電弧光產(chǎn)生原因及其危害
由于中低壓系統(tǒng)容量增大、電纜應(yīng)用增多、系統(tǒng)諧振過(guò)電壓、絕緣故障、載流回路不良以及人為操作錯(cuò)誤等各種原因，常常引起開(kāi)關(guān)柜弧光短路故障。開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部故障產(chǎn)生的電弧光造成開(kāi)關(guān)設(shè)備中的壓力和溫度迅速增加，電弧光中心溫度約為20000℃，約為太陽(yáng)表面溫度的3~4倍，如不能及時(shí)切除，電弧可將開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的器件點(diǎn)燃，引起火災(zāi)，大面積燒毀配電設(shè)備，甚至破壞站內(nèi)直流系統(tǒng)，造成嚴(yán)重的損失和重大人身傷亡事故。
電弧光故障的危害程度取決于電弧光電流及切除時(shí)間，電弧光產(chǎn)生的能量與時(shí)間成指數(shù)規(guī)律快速上升。電弧燃燒持續(xù)時(shí)間超過(guò)100ms，所釋放的能量開(kāi)始急劇增加，接著各種故障效應(yīng)對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的電纜、銅排以及鋼材造成嚴(yán)重?fù)p壞。但是，目前中低壓母線(xiàn)保護(hù)所普遍采用的變壓器后備過(guò)流保護(hù)長(zhǎng)達(dá)1.0~2.0s的動(dòng)作時(shí)間，采用饋線(xiàn)速度保護(hù)閉鎖的后備過(guò)流保護(hù)，典型動(dòng)作時(shí)間為300ms~500ms，保護(hù)動(dòng)作、跳開(kāi)斷路器時(shí)，事故現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)柜往往已燒得面目全非，國(guó)標(biāo)中規(guī)定II、III類(lèi)變壓器動(dòng)作穩(wěn)定時(shí)間為0.25s，中低壓母線(xiàn)故障切除時(shí)間往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)0.25s，變壓器承受近距離短路故障沖擊，故障電流產(chǎn)生的點(diǎn)動(dòng)力可能導(dǎo)致變壓器繞組變形，往往需要更換繞組，造成嚴(yán)重的后果和損失。
目前國(guó)內(nèi)用于中、低壓母線(xiàn)的保護(hù)及其局限性：
● 變壓器后備過(guò)流保護(hù),典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間1.2s～2.0s;
● 采用饋線(xiàn)速斷保護(hù)閉鎖的變壓器后備過(guò)流保護(hù)，典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為300ms～500ms;
● 高阻抗母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)，典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為30ms～50ms。
變壓器后備過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能起到有效的保護(hù)作用，高阻抗母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)范圍受CT安裝位置的限制，接線(xiàn)復(fù)雜，CT要求高，且總體造價(jià)昂貴。
選用DPR360ARC母線(xiàn)短路保護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：
1）減少或降低電弧光對(duì)于人體的傷害;
2）減少或降低電弧光短路故障對(duì)于設(shè)備的損害;
3）避免變壓器因近距離母線(xiàn)故障造成動(dòng)穩(wěn)定破壞，延長(zhǎng)變壓器的使用壽命;
4）縮短電弧光故障切除時(shí)間，避免波及站內(nèi)直流系統(tǒng)造成重大損失;
5）減少因電弧光故障造成設(shè)備停運(yùn)的時(shí)間，更快地恢復(fù)供電。
母線(xiàn)短路保護(hù)系統(tǒng)解決方案
針對(duì)上述難題，合肥凱正電氣技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)了套中低壓母線(xiàn)及開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障快速保護(hù)系統(tǒng)—DPR360ARC母線(xiàn)短路保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以我公司自行研制的弧光檢測(cè)探頭為核心技術(shù)，結(jié)合電流檢測(cè)形成光檢測(cè)和電檢測(cè)的雙判據(jù)原理，通過(guò)弧光采集、快速數(shù)據(jù)傳輸、光纖通信、大規(guī)模硬件編程等關(guān)鍵技術(shù)準(zhǔn)確檢測(cè)電弧光型號(hào)，選用快速繼電器出口跳閘時(shí)間小于4ms，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的母線(xiàn)保護(hù)，對(duì)開(kāi)關(guān)柜的內(nèi)部弧光故障總切除時(shí)間可以控制100ms以?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)中低壓母線(xiàn)的快速保護(hù)。
系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
