（电气工程专业论文）增强型电弧光保护在中低压开关柜中的应用研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 在电力系统变电所配电装置中广泛采用成套开关柜。由于这种开关柜尺寸都较 小，绝缘损坏，产品缺陷等，电弧短路引起开关柜的故障率很高，一般造成整段配电 装置完全损坏和用户长期停电。据国外统计资料表明，每年开关柜损坏比例达0 7 。 我国成套开关柜的故障率可能更高。另一方面，用户对供电的可靠性要求也越来越 高。基于以上原因，有必要对中低压开关柜装设专用快速母线保护一电弧光保护。 本文首先介绍了开关柜内部故障特性及其分析；其次介绍了各种电弧短路保护 装置的组成结构及动作原理；然后介绍了电弧光保护在供电系统的应用及v a m p 2 2 1 电弧光保护系统；最后在以故障电弧弧声、弧光、短路电流为表征信息的基础上， 提出了一种新的电弧保护方案。 关键词：电弧光保护，频谱分析，中低压开关柜，弧光故障 a b s t r a c t 1 1 1p o w e rs y s t e m s ，s e t so fs w i t c h g e a rh a v eb e e n 、7 l ，i d e l yu s e di nd i s 艄0 nd 嘶c eo f s u b s t a t i o n b e c a u s eo ft h i ss w i t c h g e a rh a l l d c a r tp 枷c u l a rt y p es w i t c h g e a ra r em es i z eo f s m a l l ，i n s u l a t i o na n dp r o d u c td e f e c t s ，s 谢t c h g e a ra r cs h o r t 倒tc a u s e dm e1 1 i 曲缸1 u r er a t e ， u s i n gt h ee n t i r eg e n e r a ld i s t r i b 砸o nd e 访c ec o m p l e t e l yd a m a g e da n du s e r sl o n 争t e m lp o w e r o u t a g e a c c o r d i l l ga b r o a d ，m es t 撕s 戗c ss h o wt h a tm e 觚衄a ld a m a g e ds w i t c h g e a r sa r eu pt o o 7p e r c e n t i f lc h j i l a ，也ef 越1 u r er a t eo fs e t ss 谢t c h g e a rc o u l db eh i 曲既0 | 1 1m eo t l l e rh l d ， 也er e l i a b i l i t ) ，o fe l e c 缸c i t ys u p p l yr e q u i r 锄即t si sa l s og e t t 协gh i 曲e r 锄d1 1 i 曲既f o rm e a b o v cr e a s o l l s ，i ti sn e c e s s a r yf o r 也ei n s t a l l 撕o no f1 0 w v 0 1 t a g es 、i t c h g e a rf o rr a p i db u s p r o t e c t i o n - a r cl i 星灿p r o t e c t i o n f i r s to fa 1 1 ，i i lm i sp a p m ec h a r a c t 缸s t i c so fi i l 七e n l a lf 各u l ts 稚c h g e a ra n dn l er e l a t i o n b e 时e e nd y n a n l i cs t a b i l i t yt i n l eo f 仃a 1 1 s f o m e ra n da c t i o nt i i n eo fl 、协仉7p r o t e c t i o na r e i n 乜o d u c e d s e c o n d l y 缸昀d u c e dv 撕o u sa r cs h o r tc i r c 柚tp r o t e 嘶o nd e v i c es 帆e ，m e c o n l p o s i t i o no fa c 廿o np r i l l c i p l ea 1 1 di t sa p p l i c a t i o ni np o w e rs u p p l ys y s t e m ，嬲w e l l 鹊 蝴p 2 21a r co p t i c a lp r o t e “o ns y s t 锄；o nt l l eb 2 l s i so fc h a r a c t e 比a t i o ni n f o n n a t i o no fa r c f a u l t ，s u c ha ss o u n da r c ，a r ca n dt h es h o m c 沁u i t t an e we l e c t r i ca r cp r o t e c t i o n p r o 咖i sp 哪s e d ! 