电弧光保护系统

1.电弧光保护概述

电弧光保护系统可以在开关柜发生弧光故障的时候，保护操作人员不受伤害，并且降低财产损失程度。

当出现弧光时候，弧光以300m/s的速度爆发，摧毁途中的任何物质。只要系统不断电，弧光就会一直存在。要想最大限度的减少弧光的危害，我们需要一种安全、迅速而有效的半导体电弧光保护系统。

在开关柜抽屉内，弧光可以迅速的在10ms内达到3M远，因此要想最大程度降低损失，时间是个最主要的因素。RIZNER-EagleEye电弧光保护系统输出跳闸信号时间小于1ms,即使在安装或者维护的时候也能保护操作人员的安全。 2.RIZNER-EagleEye电弧光保护系统概述

RIZNER-EagleEye电弧光保护系统的面市已经近10年.所有的主要的电力系统和电力公司都已使用.芬兰IVOLoviisa核电站的运行证实, 在发生电弧时,只有RIZNER-EagleEye的电弧光保护才能保护他们的开关柜。

RIZNER-EagleEye电弧光保护系统使用先进的处理器技术来控制系统的功能。该处理器技术也使得电弧光保护系统功能的编程，可匹配开关柜的不同运行方式。

在跳闸回路里采用的半导体技术（可控硅开关）确保了开关柜里的供电开关以最小的延时得到跳闸信号。在不论是RIZNER-EagleEye电弧光保护系统的主控单元，还是电弧光单元探测到电弧光，并且电流单元的整定的电流定值被超过，电弧光保护系统的跳闸信号将在小于1ms到达供电开关。电流的信息也可直接取自安全电流回路，在此情况下，电弧光保护也可尽可能快的得到过流的信息。 如果偶尔光线信号超过光线设定值或者电流信号超过电流设定值，系统不会输出跳闸信号，也不会记忆在跳闸回路中，但是在主控单元上会显示报警信号。在编程的时候，必须考虑系统按照用户所希望的方式正常工作。 采用光纤技术来向主控单元传输跳闸信号，确保了电弧光保护系统的完美功能，它的抗干扰能力强，跳闸信号可以非常迅速的输出到断路器。 3.电弧光保护系统组成 3.1概述

如果使用光纤三工器，一套RIZNER-EagleEye电弧光保护系统能保护1500m的中压开关柜或500m低压开关柜。在此情形下，在开关柜的每个柜子都要装一个弧光传感器来保护。在开放式母线系统中，弧光传感器的间隔约为5...6 m。 一个RIZNER-EagleEye主控单元能同时保护几个独立的开关柜，因此，电弧光保护系统的弧光单元和电流单元可以分散到不同的开关柜内，把检测到的弧光或电流信号传送到主控单元，主控单元收集到这些必要的数据，根据实际情况输出跳闸信号到断路器。

在主控单元和弧光单元或电流单元间的数据传送是靠光纤和数据传输线来完成的。光纤传输触发信号至主控单元。工作电源，报警信号，自控数据信息流的传送则通过数据传输线来完成。主控单元提供4个快速1ms独立跳闸和报警母线和6个常规继电器出口。

在系统里进行连接时，必须小心考虑每一母线最后一个电流单元的开关位置。开关位置决定了此电流单元能否按设定的程序正常工作。 3.2RIZNER-EagleEye主控单元

主控单元是RIZNER-EagleEye电弧光保护系统的核心部件，它也能单独在发生弧光时，来保护开关柜。然而，须记住，此时没有电流条件来确保保护。在使用电弧光保护系统时，我们推荐使用电流单元。

主控单元面板上的电位计用来设定弧光单元线路版上16个光感输入检测到的感光的强度。然而，若保护系统采用了电流单元，且整定的电流值没有超过，保护系统不会发出跳闸信号。

四个专用于弧光和电流单元的光信号入口，当它们仅用来传输光信号到主控单元时，用相同的方式来调节。主控单元背面的四个光纤口。在情况下，主控单元背面的DIP开关状态要考虑进去。 3.3EagleEye-ARC弧光单元

如果主控单元的弧光测量口不够用，或者想设定更多的跳闸逻辑时，则须使用弧光单元。使用弧光单元还可以节省光纤的费用：因为弧光单元可以放在需要保护的位置附近，从一个弧光单元到另一个电流或弧光单元或主控单元只需一根光纤即可。

弧光单元面板上的电位计用来调整感光的强度，校准好后，则把信息传递到下一个电流或弧光单元或者传到主控单元。电位计同时校准弧光单元中的所有弧光输入口信号，当弧光单元连接所需的光纤安装完毕后，必须调节

弧光单元可以替代一些光缆的使用。在此情况下，保护系统始终能准确地识别整定的光感定值被超过地方的传感器。 3.4EagleEye–CR电流单元

EagleEye-CR电流单元用来确保保护系统在不同运行情况下的跳闸逻辑可操作性。通过使用电流单元，弧光保护系统中的跳闸逻辑可以多样化，且有更多的选择。

测量电路中5A,2A和1A的二次电流可以连接到电流单元，为了确保这些连接，电流单元中不需要其他的设定，但是这些二次电流端子是直接连接到EagleEye-CR电流单元的端子上的。 过流整定范围是50?500*In. 3.5系统电源

