（电气工程专业论文）电弧光保护及其在中低压开关柜和母线保护中的应用.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 近几年来，随着乌海电力工业的快速发展，3 5 k v 中低压开关柜的应用数量越 来越多，由于开关柜弧光短路故障引发的中低压母线故障时有发生，并且也发生 过主变压器由于遭受外部短路电流冲击损坏的事故，这些事故均造成重大的经济 损失；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，乌海电 业局在3 5 k v 开关柜装设了专用快速母线保护一一电弧光保护。 本文首先介绍开关柜弧光短路故障以及变压器动稳定时间对中低压母线保 护动作时间的要求；其次介绍开关柜弧光短路故障的防护措施及现有的中低压母 线保护方案；最后介绍一新型的电弧光中低压母线保护并对其在乌海局的应用方 案进行了分析和论证。 关键词：乌海电网，中低压母线保护，电弧光保护，应用分析 a b s t r a c t i nr e c e my e a r s ，a st h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t uo fw u h a i ， 35 k vm i d v o l t a g e s w i t c h g e a r s a r eu s e dm o r ea n dm o r e t h e s ei n c i d e n t st h a t s w i t c h g e a r sa r cf - a u l t i nt h ev o l t a g e - i n d u c e db u s b a rb r e a k d o w n so c c u r ，a n da l s o o c c u r r e dd u et ot h em a i nt r a n s f o m e rs h o n - c i r c u i tc u r r e n te x t e m a l i m p a c td a m a g e a c c i d e m sh a v ec a u s e d 铲e a te c o n o n l i ci o s s e s o nt h eo t h e rh a j l d ，t h er e q u i f e m e n t so f m ec u s t o m e r si nt h er e l i a b i l i t ) ，o fe l e c t r i c i t ys u p p l ya r ea l s og e t t i n gh i g h e ra i l dm 曲e r f o rt 1 1 ea b o v er e a s o i l s ，w u h a ie l e c t r i cp o w e ra d m i n i s t r a t i o ni n s t a l l sap r o f e s s i o m l r a p i db u sp r o t e c t i o n 心cl i 曲tp r o t e c t i o n t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st l l e r e q u i r e m e n t o fd y n 锄i cs 讪i l i t yt i m e o f s w i t c h g e a ra n dt r 觚s f o m l e ra r cf l a u l t f o r 也ep r o t e c t i o na c t i o nt i m eo fl o 、耵v o l t a g e b u s b a r ；s e c o n d l yi n t r o d u c e sp r o t e c t i o nm e a s u r e so fs w i t c h g e a ra r cf a u l ta i l d t h e e x i s t i n gp r o g r 锄o fl o wv o l t a g eb u s b a rp r o t e c t i o n ；a tl a s ti n t r o d u c e sa n e w t y p eo fa r c p r o t e c t i o ni nt h el o w v o l t a g eb u s b a r t h e n ，i t sa p p l i c a t i o ni nw u h a ii sa n a l y z e da n d p r o v e d f a nj i a nj u n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a os h u q i a n g k e yw o r d s ：w u h a ip o w e rs y s t e m ，m