。 z h o n gs h e n g ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gj i a d o n g k e yw o r d s ：t h ea r cp r o t e c t i o n s y s t e m ，s p e c t r u ma n a l y s i s ，l v m v s w i t c h g e a r ，a r cf a u l t 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 在电力系统变电所配电装置中广泛采用成套开关柜。由于这种开关柜尺寸都较 小，绝缘损坏，产品缺陷等，电弧短路引起开关柜的故障率很高，一般造成整段配电 装置完全损坏和用户长期停电。据国外统计资料表明，每年开关柜损坏比例达0 7 。 我国成套开关柜的故障率可能更高。另一方面，用户对供电的可靠性要求也越来越 高。基于以上原因，有必要对中低压开关柜装设专用快速母线保护一电弧光保护。 本文首先介绍了开关柜内部故障特性及其分析；其次介绍了各种电弧短路保护 装置的组成结构及动作原理；然后介绍了电弧光保护在供电系统的应用及v a m p 2 2 1 电弧光保护系统；最后在以故障电弧弧声、弧光、短路电流为表征信息的基础上， 提出了一种新的电弧保护方案。 关键词：电弧光保护，频谱分析，中低压开关柜，弧光故障 a b s t r a c t 1 1 1p o w e rs y s t e m s ，s e t so fs w i t c h g e a rh a v eb e e n 、7 l ，i d e l yu s e di nd i s 艄0 nd 嘶c eo f s u b s t a t i o n b e c a u s eo ft h i ss w i t c h g e a rh a l l d c a r tp 枷c u l a rt y p es w i t c h g e a ra r em es i z eo f s m a l l ，i n s u l a t i o na n dp r o d u c td e f e c t s ，s 谢t c h g e a ra r cs h o r t 倒tc a u s e dm e1 1 i 曲缸1 u r er a t e ， u s i n gt h ee n t i r eg e n e r a ld i s t r i b 砸o nd e 访c ec o m p l e t e l yd a m a g e da n du s e r sl o n 争t e m lp o w e r o u t a g e a c c o r d i l l ga b r o a d ，m es t 撕s 戗c ss h o wt h a tm e 觚衄a ld a m a g e ds w i t c h g e a r sa r eu pt o o 7p e r c e n t i f lc h j i l a ，也ef 越1 u r er a t eo fs e t ss 谢t c h g e a rc o u l db eh i 曲既0 | 1 1m eo t l l e rh l d ， 也er e l i a b i l i t ) ，o fe l e c 缸c i t ys u p p l yr e q u i r 锄即t si sa l s og e t t 协gh i 曲e r 锄d1 1 i 曲既f o rm e a b o v cr e a s o l l s ，i ti sn e c e s s a r yf o r 也ei n s t a l l 撕o no f1 0 w v 0 1 t a g es 、i t c h g e a rf o rr a p i db u s p r o t e c t i o n - a r cl i 星灿p r o t e c t i o n f i r s to fa 1 1 ，i i lm i sp a p m ec h a r a c t 缸s t i c so fi i l 七e n l a lf 各u l ts 稚c h g e a ra n dn l er e l a t i o n b e 时e e nd y n a n l i cs t a b i l i t yt i n l eo f 仃a 1 1 s f o m e ra n da c t i o nt i i n eo fl 、协仉7p r o t e c t i o na r e i n 乜o d u c e d s e c o n d l y 缸昀d u c e dv 撕o u sa r cs h o r tc i r c 柚tp r o t e 嘶o nd e v i c es 帆e ，m e c o n l p o s i t i