系統(tǒng)原理說(shuō)明
母線(xiàn)短路保護(hù)系統(tǒng)典型應(yīng)用示例圖開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障快速保護(hù)以母線(xiàn)保護(hù)光檢測(cè)和故障定位為核心技術(shù)，在開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)室、開(kāi)關(guān)室及電纜室分別設(shè)置母線(xiàn)光檢測(cè)點(diǎn)，定位故障發(fā)生部位，在饋出開(kāi)關(guān)斷路器一下部分發(fā)生故障時(shí)由本開(kāi)關(guān)跳閘切除故障，實(shí)現(xiàn)無(wú)死區(qū)的開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障快速保護(hù)。
開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障快速保護(hù)解決方案
傳統(tǒng)的母線(xiàn)保護(hù)采用電流突變和電弧光與門(mén)判斷實(shí)現(xiàn)母線(xiàn)保護(hù)，僅能反應(yīng)開(kāi)關(guān)母線(xiàn)室故障，對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部易發(fā)生故障的開(kāi)關(guān)室、電纜室不能提供保護(hù)。
開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障快速保護(hù)以母線(xiàn)保護(hù)光檢測(cè)和故障定位為核心技術(shù)，在開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)室、開(kāi)關(guān)室及電纜室分別設(shè)置母線(xiàn)光檢測(cè)點(diǎn)，定位故障發(fā)生部位，在饋出開(kāi)關(guān)斷路器一下部分發(fā)生故障時(shí)由本開(kāi)關(guān)跳閘切除故障，實(shí)現(xiàn)無(wú)死區(qū)的開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障快速保護(hù)。
系統(tǒng)原理說(shuō)明
系統(tǒng)適用于封閉式開(kāi)關(guān)柜，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)室、開(kāi)關(guān)室及電纜室有選擇性母線(xiàn)保護(hù)。
開(kāi)關(guān)與饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)母線(xiàn)室，母線(xiàn)上其他間隔(PT柜、隔離柜等)屬于母線(xiàn)范疇，每個(gè)間隔安裝弧光傳感器，直接或通過(guò)擴(kuò)展器接入主控單元，如下圖中母線(xiàn)室S1弧光傳感器安裝所示。
每個(gè)饋線(xiàn)單元及母聯(lián)開(kāi)關(guān)室配置一個(gè)弧光繼電器，開(kāi)關(guān)室及電纜室分別安裝弧光傳感器，接入弧光繼電器，如下圖開(kāi)關(guān)室S2、電纜室S3弧光傳感器安裝所示。
主控單元直接或通過(guò)電流單元跳變低、分段開(kāi)關(guān)，弧光繼電器直跳本單元開(kāi)關(guān)。變低、分段開(kāi)關(guān)CT直接或通過(guò)電流單元接入主控單元。
以母線(xiàn)為區(qū)域劃分邏輯，母線(xiàn)配置的弧光傳感器直接接入主控單元，若故障發(fā)生在d1位置，故障處于母線(xiàn)保護(hù)范疇范圍，母線(xiàn)室弧光傳感器S1監(jiān)測(cè)到弧光動(dòng)作，并且電流判據(jù)滿(mǎn)足，則主控單元根據(jù)整定的邏輯速跳主變低壓車(chē)開(kāi)關(guān)，分段開(kāi)關(guān)。
弧光繼電器與主控單元之間通過(guò)光纖雙向通信，由主控單元根據(jù)運(yùn)行方式不同將變壓器或母聯(lián)電流動(dòng)作狀態(tài)發(fā)送至弧光繼電器，若故障發(fā)生在d2,d3位置，故障處于饋出開(kāi)關(guān)保護(hù)范圍，當(dāng)弧光繼電器監(jiān)測(cè)到開(kāi)關(guān)室弧光傳感器S2或電纜室弧光傳感器S3發(fā)生弧光，并且電流判據(jù)滿(mǎn)足的情況下，直接跳本開(kāi)關(guān)，在開(kāi)關(guān)跳閘同時(shí)弧光繼電器發(fā)送故障信號(hào)(失靈信號(hào))至弧光主控單元。
若故障發(fā)生在d4位置，故障處于斷路器上觸頭位置，弧光繼電器監(jiān)測(cè)到開(kāi)關(guān)室弧光傳感器S2動(dòng)作后跳本開(kāi)關(guān)斷路器不能夠切除故障，若主控單元收到弧光繼電器已動(dòng)作信號(hào)，在經(jīng)過(guò)50~150ms(可整定)后，若弧光繼電器所屬區(qū)域電源點(diǎn)相電流或負(fù)序電流判據(jù)滿(mǎn)足，則主控單元根據(jù)整定的邏輯跳變低壓側(cè)開(kāi)關(guān)、分段開(kāi)關(guān)，起到失靈保護(hù)作用。
通過(guò)主控單元和弧光繼電器的配合實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)故障快速保護(hù)，整個(gè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障無(wú)保護(hù)死區(qū)，并能夠選擇性的切除故障，縮小系統(tǒng)停電范圍。
主控單元端子接線(xiàn)圖
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