i d - v o l t a g eb u s b a rp m t e c t i o n ， t h ep r o t e c t i o no f a r cl i g h t ，a p p l i c a t i o na n a l y s i s 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 近几年来，随着乌海电力工业的快速发展，3 5 k v 中低压开关柜的应用数量越 来越多，由于开关柜弧光短路故障引发的中低压母线故障时有发生，并且也发生 过主变压器由于遭受外部短路电流冲击损坏的事故，这些事故均造成重大的经济 损失；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，乌海电 业局在3 5 k v 开关柜装设了专用快速母线保护一一电弧光保护。 本文首先介绍开关柜弧光短路故障以及变压器动稳定时间对中低压母线保 护动作时间的要求；其次介绍开关柜弧光短路故障的防护措施及现有的中低压母 线保护方案；最后介绍一新型的电弧光中低压母线保护并对其在乌海局的应用方 案进行了分析和论证。 关键词：乌海电网，中低压母线保护，电弧光保护，应用分析 a b s t r a c t i nr e c e my e a r s ，a st h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t uo fw u h a i ， 35 k vm i d v o l t a g e s w i t c h g e a r s a r eu s e dm o r ea n dm o r e t h e s ei n c i d e n t st h a t s w i t c h g e a r sa r cf - a u l t i nt h ev o l t a g e - i n d u c e db u s b a rb r e a k d o w n so c c u r ，a n da l s o o c c u r r e dd u et ot h em a i nt r a n s f o m e rs h o n - c i r c u i tc u r r e n te x t e m a l i m p a c td a m a g e a c c i d e m sh a v ec a u s e d 铲e a te c o n o n l i ci o s s e s o nt h eo t h e rh a j l d ，t h er e q u i f e m e n t so f m ec u s t o m e r si nt h er e l i a b i l i t ) ，o fe l e c t r i c i t ys u p p l ya r ea l s og e t t i n gh i g h e ra i l dm 曲e r f o rt 1 1 ea b o v er e a s o i l s ，w u h a ie l e c t r i cp o w e ra d m i n i s t r a t i o ni n s t a l l sap r o f e s s i o m l r a p i db u sp r o t e c t i o n 心cl i 曲tp r o t e c t i o n t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st l l e r e q u i r e m e n t o fd y n 锄i cs 讪i l i t yt i m e o f s w i t c h g e a ra n dt r 觚s f o m l e ra r cf l a u l t f o r 也ep r o t e c t i o na c t i o nt i m eo fl o 、耵v o l t a g e b u s b a r ；s e c o n d l yi n t r o d u c e sp r o t e c t i o nm e a s u r e so fs w i t c h g e a ra r cf a u l ta i l d t h e e x i s t i n gp r o g r 锄o fl o wv o l t a g eb u s b a rp r o t e c t i o n ；a tl a s ti n t r o d u c e sa n e w t y p eo fa r c p r o t e c t i o ni nt h el o w v o l t a g eb u s b a r t h e n ，i t sa p p l i c a t i o ni nw u h a ii sa n a l y z e da n d p r o v e d f a nj i a nj u