jīng)濟損失。因此，在6kV～35kV中低壓開(kāi)關(guān)柜內安裝快速、可靠的電弧光保護裝置，快速檢測并切除開(kāi)關(guān)柜內的弧光短路故障，防止事故擴大，提高供電可靠性是十分有必要的。

本文根據在新疆油田電網(wǎng)中因弧光短路引發(fā)的停電事故，結合相關(guān)理論分析了弧光短路故障的成因及特征，介紹在實(shí)際工程使用電弧光保護裝置來(lái)減少因弧光短路故障引發(fā)停電事故的技術(shù)措施。

       電弧光短路故障是電力系統中比較常見(jiàn)的故障，絕緣損壞、外來(lái)物體進(jìn)入、人為操作失誤、設備老化以及系統方面的原因都可能引起電弧光短路故障。電弧是放電過(guò)程中發(fā)生的一種現象，當兩點(diǎn)之間的電壓超過(guò)其工頻絕緣強度就會(huì )發(fā)生。當兩點(diǎn)之間的電壓升高時(shí)，在電近處空氣中的正負離子被電場(chǎng)加速，在移動(dòng)過(guò)程中與其它空氣分子碰撞產(chǎn)生新的離子，這種離子大量增加的現象稱(chēng)為“電離"，空氣被電離的同時(shí)，溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧，這種放電稱(chēng)為弧光放電?；」夥烹娨话悴恍枰芨叩碾妷?，屬于低電壓大電流放電。只要放電點(diǎn)兩端的電壓提供的能量足以補償熱損耗并維持適當的溫度條件，電弧將會(huì )持續發(fā)生如果電弧被拉長(cháng)和冷卻，電弧會(huì )因維持它的必要條件缺，大進(jìn)而熄滅?；」夥烹姲措娀“l(fā)生的不同部分可分為帶電導體問(wèn)的電弧、帶電導體與地之間的電弧和絕緣表面的爬電。電弧故障的危害程度取決于電弧電流及切除時(shí)間，電弧產(chǎn)生的能量與It成指數規律快速上升(如圖1所示)按IEC一62271—200標準和IEEEC37．20．7標準規定．開(kāi)關(guān)柜能承受內部放電燃弧的時(shí)間僅為lOOms，目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的開(kāi)關(guān)柜基本是按照IEC標準制造，當總切除時(shí)間大于lOOms時(shí)．將會(huì )對設備造成不同程度的損害。實(shí)際中，當中低壓開(kāi)父柜內發(fā)生弧光短路時(shí)，南于電弧電阻的原岡，短路電流往往達不到過(guò)流、速斷整定值而不能快速動(dòng)作切斷故障、電弧持續燃燒的結果是釋放m巨大的能量。由于沒(méi)有得到及時(shí)清除，發(fā)展為中壓母線(xiàn)故障，燒毀開(kāi)關(guān)柜，造成變電站停電。

       中低壓殲關(guān)柜柜體內形成電弧的過(guò)程可分為4個(gè)階段。1)壓縮階段：電弧占據了整個(gè)空氣空間．柜內的空氣被加熱；2)擴展階段：柜體內壓力增加，在這個(gè)階段其壓力達到大值．并因為熱空氣的釋放而開(kāi)始減弱；3)發(fā)射階段：由于電弧能量的持續釋放．幾乎所有的柜內空氣被壓力擠壓出去；4)發(fā)熱階段：在驅逐出空氣后，柜內的溫度幾乎達到電弧的溫度，直至熄滅。此時(shí)，所有金屬和絕緣體在受到產(chǎn)生的氣體、炯霧和溶蝕物質(zhì)顆粒的侵蝕后融為一體。

       發(fā)生電弧的故障點(diǎn)局部高溫達2000℃一3000℃，可輕易引燃周邊可燃物質(zhì)，不僅可能燒毀開(kāi)關(guān)設備、導線(xiàn)、電纜，更甚者可能引起惡性電氣短路，引發(fā)火災。在有人值守運行的場(chǎng)所，電弧光還可能會(huì )對運行人員產(chǎn)生強光、燒傷、輻射、有毒氣體等人身傷害。