o no fa c 廿o np r i l l c i p l ea 1 1 di t sa p p l i c a t i o ni np o w e rs u p p l ys y s t e m ，嬲w e l l 鹊 蝴p 2 21a r co p t i c a lp r o t e “o ns y s t 锄；o nt l l eb 2 l s i so fc h a r a c t e 比a t i o ni n f o n n a t i o no fa r c f a u l t ，s u c ha ss o u n da r c ，a r ca n dt h es h o m c 沁u i t t an e we l e c t r i ca r cp r o t e c t i o n p r o 咖i sp 哪s e d ! 。 z h o n gs h e n g ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gj i a d o n g k e yw o r d s ：t h ea r cp r o t e c t i o n s y s t e m ，s p e c t r u ma n a l y s i s ，l v m v s w i t c h g e a r ，a r cf a u l t 声明户口月 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文增强型电弧光保护在中 低压开关柜中的应用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特 别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： ! 殖摹 日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：啦 日期：斫2 多 导师签名：董塞拯 日期：型2 丛：尘翌 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题的提出 第一章引言 近些年来，全国中低压开关柜事故不断。文献 1 中提到福建省近l o 年来，1 0k v 开关柜绝缘事故不断发生，其中绝缘事故约占开关全部事故的3 5 4 7 ；文献 2 报道 了青海朝阳、海湖、保安等变电所相继发生了开关柜事故引发1 0 k v 高压设备烧毁 事故，几乎造成高压室所有设备全部报废；文献 3 报道了2 0 0 4 年1 1 月1 0 日，龙岩 1 1 0k v 励处山变电站l o k v 高压开关柜发生“火烧联营 事故。由于继电保护不能 正确动作，短路持续达1 l m i n ，致使事故扩大，造成1 0k vi 段母线所有开关柜、主变 低压侧限流电抗器烧毁。 事故往往是出线或母线发生单相接地故障，由于接地点容性电流较大，接地点 电弧不能完全熄灭，电弧反复重燃，由于电弧电阻的原因，短路电流往往达不到过 流速断整定值而不能动作快速切断故障，又由于其它设备绝缘水平低，并迅速发展 为相间短路，电弧持续燃烧的结果释放出巨大的能量，从而造成灾难性的后果：开 关柜被严重烧毁开关柜的弧光短路故障，往往由于没有得到及时清除，发展为中 压母线故障，其危害是非常严重的。 由于中压开关柜弧光故障导致的电网设备损坏和停电事故不仅造成了相当大 的经济损失，而且严重地威胁了电网的安全稳定运行，直接威胁变电所正常运行和 运行人员的安全，对工农业生产也产生了一定的影响。因此研究应用弧光保护，进 而采取有效的保护措施，解决弧光短路问题，对于提高电力系统的安全、稳定性， 降低经济损失有很大的意义。 1 2 弧光保护的研究现状 4 近年来，人们注意到内部电弧故障除了电磁效应外，还有声、光、热、压力等 效应，于是利用电弧的这些效应，研制出各种故障电弧检测保护装置，以解决传统 的过流或零序过流保护动作时间太长的问题。例如：有的在开关柜不同单元内放置 压力传感器系统，由压力波触发，使给故障回路供电的断路器跳闸；有的采用利用 电弧产生的热量而动作的继电器，如阀式电弧保护继电器、金属丝电弧继电器；有 的利用电弧产生的电磁能量动作的保护装置，如电弧接收天线、单向电流电弧保护 装置、电弧接地保护装置；有的检测保护装置通过检测绝缘失效的早期信号，或检 测配电室及开关柜中臭氧浓度，来达到保护目的。此外，还有一些通过检测声、光、 压力、电流的组合信号的方法。例如s i d h u 等人研究了一种用于检测小电弧故障的 装置，以期使故障电弧消失在初始阶段。装置由传感器、信号控制单元、隔离模块 1 华北电力大学工程硕士学位论文 及基于微处理器的p c 系统等组成。该装置分别用麦克风、光敏三极管、天线来收 集声、红外光、电磁波的信息，信息由信号控制单元处理，通过放大后经隔离模块 输送至数据采集系统( d a s ) 卡，然后由数据信号处理器( d s p ) 用合适的算法处理。 通信卡将信息传送至上位机。 1 3 弧光保护的应用现状 5 国外在上世纪6 0 年代开始对弧光短路故障进行研究，到9 0 年代初对这种故障 特性已有了深入的了解，并提出各种弧光短路的防护措施。