n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a os h u q i a n g k e yw o r d s ：w u h a ip o w e rs y s t e m ，m i d - v o l t a g eb u s b a rp m t e c t i o n ， t h ep r o t e c t i o no f a r cl i g h t ，a p p l i c a t i o na n a l y s i s 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电弧光保护及其在中低压开关 柜和母线保护中的应用，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：二摇b 牡日 期： 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：垄啦 日 期：弯也习 导师签名： 日期： 华北i 乜力大学j r ：程硕十学位论文 1 1 课题的提出 第一章 引言 乌海电网位于内蒙古西部电网最西端，是内蒙古西部电网的重要组成部分， 2 0 0 6 年1 1 月2 4 日，供电负荷超过了l o o 万千瓦。乌海电网目前最高运行电压等级 为5 0 0 k v ，经双回5 0 0 k v 布乌线与蒙西电网联网运行。乌海地区电网直辖2 2 0 k v 变 电站5 座，用户自建2 2 0 k v 变电站l 座，直辖1 1 0 k v 变电站1 3 座，直辖3 5 k v 变电 站6 座。网内有2 座2 2 0 k v 变电站3 5 k v 系统和9 座1 l o k v 变电站1 0 k v 系统都配置 了开关柜。 从2 0 0 3 年至今，乌海电网的1 0 k v 开关柜发生了5 次不同程度的烧毁事故，同 时一起事故引起l o 个p t 爆炸，两个3 5 k v 开关柜都发生过事故，事故起因是变电 站的3 5 k v ( 1 0 k v ) 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，故障迅速 发展为相间短路，电弧持续燃烧释放出巨大的能量，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，发展为中低 压母线故障，其危害是非常严重的。2 0 0 7 年3 月2 7 日，乌海电网五福变电站发生 了因弧光接地短路，没有快速切除故障，造成一台主变和一个3 5 k v 开关柜烧损的 严重事故。 由于中低压开关柜弧光故障导致的乌海电网设备损坏和停电事故不仅造成了 相当大的经济损失，而且严重地威胁了乌海电网的安全稳定运行，对工农业生产也 产生了一定的影响。所以，分析和研究乌海电网开关柜弧光短路故障引发的中低压 母线故障的原因及影响因素，进而采取有效的保护措施，具有非常重要的现实意义。 1 2 弧光的产生及危害 1 2 1 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【l 】【2 2 1 。 ( 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 华北电力人学 j 程硕十学位论文 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 ) 人为操作错误。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。 1 2 2 故障电弧的特性及危害 弧光能在1 m s 内很快产生。不光在低阻抗短路的情况下会产生燃弧现象，在相 应的高阻抗和低电流情况下，一旦满足起弧机理条件，同样会燃弧。在燃弧的同时， 由于空气电离的作用，会促使附近的电阻迅速发生变化。弧光电阻将会逐步接近于 o 欧姆。故障电流也将相继发生变化。 燃弧的时间与燃弧积聚的能量关系：2 f 从上述能量积聚效应中可看出，弧光的危害直接与故障电流和燃弧时间有关。 电弧光不但会带来设备损害、停电和生产等所形成的直接损失，而且会由于其 对操作人员的伤害和变电站设备的恢复期的延长带来更大的间接损失。产生电弧光 故障是配电系统最严重的事故。表1 1 和表1 2 列出了电弧光的危害。 表1 1 电弧光对人员的伤害 感应电击侵害肌肉、神经。 强光刺伤眼睛。 高温烧灼皮肤。 爆破压 被坠落物体或飞射碎片伤害。 爆破音 造成耳膜、肺脏震损。 有毒气体 伤害呼吸系统。 表1 2 电弧光对配电系统设备的伤害 高温 造成铜排、铝排熔毁，气化。 造成电缆熔毁，电缆包裹层着火， 并产生有毒气体。 造成盘体内污损，保护漆焚毁， 清理困难。 2 华北电力人学：l 样硕士学位论文 高温、高压的气体极快速就扩散 到相邻盘体。 造成盘体变形、破碎。 爆破压 铜排气化时，体积膨胀6 7 0 0 0 倍。 空气因高温而膨胀。 造成盘内强烈震动，使固定元件 爆破音 松脱。 由于电气短路而引起电弧燃烧在配电系统开关柜中并不是经常发生。