       近年來(lái)．新疆油田電網(wǎng)發(fā)生多起無(wú)人值守變電站內弧光短路故障引發(fā)火災，燒毀電氣設備，造成變電站停電的事故。以新疆油田電網(wǎng)中發(fā)生的近一次弧光短路引發(fā)變電站火災事故為例，負責新疆油田供電的陸梁35kV變電站內35kV電壓互感器發(fā)生c相接地，導致非接地相相電樂(lè )升高，擊穿電壓互感器B相絕緣薄弱點(diǎn)后．發(fā)生BC相短路，上級l10kV變電站線(xiàn)路保護動(dòng)作，35kV線(xiàn)路停電，BC相短路消除，隨后線(xiàn)路重合閘動(dòng)作，開(kāi)關(guān)重合后，35kV變電站恢復送電，但站內存在單相接地故障持續約20min，再次發(fā)生BC相短路，上級110kV變電站保護動(dòng)作，斷路器斷開(kāi)故障電流，重合閘起動(dòng)，母線(xiàn)保護動(dòng)作，斷開(kāi)故障電流。由于該35kV變電站是無(wú)人值守變電站，運行人員趕到現場(chǎng)時(shí)，變電站內35kV配電室已經(jīng)發(fā)生火災．35kVI段母線(xiàn)上開(kāi)關(guān)柜大部分被燒毀，變電站供電區域內的油田生產(chǎn)設施全部因停電停運，給油田生產(chǎn)造成嚴重經(jīng)濟損失。

究其原因，目前新疆油田電網(wǎng)電力系統6kV～35kV中性點(diǎn)采用的是不接地運行方式，根據《電氣事故處理規程》的規定，在出現單相金屬性接地時(shí)，可以運行1h-2h，在出現單相弧光接地時(shí)可以運行15min,上述事故變電站在出現單相接地短路后仍然運行20min左右．沒(méi)有及時(shí)切除弧光短路故障，直到相問(wèn)弧光短路燒毀開(kāi)關(guān)柜設備，導致上級變電站保護動(dòng)作。由此可見(jiàn)在實(shí)際作中一旦產(chǎn)生弧光接地，過(guò)電壓以及大的接地電流對電氣設備的損壞是十分迅速的。本次事故短路點(diǎn)發(fā)生在連接于35kV時(shí)線(xiàn)的電壓互感器上，故障很快波及到母線(xiàn)．但在目前保護配置中．中低壓開(kāi)關(guān)柜內母線(xiàn)沒(méi)有配置母線(xiàn)保護，母線(xiàn)上儲現短路故障只能依靠上的保護動(dòng)作(如變壓器的后備過(guò)流保護)，動(dòng)作時(shí)間為1.4s～2.0s，無(wú)法滿(mǎn)足快速切除母線(xiàn)故障的要求，導致事故擴大，開(kāi)關(guān)設備損毀。從電網(wǎng)宏觀(guān)層面分析，隨著(zhù)近些年電網(wǎng)內電力電纜使用數量的逐漸增多，在電力電纜與大地之間存在等效電容，其單相接地電容電流已經(jīng)達到了相當大的程度，發(fā)生事故的變電站單相接地電流經(jīng)過(guò)計算約為22A，正好處在及其容易發(fā)生單相弧光接地電流10A～30A的區間內，從而引發(fā)弧光短路故障。

       新疆油田電網(wǎng)中近年來(lái)發(fā)生35kV變電站因為弧光短路故障引發(fā)停電事故．經(jīng)分析都是南單相弧光接地引起過(guò)電壓，弧光接地在接地點(diǎn)造成弧光間隙性反復燃燒，而產(chǎn)生的過(guò)電壓倍數可達到正常相電壓幅值的3倍～3.5倍，其電壓幅值大大超過(guò)了電壓互感器絕緣層和對地空氣絕緣間隙所能耐受的電壓幅值．并在絕緣薄弱環(huán)節擊穿，造成相間短路，形成相間弧光短路，終引起火災．燒毀配電開(kāi)關(guān)設備。

       綜上所述，變電站弧光短路故障通常開(kāi)始于單相接地，因為中性點(diǎn)不接地運行方式，允許出現單相接地后短時(shí)間內繼續運行，在這段時(shí)間內，接地點(diǎn)處其易形成不穩定的間隙性弧光接地。從而產(chǎn)生過(guò)電壓．擊穿系統中絕緣薄弱地方。同時(shí)強烈的電弧將引起兩相或相短路，形成相間弧光短路，造成電氣設備嚴重破壞，危及供電。

3．1弧光保護原理

       電弧光保護主要是通過(guò)對檢測弧光與故障電流，將總故障切除時(shí)間控制在開(kāi)關(guān)柜可承受的燃弧時(shí)間內，將弧光短路的危害降到低。電弧光保護系統測量的光和電擁有不同的物理性質(zhì)的參數，系統利用光與電相與的判據原理，當個(gè)判據均滿(mǎn)足動(dòng)作要求時(shí)，發(fā)出跳閘命令動(dòng)作于斷路器跳閘(如圖2所示)。目前的電弧光保護響應速度，從檢測電弧光到繼電器跳閘輸出僅需要5ms～7ms的時(shí)間。