电弧光保护系统作为一 种主动性防护措施，在欧美一些国家的电力系统和厂矿企业推广应用已有近二十年 的历史。近年来，在欧美一些国家，越来越多的用户采用电弧光保护作为中低压开 关柜内部故障保护，并且在一些国家该保护装置已成为中、低压开关柜的标准配置。 国外的应用经验表明，电弧光保护系统除了最大限度地减轻开关设备的损坏程 度及为附近工作人员提供人身保护外，还可大大减少开关柜内部故障造成的停电时 间，因而对用户来说它的应用也具有很大的经济效益。 我国的第一套保护装置于1 9 9 5 年投运，中国以前的进口机组在引进时由国外 成套配有电弧光保护( 如国华天津盘山电厂) ，国产机组第一套装置2 0 0 0 年开始运 行，为保护设备的安全运行起到了重要作用。 1 4 本文的主要工作 电网由于出现中压母线开关柜弧光故障，不仅严重威胁电力系统的安全稳定运 行，给国民经济造成重大损失，而且会直接威胁变电所正常运行和运行人员的安全， 对电网开关柜弧光短路故障进行分析和研究，并进而提出相应的保护措施，是一项 重要的工作，为此，本文主要工作如下： ( 1 ) 分析开关柜内部故障特性，提出减少故障的方法措施。 ( 2 ) 介绍了各种电弧短路保护装置的组成结构及动作原理。 ( 3 ) 介绍了电弧光保护在供电系统中的几种典型应用及一种优秀的电弧光保护 系统v a m p 2 2 1 。另外针对乌海电业局几起变电设备事故提出了相应的对策。 ( 4 ) 在以故障电弧弧声、弧光、短路电流为表征信息的基础上，提出了一种新 的电弧保护方案并得到了应用。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章中低压开关柜内部故障特性分析 2 1 故障电弧的物理现象 2 1 1 故障电弧定义 故障电弧是一种可以用数学统计法描述的随机物理现象，这种现象也可称之为 气体电离。这种气体电离首先是空气电离，并通过不同电位、电极间( 相与相，相与 地之间) 的高温导电等离子气体保持着。如果将故障电弧看作是电网网络中一种元 件的话，则它是一种随时间变化的非线性欧姆组件。 2 1 2 故障电弧效应 低压柜发生电弧故障时，首先看到强烈的弧光，伴随这种珊象，低压柜冒出浓浓 的黑烟和强烈的爆炸声。故障电弧短路结果会产生压力效应、辐射效应和弧根效应， 如图2 1 所示。 故障电弧 ( 1 0 0 0 1 0 0 0 0 k ) 压力效应( 高温气体) il 辐射效应l l 弧根效应 4 0 l l5 0 l l5 0 压力上升 2 0 3 m p a 材料点燃 和热分解 电压一电流 关系变化 弧光ii 麓虢惟型 零部件应力损害| l 零部件热损害f1 人身危害 图2 1 故障电弧效应 电弧刚点燃时，周围空气就立刻电离，气体力迅速上升：在电弧点燃5 1 5m s ，压 力上升o 2 0 3m p a 。故障电弧4 0 的能量产生了力效应，使柜体内的零部件受到损 害。空气电后，气温升至4 0 0 0 1 0 0 0 0k 。这些热量通过射形式使可燃性材料( 操作人 员的服装) 着火、可燃性材料热分解，短路容量为1 0 0m v a 。发电弧故障时，柜体内压 力、温度随时间变化曲线图2 2 所示。 故障电弧总是在母线上最高的场强位置形成弧根。所以在柜体某一位置发生电 弧故障时，电弧沿着母线边缘迁移，迁移速度为1 4 0 m s 。 电弧可能会滞留在母线的角上，稳定燃烧，导致金属材料的溶化和汽化。1k a 故 障电弧电流每秒可燃化5 1 0 g 导体材料，导体材料汽化进一步导致空气电离。故障 3 华北电力大学工程硕士学位论文 电弧1 0 能量消耗在弧根效应中 1 2 。 绷k 2 1 0 5 p a 龋叠 i 己 1 0 加峪l 5 m s，m s 图2 2 电弧故障时压力、温度曲线 由于发生故障电弧时的压力、辐射、弧根效应造成设备严重损害，同时高温、 高压气体伴随电弧效应产生炽热的金属和非金属材料颗粒由柜体逸出，造成人身伤 害，甚至引起火灾。因此，对电弧故障防护研究，就是人们当前迫切需要解决的问题。 2 2 故障电弧产生的原因 引起开关柜弧光短路故障的原因很多，一般分为以下五类： ( 1 )绝缘故障主要是柜中绝缘材料爬距不足，未满足加强绝缘要求，在脏 污环境，天气潮湿下发生绝缘故障。另外，由于绝缘材料材质缺陷，运行年限较长 的开关柜，在强电磁场作用下绝缘老化，也可能造成绝缘损坏而导致故障。 ( 2 )载流回路不良由于一些接头截面不够，紧固螺栓松动，手车柜触头接 触不良，在大电流流过时引起发热，冒火进而引起相间，相对地击穿等等。 ( 3 ) 外来物体的进入如小动物( 老鼠等) 进入开关柜内部，或维修人员在工 作完成后将工具遗留在开关柜内。 ( 4 ) 认为操作错误如走错间隔，误操作，未对工作区域进行接地，未对工作 区域进行验电等。 ( 5 ) 系统方面的原因如系统容量增大，接地方式改变，电缆应用增多，保护 及自控装置配置不当，系统谐振过电压等。 2 3 故障电弧的特性及危害 开关柜发生内部弧光故障产生的短路功率可高达8 6 0mw ，所产生的能量则主 要与电弧的燃烧时间以及短路电流的平方值成正比，其他因素则包括柜体几何尺寸 以及所使用的材料等等。 