但一旦发 生就会引起诸如爆炸、燃烧等，造成较大的设备材料损毁，危害电力系统运行的安 全和稳定。 虽然目前对配电系统的安全运行规程作了详尽和周到的安排，但因工作失误、 走错间隔等造成带负荷拉隔离刀闸、合接地刀闸，在接地线未解除的情况下合电源 开关，带电检修时人为错误等引起的短路、燃弧故障，造成了很多不必要的人身伤 害乃至伤及生命。 开关柜发生内部弧光故障产生的短路功率可高达8 6 0 m w ，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【3 0 】。 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( 热燃 烧) ，辐射和声响效应。中低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 度，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，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。电弧将使用电极材料熔化和蒸发，这些 热量通过辐射形式使可燃烧材料( 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，不论是对开发设备还是对附近的工作人 员，其危险性都很大。 1 3 开关柜内部燃弧耐受时间及变压器动稳定时间指标 ( 1 ) 开关柜内部电燃弧耐受时间 l e c 2 9 8 标准附录a a 中规定的内部燃弧时间是l o o m s ，目前市场上销售的开关 柜基本上是按照i e c 2 9 8 标准生产的，也就是说，开关柜可以承受的电弧燃烧时间 华北电力大学1 ：程硕十学位论文 为1 0 0 m s 。由于发生弧光故障在断路器动作前，故障短路电弧是一直在燃烧的，即 保护动作时间加上断路器分闸时问之和，即为电弧燃烧的持续时间。也就是说，从 保护开关柜方面考虑，保护动作时问应在小于1 0 0 m s 切除故障以防止弧光短路故障 进一步发展扩大造成更大的危害。 表1 3 电弧燃烧时间与设备损坏程度的关系 电弧燃烧时间 设备损坏程度 i 几有显著的损坏，一般可以在检验绝缘电阻后投入使用。 3 5 艏 设备损坏较小。在开关柜再次投入运行以前仅需要进行清 1 0 0 皿s 洁或可能的某些小的修理。 设备损坏很严重，现场工作人员可能受到严重伤害，必须 5 0 0 珥s 更换部分设备才可以再投入运行。 上表为国外对各种燃弧持续时间下进行试验得出的对设备造成的损害程度。下 图为各种燃弧时间下产生的电弧能量及对开关柜材料的损坏程度。 ol o o2 0 04 0 0 略 图1 1 电弧能量与燃烧时间及破坏作用 ( 2 ) 变压器的动稳定时间 据有关资料统计，一些地区1 1 0 k v 及以上等级的变压器遭受短路故障电流冲击 直接导致损坏的事故，约占全部事故的5 0 以上，与前几年统计相比呈大幅度上升 的趋势。这类故障的案例很多，特别是变压器低压侧出口( 低压母线) 短路时形成 的故障一般需要更换绕组，严重时可能要更换全部绕组，从而造成十分严重的后果 4 华北电力人学一：稗硕+ 学位论文 和损失。 国标规定的1 1 0 k v 及以上电压等级的变压器的热稳定允许时间为2 秒，动稳定 时问为0 2 5 秒。但实际上，在低压侧出口短路故障靠过流后备保护切除的动作时间 往往在2 秒以上，离o 2 5 秒的变压器的动稳定时间相差甚远。所以，可以 兑，继电 保护的不完善也是造成变压器损坏的重要原因。 目前针对近区( 低压母线) 短路故障引起变压器损坏的保护的动作时间太长， 远大于变压器允许承受的短路电流持续时间，显然不能满足保护变压器的要求，迫 切需要改善变压器保护，使其保护动作满足小于变压器允许动稳定时间0 2 5 秒的要 求。 1 4 开关柜弧光短路故障的防护措施 ( 1 ) 消极性防护措施 采用这种措施的目的是限制故障电弧产生的各种效应，如加强开关柜的结构， 密封隔离各单元室、设置释放板和泄压通道等。采用这种措施在一定程度上能减少 损坏程度。但是，如果要采用通过加强结构的方式来较大地提高开关柜的燃弧耐受 时间的话，则需要增加很大的设备费用。 ( 2 ) 积极性防护措施 采用高速专用中低压母线保护切除故障以限制故障电弧的持续时间，从根本上 限制故障电弧，消除其各种效应对设备和人员的危害。如果中低压母线保护能在开 关柜耐受燃弧时间以内切除故障的话，将最大限度地限制弧光故障对开关设备的损 坏；从另一方面看，限制开关设备的损坏，即阻断故障发展的可能性，从而可避免 主变压器长时间遭受短路电流的冲击而损坏。这也是目前迫切需要的最有效的限制 弧光短路故障损坏开关设备及变压器的防护措施。 1 5 母线保护发展概要 母线保护在实现方式上主要分为电磁型、集成电路型和微机型母线保护。 - 1 5 1 电磁型母线保护 电磁型母线保护是最早的实现方式，保护原理简单，实现容易。但是，保护性 能不是很高，在灵敏度、动作速度、抗t a 饱和能力等方面有明显的不足，缺乏对 母线运行不同情况条件的适应能力。