3．2電弧光保護在油田電網(wǎng)的應用

       國外在20世紀90年代初開(kāi)始將弧光保護用于中低壓開(kāi)關(guān)柜內部故障保護，目前電弧光保護在歐美國家得到廣泛的應用。中國于2000年后開(kāi)始使用進(jìn)口專(zhuān)用母線(xiàn)電弧保護，2010年后國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品也已投入市場(chǎng)。

目前在新疆油田電網(wǎng)實(shí)際建設運行中．對供電可靠性要求較高、停電后會(huì )產(chǎn)生較為嚴重損失的變電站(如新疆油田公司數據中~35kV變電站、克拉瑪依石化公司1#llOkV變電站)內的6kV～35kV開(kāi)關(guān)柜均安裝了電弧光保護裝置。項目中采用了電弧光保護裝置(如圖3所示)，在變電站內每段10kV高壓開(kāi)關(guān)柜內裝設一套電弧光保護裝置，完成在弧光短路故障下對母線(xiàn)和電纜頭的快速保護，可以避免弧光故障時(shí)產(chǎn)生的電弧光對設備及人員造成的嚴重傷害。在各回路的母線(xiàn)室、電纜頭室分別配置弧光點(diǎn)傳感器，當母線(xiàn)室內發(fā)生弧光故障時(shí)，快速斷開(kāi)本段母線(xiàn)的進(jìn)線(xiàn)斷路器和母聯(lián)斷路器；電纜頭室發(fā)生弧光故障時(shí)，快速斷開(kāi)出線(xiàn)回路斷路器而不影響母線(xiàn)及其他回路，故障擴大，減少停電范圍。

       電弧光裝置由控制主單元、I／O單元、弧光傳感器以及通訊連接電纜組成。其中主控單元主要功能為接收直接弧光擴展單元的弧光信號，對兩組三相電流、零序電流、零序電壓檢測。通過(guò)對接收到的數據進(jìn)行處理，通過(guò)電流過(guò)流和弧光雙重判據，進(jìn)行編程，發(fā)出跳閘指令。同時(shí)對所有單元持續自檢，具有斷路器失靈保護和弧光故障定位功能；弧光擴展單元功能主要為接人多個(gè)弧光傳感器(可多接人12個(gè)弧光傳感器)解決了主控單元弧光傳感器接入接口少的問(wèn)題，接收弧光信號后將弧光信號傳輸給主控單元、完成電纜頭弧光保護的跳閘輸出?；」鈧鞲衅骶哂?70°的檢測范圍，直接連接至弧光擴展單元，用于弧光的實(shí)時(shí)監測。通訊電纜：在主控單元與擴展單元和弧光傳感器之間傳輸電源、監控信號和跳閘信號。目前弧光保護裝置的整定值應小于主變后備保護過(guò)流I段定值，保護動(dòng)作時(shí)間應小于5ms。

裝置安裝運行至今已近半年時(shí)間，運行穩定．未發(fā)生誤動(dòng)、拒動(dòng)等現象。

       ARB5-弧光主控單元

（1）＊表示可選附件，需要另外增加費用1500元。

（2）主控板和采集板數量之和不能大于4。

（3）弧光探頭到采集板的長(cháng)度不能超過(guò)20米。

（4）如有特殊要求，請特別注明。

 

       弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下。

 

       隨著(zhù)電網(wǎng)的不斷發(fā)展，中低壓開(kāi)關(guān)設備在電網(wǎng)與用戶(hù)之間的“樞紐"作用越來(lái)越顯著(zhù)，而弧光短路故障對中低壓開(kāi)關(guān)設備的損壞以及對電力系統運行帶來(lái)了嚴重影響。電弧光保護作為一種可以快速切除中低壓開(kāi)關(guān)柜內弧光短路故障的技術(shù)手段，具有原理簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠迅速等優(yōu)點(diǎn)。因此，隨著(zhù)人們對電弧光保護認識的深入，其運行和整定也將更加成熟和完善，在丁程實(shí)踐中推廣使用電弧光保護。消除弧光短路故障對中低壓開(kāi)關(guān)設備的影響，保證用戶(hù)用電可靠性要求，具有重要的現實(shí)意義。

[I]馬曉煒，孫亮.淺談電弧光保護在新疆油田電網(wǎng)中的應用[J]．2017．

[2]吳志勇．電弧光保護在電力系統中的應用I．四川電力技術(shù)，2009，32(4)．

[3]王德志，張愛(ài)萍l電弧光保護在應用實(shí)踐中的改進(jìn)I．電力系統保護與控制，2009，24．

[4]閻相環(huán)．單相弧光接地故障分析和防范Ⅱ清源化工，2008，5(12)．

[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5（版）.

 

韓歡慶，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究中低壓綜合保護及絕緣監測系統