开关柜内部故障电弧燃烧所造成的故障效应包括压力效应、燃烧效应( 热效 4 华北电力大学工程硕士学位论文 应) 、辐射和声响效应。中压开关柜在发生内部电弧故障时，电弧温度可达到2 0 0 0 0 o c ，燃烧的电弧将周围的空气加热，引起空气膨胀，并在开关柜内部产生巨大的压 力。开关柜的门可能被炸开了配电房建筑物的墙或天花板可能会倒塌。此外，压力 也会使某些不牢固的部件从开关柜中抛出。电弧将使电极材料熔化和蒸发，这些热 量通过辐射形式使可燃性材料( 如运行维护人员的服装) 着火，非可燃性材料热分 解。同时高温高压气体，伴随电弧效应产生炽热的金属和非金属材料颗粒由柜体逸 出，造成人身伤害，甚至引起火灾。发生弧光故障时产生的明亮弧光，还可能引起 运行维护人员暂时性失明，巨大的声响效应可能引起休克，这都增加弧光故障伤害 的危险性。总之，开关柜发生内部电弧故障，不论是对开关设备还是对附近的工作 人员，其危险性都很大 1 0 。 开关柜内部故障电弧燃烧所产生的能量，主要与短路故障电流及电弧燃烧的时 间有关，如图2 3 所示。从图中可以看出，电弧燃烧持续时间超过1 0 0m s ，所释放 的能量开始急剧增加，接着各种故障效应对开关设备的电缆、铜排以及钢材造成严 重损坏。所以，从保护设备的角度来说，目前所普遍采用的变压器后备过流保护长 达1 2 2 o s 的动作时间，到保护动作、跳开断路器时，事故现场的开关柜往往已 烧得面目全非，而事后故障电弧起始点已很难确定：如果在故障发生时附近有工作 人员，特别是在开关柜门打开维修时，则电弧燃烧释放的巨大能量对人员的伤害也 就不可避免了。 卜 朝 趣 鬟 雷 电弧燃烧对闻f m 0 图2 3 开关柜内部故障释放的能量与电弧燃烧时间关系曲线 5 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章各种电弧短路保护装置的动作原理 3 1 电弧光保护系统的作用 a 阀式电弧保护继电器 电弧光保护系统具有非常快的动作速度，其整套保护的动作时间在几毫秒以 内，远快于传统母线保护方案。所以，对开关柜各单元室的总故障清除时间可控制 在1 0 0 m s 以内。因此，在发生弧光故障，柜内压力和温度急剧增加以前，电弧光保 护系统就可以发出跳闸指令切除供给的短路电流，使设备损坏及人员伤害的损失减 小到最小。 对于中低压开关柜来说，以最快的速度切除故障意味着最大限度的限制电弧燃 烧释放的能量，其益处是：1 保护附近工作人员免受电弧故障效应的伤害。2 开关 柜内部部件的损坏限制到最小。3 大大减少开关设备损坏的维修费用。4 最大限度 地减少用户的停电时间，可尽快恢复生产。5 对于使用年限很长需要进行改进的开 关柜，采用电弧光保护可有效延长其使用寿命，从而减少对开关设备的投资费用。 电弧光保护作为中低压母线保护，对配电系统还将提供以下益处：1 保护昂贵 的主变压器或厂用变压器免受巨大的短路电流冲击而损坏。2 防止波及站用直流系 统，避免事故扩大而造成的经济损失 6 。 3 2 利用电弧产生的热量动作 电弧连续燃烧，产生大量高温气体，形成压力很高的冲击气流，使保护装置动 作。 a 阀式电弧保护继电器 阀式保护继电器或称压力传感器。利用电弧产生充足气体压力动作，是前苏联 一直研制和使用的电弧保护装置。如图3 1 所示，它主要由框架1 和叶片2 组成。 相当于门框和门扇，可以双方向转动。它利用两个耳柄3 固定在开关柜分隔的小室 ( 如母线小室、断路器小室、电缆头小室等) 的柜壁上( 柜壁应予先开孔) 。发生电弧 短路时，在高压气流冲击下，叶片2 打开( 转动) ，并动作于终端开关，发出断路器跳闸 脉冲。 这种小尺寸继电器( 约1 5 k g 重) 名叫“克拉伯 ( 是俄文“短路”“动作 两 字头的缩写) 。早已批量生产，最广泛用在电力系统中。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 1 阀式电弧保护继电器简图 这种继电器的主要优点是简单，动作快( 与短路电流大小有关，约小于o 1 s ) ：动 作后有记忆作用，可用俗眼，看出它是否动作：由于有最低的电流动作门槛，只能用 在电弧短路电流超过3 k a 的开关柜中。 b 金属丝电弧继电器 金属丝电弧继电器或叫张力传感器，它是在电弧气体压力作用下伸长金属丝， 根据电阻变大的信号动作。由于这种电阻信号变化不大，需要采用桥式接线、直流 放大器等。因此这种继电器实质上是一种半导体开关，图3 2 表示出这种半导体开 关的出口继电器的接点k 1 。发生电弧短路时，在气体压力作用下，半导体开关动 作，k 1 接点闭合，接通中间继电器k l 线圈，k l 接点闭合动作于跳闸。保护动作时间 取决于中间继电器k l 的动作时间，约0 1 s 。由于这种继电器的体积小，可以装在电 磁式电流继电器k a 的壳体中。 这种保护装置的主要优点是由于靠气体压力动作，抗干扰能力强，选择性好，动 作迅速。缺点是接线较复杂。 