随着世界上新技术和新器件的发展，电磁型母 线保护已逐渐被集成电路型或微机型母线保护所取代。 1 。5 2 集成电路型母线保护 华北电力人学一f ：程硕+ 学位论文 集成电路型母线保护在灵敏度、动作速度、抗t a 饱和能力等方面有了相当的 改善，其主要代表中阻抗母线保护已在电力系统中得到了广泛的应用，成为现在母 线保护的主选产品。目前在我国电力系统中使用的国外公司中阻抗型母线保护产品 主要有a b b 公司的r e b l 0 3 型，g e 公司的b u s l 0 0 0 型。国内厂家的产品主要有上海 继电器厂组装生产的p m h l 5 0 ( r a d s s s ) ，南京电力自动化设备总厂生产的j m z 、h m z 、 j c m z 系列，许昌继电器厂的p m h l 4 0 系列，阿城继电器厂的p m h 4 0 系列。这些国内 产品均属于仿a s e a 公司( 现a b b 公司) 的中阻抗集成电路母线保护，在2 2 0 k v 及以 下系统有较成熟的运行经验，但在5 0 0 k v 系统使用较多的仍是进口产品。 参考文献 3 就中阻抗母线保护的原理进行了分析，指出中阻抗型母线电流差 动保护将高阻抗的特性和比率制动特性两者有效结合，显著降低了母线回路的负载 阻抗值，较好的保证了区外故障饱和不误动，区内故障正确快速动作。它以电流瞬 时值作测量比较，测量元件和差动元件多为集成电路或整流型继电器，当母线内部 故障时，动作速度极快，约为卜3 m s 。而在1 4 周期以前t a 不会1 0 0 饱和，能较 好地传变一次侧电流，对t a 无特殊要求，变比可以不一致。这是目前国内各电网 的主要选择。 集成电路母线保护在适应母线运行不同情况条件方面还存在某些不足。下面介 绍这三种阻抗型母线保护。 a 低阻抗型的母线保护 目前，在低阻抗母线保护中用的较多的是电流相位比较式母线保护，它的原理 如下利用总差动电流来判别是否为母线上发生故障。在判定为母线故障的情况下， 以差动电流为参考量，用母联电流相位判别故障母线。这种保护可以省略交流切换 回路，简化二次接线，适应一次系统的倒闸操作，它不受母线上元件连接方式的影 响。但是存在的问题如下 ( 1 ) 根据电力系统潮流分配，减小系统短路容量等运行方式的需要，要求将两 组母线分列运行时，母线保护将失去选择故障母线组的能力。 ( 2 ) 当两条母线同时故障或相继故障时，只能切除先发生故障的母线，后发生 故障的母线不能切除。因为母联开关跳闸后，母联电流消失，母差保护总差动电流 保护母线选择元件不能动作，致使后发生故障的母线不能切除。 ( 3 ) 当故障发生在母联断路器和母联c t 之间时，无故障母线将被切除。 ( 4 ) 当母线故障母差保护动作，若母联开关失灵，母差保护无法切除故障。 曾在我国七八十年代出现的型母差保护是基于这种原理的典型产品。从电网的 要求看，这种保护无论在性能和运行维修方便上都难以适应，将逐步被淘汰。 b 中阻抗型的母线保护 6 华北电力人学i ：群硕十学位论文 中阻抗型母线保护方案是基于以下两个基本假设： ( 1 ) 对于外部故障，完全饱和的连接元件的c t 二次回路可以只用其全部直流回 路电阻表示。 ( 2 ) 对于内部故障，空载的连接元件的c t 二次回路可以用一个较大的励磁阻抗 表示。 它的原理如下：把高阻抗特性和比率制动特性结合起来的一种保护。由于c t 饱 和时的特性即励磁阻抗变得非常小，所以励磁电流也就随之变得非常大，c t 二次回 路分得的电流也就很小。在母线外部故障时，差动回路的差动电流变大，因此巧妙 的在差动回路中串入一个阻值较大的电阻r c d ，当外部发生故障致使故障支路c t 完 全饱和时，故障支路的二次阻抗可近似为其全部直流回路电阻与导线电阻之和，此 和远小于差动回路中的电阻值，从而使流过所有非故障元件的二次电流之和( 等于 故障电流) 被强制通过故障元件c t 的二次线圈构成的通路，使流过差动回路上的电 流大大减小，加在继电器上的电压是数值不大的不平衡电压。当母线内部发生故障 时，流过差动回路的是很大的电流( 总故障电流的二次电流) ，加在差动继电器上的 电压也会升高，使继电器动作。这种方法有效的解决了外部故障时因c t 饱和带来 的保护误动的问题，能保证母线保护可靠、正确、快速动作，且装置原理及实现简 单等方面优于微机母线保护。此外，由于国内外微机装置刚刚出现，运行经验缺乏， 因此今后几年内中阻抗母线保护装置仍将发挥重要作用。 c 高阻抗型的母线保护 高阻抗母线保护的原理与中阻抗母线保护相近。为防止区外故障母线保护误动 作，中阻抗母线保护在差电流回路接入了中阻抗，为确保区外故障母线保护的可靠 性，还必须校验由母线保护看向c t 方向整个二次回路的电阻是否满足要求，这在 二次回路电缆较长，比率制动系数较大的情况下往往是困难的。高阻抗母线保护在 这方面性能要好得多。高阻抗母线保护也称为电压型母线保护，差回路电阻一般为 几千欧姆。与中阻抗母线保护类似，高阻抗母线保护对于区内故障也采用c t 饱和 前快速动作的方式，区内故障动作速度快。高阻抗母线保护灵敏度高，二次回路接 线简单，调试方便，主要技术问题是过电压问题。这在一定程度上限制了它在国内 电网的应用。 1 5 3 微机型母线保护 微机型母线保护采用以单片机为核心的软硬件模块来完成数据采集和分析计 算与处理、开关量逻辑判断、控制出口继电器等功能，利用微机的高速处理与控制 功能解决母线保护的实时性和选择性等问题。它可以利用软件调整c t 变比，省去 了辅助变压器；直接利用软件对数据进行适当组合实现切换，可避免传统母线保护 7 华北电力人学：1 ：程硕十学位论文 中，为满足母线的运行方式变化而进行的c t 二次电流回路的电气切换，提高了可 靠性和安全性能；利用软件对软硬件系统进行监视，使保护更加可靠。可通过端口 进行数据通讯，实现全变电站的数据和资源共享。 文献 4 就数字式母线保护的性能进行了分析，比较了数字式与模拟式母线保 护之问的特点，指出数字式保护在适应母线运行方式上、保护灵敏性上及可靠性上 都具有显著的特点。 文献 9 详细给出了微机母差保护的实现原理。微机母差保护的最主要特点是 充分利用计算机进行数字计算的能力，方便地实现带比率制动特性的电流瞬时值差 动原理、复式比率差动原理等。微机母差对t a 饱和具有独特的检测方法，抗t a 饱 和能力强，国外有的厂家采用波形判别或补偿法来消除饱和的影响，即利用1 4 周 期前t a 线性传变的采样点，用一定的算法进行波形处理或判别，以保证保护的选 择性。国内外的做法，多用同步识别法克服t a 饱和的影响，通过判别差动动作与 故障发生是否同步来识别饱和情况。微机母差保护还具有自适应能力，可识别母线 运行方式，从理论上可省略引入隔离刀闸辅助触点的麻烦( 对双母线接线而言) 。同 时微机母线保护具有自检功能，可靠性进一步得到提高。更重要的是，微机母差具 有通信接口，可方便地与监控系统互联、完成信息的远传与远控，实现自动化。另 外，微机母差保护具有调试整定方便的优点。 随着微型机保护性能和可靠性的不断提高，微机型母线保护的使用现已不断扩 大。现微机型母线保护的主要有a b b 公司的r e b 5 0 0 分布式微机母线保护、三菱公 司的m b p d 型微机母线保护、国家电力公司南京电力自动化设备总厂生产w m z 一4 1 型微机母线保护，南京自动化研究院b p 一2 a 型微机母线保护，l f p 一9 1 5 a 型保护装置。 1 6 现有的中低压母线保护方案及存在的问题 目前普遍采用的中低压母线保护方案如下： ( 1 ) 变压器后备过流保护方案及存在的问题 这是目前国内应用最广泛的中低压母线保护方案。由于考虑到与馈线和母线分 段开关的配合，保护跳闸时间一般整定为1 0 一1 4 秒，有的甚至更长，达2 o 秒以 上。这一动作速度显然是远远不能满足快速切除中低压母线故障要求的。 ( 2 ) 馈线过流保护闭锁变压器过流保护方案及存在的问题 这是近年来微机过流保护在中低压馈线广泛应用，国外提出的利用馈线过流元 件闭锁变压器过流保护的应用较为广泛的过流闭锁式保护方案。这一方案与变压器 后备过流保护方案相比其动作速度有了一定的提高，典型动作时间为3 0 0 1 4 0 0 m s 。 但对于要求1 0 0 m s 以内切除故障显然也是不能满足要求。 华北电力人学一【：程硕十学位论文 ( 3 ) 采用环流原理的高阻抗母线保护方案及存在的问题 这是国外某些重要项目曾采用的专用电流差动中低压母线保护方案，典型的保 护动作时间为3 5 6 0 m s 。考虑到断路器的分闸时间，这一动作速度对要求1 0 0 m s 以 内切除故障来说也嫌慢。采用这种方案的接线复杂，对c t 的要求高，安装在有很 多出线的6 3 5 k v 母线上有很多困难，也很不经济。此外，由于其保护范围受到c t 安装位置的限制，不能保护到发生故障几率较高的电缆室电缆接头处的故障。因此 也不适合中低压母线保护应用。 从实际应用情况来看，现有的保护方案是显然不能满足快速切除母线故障或保 护覆盖范围要求的，迫切需要采用一种新型中低压母线保护系统，以解决目前实际 运行中由于中低压母线发生故障几率较高、延迟切除故障导致故障发展、扩大，从 而造成巨大的经济损失的问题。 1 7 本文的主要工作 乌海电网由于出现中低压母线开关柜弧光故障导致电缆头爆炸、p t 爆炸、开关 柜和变压器的损坏，不仅造成了相当大的经济损失，而且严重威胁到电力系统的安 全稳定运行。对乌海电网开关柜弧光短路故障引发的中低压母线故障分析和研究， 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 ) 分析乌海电网中低压母线保护存在的问题及采取的措施； ( 2 ) 收集了国内外母线保护的方案相关资料，确定课题的研究方向 ( 3 ) 对母线的电弧光故障模型进行了全面分析 ( 4 ) 介绍了v a m p 2 2 l 弧光保护原理及构成；并分析说明v a m p 2 2 l 弧光保护的几种 保护方案； ( 5 ) 结合乌海电网的实际情况，在乌海局的宝山站和五福站配置电弧光保护， 并对其分析研究。 