a 跳断路器 图3 2 金属丝电弧继电器的出口回路 3 3 利用电弧产生的电磁能量动作 x 1 金旗丝电弧缝电器； 默过电流缝电器； 灯一时弼继电器； i 中阔继电器； l j d ：极管 a 电弧接收天线 前面已经指出，母线短路电流产生的电磁场和电弧的电磁场相互作用使电弧迅 7 华北电力大学工程硕士学位论文 速移动，此时可沿母线装设一根天线3 ( 所谓第四根母线) ，见图3 3 。这根天线和母 线2 绝缘( 间隙6 由试验决定) ，并在适当地点设置一只电流互感器9 ( 一次线圈一端 接天线，另一端接母线) 对短路电流电弧进行接收( 吸收) 。例如k 1 点短路时，b 、c 间 的电弧压降产生电流互感器一次电流和二次脉冲跳闸电流，使电源断路器跳闸。 e5 6 78 9 k 1 1 0 l 开关柜间隔；2 铝母线( 主缛线) 3 电弧接收天线； 4 固定支架；5 叫缘套管；6 分支线；7 引下线： 8 固定支架；9 电流互感器；i o 分变线；1 1 叫姆线 图3 3 电弧接收天线 这种保护装置动作迅速，实际上没有最低的电流动作门槛。但不能区别短路发 生的地方。它也是目前应用较多的电弧短路保护装置。特别是用于成套开关柜连通 的母线段保护。 b 单相电流电弧保护 在相间短路电弧电流较小的情况下，可以采用由一只同名相( 例如c 相) 的电流 互感器构成不完全母线差动保护方式，实现电弧电流保护( 或叫单相电流电弧保护) ， 如图3 4 所示。 扶摹统采 图3 4 由同名相电流互感器构成的电弧流电弧保护 当k 1 、k 2 点短路时，电流继电器组k a b ( k a b 继电器可由电流继电器和中间继电 8 ；f蒌r一、r长35l缮锄 华北电力大学工程硕士学位论文 器或时间继电器组合成) 动作，将无选择性瞬时( 不大于o 1 s ) 断开进线断路器q b 。 当配电装置范围外( 例如线路k61 ) 发生故障时，电流电弧保护利用k a l 的接点( 断开 比接点k a b 闭合早) 退出工作，此时故障由线路保护选择性断开断路器q l 。当线路k 61 电缆头( k 3 点) 发生短路时将遵守类似的准则 1 3 。 c 电弧接地保护 利用单相电弧接地电流动作的保护装置见图3 5 。 l i 汀 匕= 堑辫路嚣ql p j 鸭，q ) 蕊籍 融l x a 4 电流继电器；跹1 一轧3 中间继电器；殿时间继电器： 髓l 一翻4 髂号继电器；x v l 电压缝嗽器 图3 5由零序电流互感器构成的 它由电源电缆进线和电缆出线的零序电流互感器及接入其二次侧的保护单相 接地的电流继电器1 ( 2 ) k a l 1 ( 2 ) k a 4 构成。当成套开关柜中出现单相接地时( 例如 k 1 点) ，继电器1 k a l 和1 k v l ( 接到母线电压互感器1 t v l 的开口三角形绕组上，用来 消除接点1 k a l 偶然闭合使保护动作) 的接点闭合后，继电器l k l l 、1 k l 3 和时间继电 器1 k t 动作。l k t 动作后其限时接点闭合使断路器q 1 和q 3 跳闸。当k 2 点发生单相 接地时，继电器l k a l 、1 k a 2 、l k v l 动作，以后继电器1 k l l 、1 k l 2 、1 k l 3 相应动作。 继电器1 k l 2 动作后，它的接点断开继电器1 k t 回路，断路器q l 不会跳闸。为了避免 电缆出线单相接地时保护误动作，其保护带o 1 0 2 s 延时。当k 3 点发生单相接地 和断路器q 3 接通时，继电器2 k a 2 动作，它的接点闭合继电器2 k l 2 的回路，继电器 2 k l 2 的接点断开继电器1 k t 回路，断路器q 1 不会跳闸。 6 1 0 k v 成套开关柜电弧短路绝大多数先由单相电弧接地电流发展起来的，从单 相接地短路发展成为两相、三相短路。由于电弧接地保护装置的动作电流按单相接 地短路电流整定，动作值小，灵敏度高。同时由于保护装置利用零序电流互感器产生 的零序电流，不像普通接在相电流的过电流保护一样，保护装置的动作时限毋须增 加0 3 0 5 s ，以躲过断路器合闸时变压器空载的励磁涌流和电动机的起动电流。但为 9 华北电力大学工程硕士学位论文 了避免电缆出线单相接地时保护误动作，保护有o 1 一o 2 s 延时，比前面各种保护的动 作时间略长些。这种保护装置实现起来也很简单。 3 4 利用电弧产生的弧光动作 所谓“电弧”就要产生弧光，因此可以利用光敏电阻r 4 ( 见图3 6 ) 的电阻变化( 减 少) 产生的电流动作跳闸的出口继电器。这种继电器可称为光敏电弧保护继电器。 在弧光照射光敏电阻r 4 时，流过继电器k 1 的电流增大，继电器k 1 动作后，接点k 1 接通出口继电器k 2 。继电器k 2 的接点k 2 、3 闭合发出跳闸脉冲，断开有关的断路器。 在光敏电阻r 4 图3 6 由光敏电阻构成的电弧接地保护 路中串上过电流保护的电流继电器接点m t 3 ，只有过电流保护m t 3 和光敏电阻都 动作时才断开对应的断路器，以增加光敏电阻动作的可靠性。 这种继电器的优点是动作灵敏度高，动作时间短，选择性好。但接线复杂，抗干 扰( 光、温度) 能力较差( 必须串上过电流保护继电器的接点) 。继电器的固有动作时 间不超过0 0 4 s 。 3 5 弧光保护与一般过流保护比较 最有效降低电弧光伤害的方法是以最快的速度切断故障电源。