9 华北电力人学一1 ：程硕士学位论文 第二章电弧光故障的分析研究 我国现有电力网的中性点接地方式有中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地 和中性点不接地( 即中性点绝缘) 三种，单相弧光接地引起的过电压主要发生在中 性点非直接接地的电力网中【6 j 。单相接地是电网运行中出现频率最高、最常见的故 障形式。我国6 6 6 k v 电网的中性点运行方式，大部分采用中性点不接地或中性点 经消弧线圈接地。在这些电网的运行中，运行规程规定，出现单相接地后，允许带 接地点运行的时间一般不超过1 2 0 分钟。但随着中低压电网的扩大，供电母线的出 线回路数增多，线路长度增加，特别是电力电缆线路的大量使用，使单相接地电容 电流大幅度增加。当电容电流增大到一定程度，单相接点接地电弧不能自动熄灭， 就可能出现接地点电弧时燃时灭的不稳定状态。这种电弧重燃熄灭的间歇过程，导 致电网中电感和电容回路的电磁振荡j 。 2 1 中性点不接地系统单相接地时的物理过程 在中性点非直接接地电网中发生单相接地时，由于中性点不接地，故不形成短 路回路，接地故障电流很小，而且三相之间的线电压仍然保持对称，对负荷的供电 没有影响，因此在一般情况下允许系统继续运行卜2 小时，而不必立即跳闸，这也 是采用中性点非直接接地的主要优点。这提高了供电的稳定性。但是在单相接地， 非故障的对地电压升高为线电压，这对系统的绝缘不利，为防止故障进一步扩大， 需要装设继电保护装置。 如图2 1 所示的中性点不接地系统网络接线，图中采用集中参数忽略线路阻抗， 各线路的各相对地分布电容分别相等。正常状态下，电源电压e a 、e b 和e c 是对称 的。每相对地电容电流都超过前相电压9 0 。，三相电容之和为零。假设在a 相s 点 发生单相接地短路。r d 为接地电阻，当金属接地时为零。 当发生单相接地时，利用戴维南定理，从短路点看进去，即将r d 看成是有源 二端网络的负载电阻，开路电压即为a 相对地电压( 即为非故障前的e a ) ，其等效内 阻为将三相电源对地短路时的输入端电阻。忽略电源变压器和线路阻抗，可得等效 如图2 2 所示。 l o 华北电力大学l ：程硕十学位论文 一； |s - ； 叠e ， l 翻 叩 蛋、 二k | 车牟 w r d 醯k i 竺 i i 量；土。上 o 石、l k 二尹 b = 么、 w1 7 。i 逊 一 i 啦 l j ，伽2 qt 扎 t 亍t 亍 占o ， | 哑 &；一 f 一 l 。j 。 域一l 一一t dt 图2 1 中性点不接地系统网络接线图 线路2 图2 2 单相接地等效图 通常，电网零序阻抗为电网每相对地阻抗。忽略绝缘电阻后，即为z o = x c ， 如线路i 则z o = x c l = 1 w c a i oc i ，c 2 ，c 3 分别是线路l 、线路2 及发电机三相 对地电容的并联值，c l = 3 c a l ，c 2 = 3 c a 2 ，c 3 = 3 c g a 。由图2 2 可计算得： 玩一面鬲 当金属性接地时，r d 为零= 一只。故障相对地电压为： d = b + 砜= o 同理，非故障相b 、c 相对地电压分别为： ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 既 。o。；。，；。t 华北电力人学丁程硕士学位论文 u b a = e8 七uo ：eb ea ( 2 3 ) = 艮+ = 艮一t ( 2 4 ) 可见系统发生单相接地后，中性点对地电压不再为零，即系统出现中性点偏移。非 故障相对地电压为电源电势叠加上零序电压。当金属性接地时，= 一只故障相对 地电压为零，非故障相电压升高为线电压。 当金属性接地时，在非故障相中，流向故障点的电容电流为： i3 = u 晡j 国c i c = u c d j 国c 所以非故障相电流也相应的增加。 2 2 中性点不接地系统发生电弧接地故障分析 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 中性点不接地系统发生单相电弧接地的情况有稳定电弧接地、断续电弧接地， 以下讨论稳定性电弧接地。 由上节的分析可知，中性点不接地电网中，当发生单相接地时，通过接地点的 电流为全系统非故障相的对地电容电流之和。接地电流的大小，将直接影响接地点 的燃弧状况。 目前关于电弧接地过电压的理论和实验验证并不够完善。以高频振荡电流第一 次过零时熄弧来分析过电压发展过程的理论，称高频熄弧理论；以工频电流过零时 熄弧来分析过电压发展过程的理论，称工频熄弧理论。另外，前苏联y m 朱瓦尔雷 和h h 别里亚柯夫认为电流过零后，弧隙抗电恢复速度大于电压恢复速度时不再燃 弧【引。 由于发生电弧接地的实际情况千差万别，影响因素很多，如燃弧部位的介质不 同( 空气，油，固体) ，以及气象条件( 风，雨，温度，湿度，气压等) 的差异。所以 我们的分析是将上述复杂的情况理想化后进行的。 正常情况下，由于三相对称，电网对地电容电流很小。当出现单相接地短路时， 将出现较大对地电流，由图2 2 可得： j 。= 一幺竺坠! 盟( 2 7 ) r 缈( c l + c 2 + c 3 ) + l 。 当线路比较长，或者电缆的出线比较多时，对地电流会很大，这会导致电弧接 地不容易消除，并且将出现电弧接地过电压。仍考虑图2 一l 所示电路，设三相电源 1 2 华北电力大学一r ：程硕十学位论文 为： 气= s i n 彩 = s i n ( 功f l2 0 。) ( 2 8 ) ( 2 9 ) = s i n ( 彩f + 1 2 0 。) ( 2 1 0 ) 当a 相在其电压最大值( 甜= 窿，2 ) 处发生电弧接地故障时( s 点直接电弧接地) ， c a l 上电荷迅速通过电弧电流泄放掉。a 相电压突降为零。经过电源变压器漏感l 和 电阻r 的高频振荡充电，b 相和c 相对地电压便由一o 5 u m 降低一1 5 u m 。对地电容 充电电压幅值可按下式计算。 电压幅值= 2 倍稳态值初贻值 ( 2 一1 1 ) 故在彩f = 万2 时刻： “口= 【2 ( 一1 5 ) 一( 0 5 ) u m = 一2 5 u 0 ( 2 1 2 ) 甜c = 【2 ( 一1 5 ) 一( o 5 ) 】u 0 = 一2 5 u 0 ( 2 一1 3 ) 按工频熄弧理论，在a 相电流过零点即耐篡3 石，2 时，电弧熄灭。此时刻瞬间， 非故障相对地电容中存储的电荷对故障相对地电容充电，使三相对地电容上电荷相 等。这就使中性点对地有一个直流偏移电压“o = ( 2 1 5 + o ) = 。此时，各 相对地电压为u o 。与各相电源电压( 邑，瓦，毛) 的叠加。与熄弧前非故障相的对地电 压相等，因此不会出现高频振荡过程。此后，b 、c 两相对地电压便按各自线电压曲 线变化。当到烈= 5 万，2 时刻，电弧重燃前各相对地电压为 邑= 2 ，毛= o 5 ，瓦= o 5 。燃弧后元= o ，己= 琵= 一1 5 。燃弧瞬间，b ， c 相振荡电压最大值由式2 1 1 可得为一3 5 u m 。当鲥= 7 石，2 时电弧再次熄灭，此时 各相电压与纠篇3 石，2 时完全相同，其熄弧和再次燃弧与前相同。 由上面可以看出按工频熄弧理论分析，故障相最大过电压值为2 u m ，非故障相 为3 5 u m 。且故障相和非故障相的最大电压分别具有相同的极性。所以，发生电弧 故障势必使得相电流增大。 2 3 故障电弧仿真 2 3 1 电弧的动态模型 基于弧隙能量平衡理论的电弧的动态模型，就是在能量平衡的基础上将电弧当 作一个圆柱形的气体通道，而其电导是随着能量变化的。要得到动态方程时，需要 1 3 华北电力人学f ：程硕十学位论文 对电弧重燃和熄灭过程中出现的物理现象有全面的认识。最早的电弧模型是1 9 3 9 年的克西( c a s s i e ) 模型和1 9 4 3 年的麦也尔( m a y r ) 模型。后来，研究人员从物理方 程式出发来描述电弧过程，并分析了电弧过程与灭弧室或其周围介质状况的关系， 在实验的基础上又推导出不少方程式。2 0 世纪7 0 年代以后，在气吹灭弧室纵吹电 弧数学物理模型方面有相当大的发展，提出了由能量方程、动量方程、连续方程、 气体方程、电导方程等多个非线性方程式组成的电弧模型。 从能量平衡的原理出发，可得出： 华= 州一p + ( 2 - 1 4 )二= p z p ( 2 一1 4 ) 出 1 ” 式中，d q ，d l 是单位长度电弧弧柱中所储存能量的变化。p f 是单位弧长输入的 功率，p 是弧柱中的电场强度，f 是电弧电流，p 是单位弧长的功率损失。由上式得： ( 皇) ( 搴) = p ( 碰一1 ) ( 2 - 1 5 ) d g d t p 式中g 为单位长度电弧电导。 令t 噩g d 起呵得出： 吉c 务；c 譬叫 设l 为电弧长度，“为电弧电压，则材= p ；只为电弧弧柱的功率损失，则r 嚣三p 。 因此可得出： 言c 务；c 警叫 当电弧弧柱的电导由g 转换成稳定电导g 时，电弧稳定燃烧，电弧的输入能量与散 出的能量相等。即只= 广，g 。从而得到 鲁= ；( g 叫 ( 2 _ 1 8 ) 式中g 一电弧稳态电导 g 一电弧电导 t 一电弧时间常数 根据电弧特性可将瞬时性故障所产生的电弧分为一次电弧( 故障发生后到断路器跳 开前) 和二次电弧( 断路器跳开后) 。本文主要讨论的是一次电弧，一次电弧的模型为： 1 4 华北电力人学【：程硕十学伉论文 誓= ；( q 鸣) 2 3 2 电弧模型的m a t l a b 分析 ( 2 一1 9 ) 以m a t l a b 软件为平台，利用s i m u l i 出p s b ( 电力系统模块库) 中的元件建立的通 用电弧模型如图2 3 所示。电弧模型由电压控制的电流源( c o 咖l l e d c u f r c n ts o 哦e ) 、 微分方程编译器( d e e ) 、定值检测( h i tc 细s s i n g ) 、介跃信号( s t e p ) 、电压测量 ( v o l 嘛m e 私u f e m e n t ) 等模块组成。以下以m a y r 即电弧模型为例，对各模块的功 能与参数设置进行阐述。 ( 1 ) 微分方程编译器( d e e ) 电弧模型的微分方程可采用s i m u l i n k 中的微分