电弧光保护正是 为这个需求而设计的。应用弧光保护的目标是为了能快速检测弧光的出现，而且将 它的燃弧时间减到最少，减少设备财产的损失，保护工作人员的人生安全。 一般过流保护继电器与v a m p 2 2 0 电弧光保护继电器的跳闸指令延时比较如表 3 一l 所示。 l o 华北电力大学工程硕士学位论文 表3 1 中低压母线电弧光保护方案配置清单 测量计算自我侦测输出继电器其它总计 v a m p 2 2 ll m s 不需要随时 4 6 m s不需要5 7 m s 一般o c2 0 m s2 m2 m6 1 0 m s l o m s4 0 一4 4 m s 一般过流保护继电器与v a m p 2 2 0 电弧光保护继电器总的跳闸时间比较下所示： 一般过流继电器 采样：2 0 3 0 m s ， 跳闸启动：1 0 m s ， 延时设定：3 0 一1 5 0 m s ， 断路器动作时间：5 0 一8 0 m s 。 总的跳闸时间： 一馈线：3 0 + l o + 3 0 + 5 0 = 1 2 0 m s ； 一进线：3 0 + 1 0 + l5 0 + 5 0 = 2 4 0 m s 。2 3 2v a m p 2 2 1 弧光保护 弧光保护继电器 弧光探测：1 m s 过流比较：1 m s 跳闸启动：5 n l s ( 电流启动1 3 m s ) 断路器动作时间：5 0 8 0 m s 。 总的跳闸时间： 馈线：l + 1 + 1 3 + 5 0 = 6 5 m s ； 进线：1 + l + 5 + 5 0 = 5 7 m s 。 3 6 各种电弧保护装置总结 根据国外的运行经验，虽然根据短路时产生电弧的特点，研制出各种各样的电 弧短路保护继电器，但它们都应尽量满足以下5 点基本要求，这和一般继电器的基本 要求一样： a 速动性。这一点是最主要的，以便减轻电弧对开关柜的损坏程度。因此电弧 短路保护的动作时间愈短愈好。最好不超过o 1 s 。 b 灵敏性。即电流动作门槛愈低愈好。 c 可靠性。即在其他无关的因素影响下不要误动作。 d 选择性。即下级保护动作时上级保护不应动作。 华北电力大学工程硕士学位论文 e 简单性。构造简单，容易制造，容易安装维护，因而造价也低。 上述要求常常互相矛盾，例如灵敏度高，可靠性就可能降低：为了速动性可能牺 牲选择性( 例如出线故障跳进线断路器) 。根据前面对电弧短路保护的要求，我们对 国外已有的各种继电保护装置简单归纳如下： 阀式保护装置动作可靠迅速，但有最低的电流动作门槛( 3 k a ) 。动作时间虽短 ( 可达0 1 s 以内) ，但必须出现两相短路后才能动作。动作时间和短路电流有关，电 流愈大，动作时间愈短。电流虽大，但动作时间很短，短路时不会损坏开关柜，可以继 续使用。 电弧接收天线装置，靠母线段出现两相短路电流动作。没有电流动作门槛。动 作时间和短路电流大小无关。动作最迅速( 瞬时) 。造价低，但只能作为成套配电装 置母线段的保护，也不能判别故障点。 单相电流电弧保护利用两相短路电流动作，可靠性高。动作时间短，可达o 1 s 。 电流动作门槛低( 1 3 k a ) ，但不能太低，否则动作时间要增长o 5 s ，以躲过变压器励 磁电流或电动机起动电流。 电弧接地保护在发生单相接地时就动作。利用单相接地电流动作，起动电流值 低，灵敏度高。但为了避免出线单相接地时动作，动作时间要增长，约o 2 s 。但由于 在小接地电流时就动作( 单相，接地过渡到两相短路约0 5 s ) ，虽然时间长些，对开关 不致造成损坏。 上述保护对出线外部短路时均有选择性。但为了避免开关柜在油气和电弧作用 下爆炸，以及缩短保护动作时间，出线开关柜内电弧短路时均动作变压器进线断路 器跳闸，选择性都差。如果采用真空断路器，为了缩短母线短路时动作时间，也可能 要这样做。 从上可见阀式保护动作电流大( 3 k a ) 以上，因此短路电流小于3 k a 时应用其他保 护。最简单的是电弧接收天线，次之是阀式保护，最复杂是金属丝电弧继电器，光敏 电弧保护继电器。 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 第四章电弧光保护在供电系统的应用 目前电弧光保护在供电系统中比较成熟的应用主要有开关柜内中低压母线保 护、馈线开关柜电弧光保护和箱式变电站电弧光保护，现分别介绍如下： 4 1 中低压母线电弧光保护方案 在电力系统中，3 5 k v 及以下电压等级的母线由于没有稳定问题，一般未装设母 线保护。然而，由于中低压母线上的出线多，操作频繁，三相导体线间距离与大地 的距离比较近，容易受小动物危害，设备制造质量比高压设备差，设备绝缘老化 和机械磨损，运行条件恶劣，系统运行条件改变，人为和操作错误等原因，中低压 母线的故障几率比高压、超高压母线高得多。但长期以来，人们对中低压母线的保 护一直不够重视，大多采用带有较大延时的后备保护来切除母线上的故障，往往使 故障被发展、扩大，从而造成巨大的经济损失。 近年来，由于各种原因开关设备被严重烧毁，有的甚至发展成“火烧连营 的 事故时有发生。而主变压器由于遭受外部短路电流冲击损坏的事故也逐年增加，这 些配网事故处理不当甚至被扩大发展为输电网事故，造成重大的经济损失，已引起 电力部门的广泛关注。究其原因大多是因为没有装设中低压母线保护，未能快速切 除故障造成的。所以，为了保证变压器及母线开关设备的安全运行，根据继电保护 快速性的要求，迫切需要配置专用中低压母线保护。 电弧光保护因为创新性的把弧光作为判据引入到保护中，解决了传统保护不方 便解决的中低压母线故障，在重要中低压母线上获得了广泛的应用。 4 1 1 配置方案 我们以比较常见的2 路进线，2 段母线为例来说明v a m p 电弧光保护在中低压母 线的配置方案。每路进线配置一个v a m p 2 2 1 主单元。每个开关柜的母线室安装一个 探头式弧光传感器，一段母线下面有多少面开关柜就配置多少个探头式弧光传感 器。然后根据每段母线安装的弧光传感器数目确定所需的辅助单元数目，每个辅助 单元最多可以接1 0 个弧光传感器。以每段母线下面有2 5 面开关柜为例，则每段母 线需配置2 5 个探头式弧光传感器v a l d a ，3 个辅助单元v a m1 0 l 。主单元安装在进 线开关柜内，辅助单元安装在馈线开关柜内。若需要过流判据，可将进线c t 接进 主单元的电流采集回路。当任意一段母线出现弧光故障时，相对应的v a m p 2 2 1 装置 将向该段母线的进线断路器和母联断路器发出跳闸指令，另一段母线仍可继续运 行，从而体现保护的选择性。具体配置方案请参见附图 1 1 。 华北电力大学工程硕士学位论文 4 1 2 配置清单 以2 路进线，2 段母线，每段母线下面有2 5 面开关柜为例，配置如表4 一l 所示。 表4 1 中低压母线电弧光保护方案配置清单 设备名称 型号 ” 数量单位 备注 主单元v 舢l p 2 2 l2 个 辅助单元v a m l o l6个 弧光传感器 v a l d a5 0 个 通讯电缆( 主一辅) v x 0 1 04 根 通讯电缆( 辅一辅) v x 0 0 14 根 4 2 馈线柜电弧光保护方案 馈线开关柜下部的电缆连接头等部位是绝缘的薄弱环节，此处如发生单相对地 击穿，由于短路电流太小，传统的过流保护一般不易启动。而单相对地击穿很容易 发展成为两相或三相对地短路，此时过流保护虽可以动作，但故障已经对设备造成 了比较严重的损坏。而电弧光保护以电弧光为保护判据，能够在单相对地燃弧时就 发跳闸指令给馈线开关跳闸，使故障损失减少到最低，一般只需简单的恢复绝缘就 能将设备重新投入运行，大大减少了停电时间和维修成本，具有很高的经济价值。 4 2 1 配置方案 馈线开关柜电弧光保护的配置方案相对比较简单。每个馈线柜配置一套 v a m p 2 5 5 馈线综合测控保护装置和若干电弧光传感器( 2 个以内) 以及相应的安装 支架。v a m p 2 5 5 馈线综合测控保护装置具有普通保护测控装置拥有的全部功能，并 在此基础上增加了电弧光保护功能，可以接入2 个电弧光传感器。这2 个电弧光传 感器可以用于监视馈线柜内电缆连接头、c t 等绝缘薄弱的部位，当检测到电弧光故 障时由v a m p 2 5 5 装置发出跳闸指令跳开馈线断路器。 4 2 2 配置清单 在每个开关柜内安装如表4 2 所示设备。 中低压母线电弧光保护方案和馈线柜电弧光保护方案合起来构成了完整的中 低压开关柜电弧光保护方案。在此基础上，每个变电所还可选配1 2 个移动式弧 光传感器v a l d p ，这种传感器可以固定在技术人员的上衣口袋来改善带电检修时的 安全性。 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 表42 馈线柜电弧光保护方案配置清单 设备名称型号数量单位 各注 馈线综合测控保护装置个 l 弧光传感器v a l d a 一61 2 个6 米电缆 z 型安装支架个 43 箱式变电站电弧光保护方案 箱式变电站柜内空间狭小，各类电气设备布置比较紧凑，容易发生电弧光事故， 可以在箱式变电站内安装电弧光保护系统，在检测到电弧光故障时迅速跳闸，从而 极大的提高箱式变电站的整体安全性。 4 31 配置方案 对于箱式变电站，由于其需要监测点数量有限，可以采用v a m p 公司推出的小 型电弧光保护系统，该系统由一个v a m p l 2 l 装置、若干个探头式电弧光传感器v a l d a 、 一个辅助电源和一个报警继电器组成。弧光传感器安装在需要重点监视的箱式变电 站内薄弱部位，当检测到电弧光故障时由v a m p l 2 1 装置发出跳闸指令跳开进线断路 器。辅助电源用于给整套系统供电，报警继电器用于将报警信号输出。整个小型电 弧光保护系统如下圈4 一t 所示。 固 艘熙雩鼍1 j i _ - 自i 一 图4 一l m p 小型电弧光保护系统 每个v a m p l 2 l 装置可接入l o 个电弧光传感器，装置本身不能提供过流判据 在应用时可与v a m p l 4 0 装置配合使用。v a m p l 4 0 过流保护具有常规过流保护的所有 功能，可以作为进线保护使用，v a m p l 4 0 可同时接八2 个电弧光传感器并能为小型 电弧光保护系统提供电流判据。在一个典型的箱式变电站电弧光保护系统中，由一 台v a m p l 2 l 装置和一台v a m p l 4 0 装置构成的系