弧光保护系统有一个独立的电源，可以装在柜子底部的DIN导轨上。该电源给主控单元供电，再由主控单元提供给弧光单元和电流单元工作电压。

因此，对使用在重要场合的金属封闭开关柜，应进行内部故障飞弧试验及安置故障电弧保护装置，故障电弧试验规定可见GB3906—2005，IEC62271—200标准。

4．2故障电弧防护装置

ABB公司开发的故障电弧防护装置早已应用于AX1开关柜；德国Moeller公司早已研制出Arcon故障电弧防护装置。

一般电弧防护装置由三部分组成：保护主单元；过流、弧光检测辅助单元；电弧光传感器。

4.2.1电弧光传感器

作为光感应元件，安装在开关柜母线室的几个位置，检测发生故障时突然增加的光强。

4.2.2过流、弧光检测辅助单元

弧光检测辅助单元收集来自电弧光传感器的光信息，再传送给主单元。过流检测辅助单元提供过流动作信息，它是动作判据之一，可进一步保证电弧光保护系统的动作准确性、可靠性。 4.2.3保护主单元

它是电弧光保护系统的核心，它用于管理和控制整个电弧光保护系统。它接收检测短路电流和来自电弧光传感器的信息，对收集的数据处理、判断，如果确认是电弧故障，则发出跳闸命令，使进线断路器跳闸，即切断进线电源。如进线断路器不能跳闸（拒动），则启动断路器失灵保护逻辑，发跳闸命令给上一级断路器来切断电源。此外根据过流、弧光检测辅助单元送来的信息，提供弧光故障点和报警信号。

这里还有一种方法：如果确认是电弧故障，则启动快速短接开关，使它迅速合闸，将电弧故障转化成三相短路电流，而使上游断路器分闸，达到迅速熄灭电弧目的。

故障电弧光保护系统框图示于图6。 5 结束语

（1）智能化成套开关设备是新一代电器产品，它溶合了计算机、信息、控制、传感器与微子技术，将每台智能化单元的通信接口与值班室计算机相连，就可构成变电站综合自动化系统，可以就地及远方实现保护，可以实现变电站广域监测和诊断。

（2）计算机技术及电磁兼容性（EMC）水平提高，使智能化测控装置比传统的机电式测控产品更加可靠，多年来运行已证明了这一点。

（3）按状态维护技术建立在线监测技术、信息技术的基础上，在线监测项目可按实际需要决定。

（4）使用于重要场合的开关柜，应配置智能故障电弧防护装置。

电弧光保护系统在中低压母线保护中的应用

1. 概述

在电力系统中，35kV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。

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系统。

2.开关柜内部燃弧耐受时间及变压器动稳定时间指标 2.1开关柜内部电燃弧耐受时间

IEC298标准附录AA中规定的内部燃弧时间是100ms，目前市场上销售的开关柜基本上是按照IEC298标准生产的，也就是说，开关柜可以承受的电弧燃烧时间为100ms。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间之和，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，保护动作时间应在小于100ms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。

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。图1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。

图1.电弧能量与燃烧时间及破坏作用 2.2变压器的动稳定时间 据有关资料统计，一些地区110kV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50%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和损失。

国标规定的110kV及以上电压等级的变压器的热稳定允许时间为2秒，动稳定时间为0.25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 0.25秒的变压器的动稳定时间相差甚远。所以，可以说，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0.25秒的要求。

3.开关柜弧光短路故障的防护措施 3.1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；另一方面，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。下表为国外对增加开关柜内部燃弧耐受时间和相应增加成本进行评估的结果。

3.2积极性防护措施

采用高速专用中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，即阻断了故障发展的可能性，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。

4.现有的中压母线保护方案及存在的问题

从以上讨论的保护开关设备目前普遍采用的中压母线保护方案如下：

4.1变压器后备过流保护方案：

这是目前国内应用最广泛的中压母线保护方案。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1.0-1.4秒，有的甚至更长，达2.0秒以上。这一动作速度很显然是远远不能满足快速切除中压母线故障要求的。

4.2馈线过流保护闭锁变压器过流保护方案： 这是近年来微机过流保护在中压馈线广泛应用，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300-400ms。但对于要求100ms以内切除故障显然也是不能满足要求。

4.3采用环流原理的高阻抗母线保护方案:

这是国外某些重要项目曾采用的专用电流差动中压母线保护方案，典型的保护动作时间为35-60ms。考虑到断路器的分闸时间，这一动作速度对要求 100ms以内切除故障来说也嫌慢。采用这种方案的接线复杂，对CT的要求高，安装在有很多出线的6-35kV母线上有很多困难，也很不经济。此外，由于其保护范围由于受到CT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，从而造成的巨大的经济损失的问题。

5.新型电弧光母线保护系统及应用情况 5.1系统组成

VAMP220是一种快速可靠的专用中低压母线保护系统，它采用检测弧光和过流双判据原理，具有原理简单、动作可靠迅速、对变电站一次设备无特殊要求、 适应于各种运行方式、且在各种运行方式下保护不需要切换等优点，为目前发电厂、变电站、工业及商业配电系统380V-35kV中低压母线保护理想的解决方案。

VAMP220电弧光保护系统结构如图2所示，它由以下主要部件组成: 图2.VAMP220电弧光保护系统组成框图 5.1.1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。该系统只要在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。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母线故障。 5.1.2辅助单元

辅助单元安装在开关柜中。每个辅助单元可接入10个弧光传感器、1个便携式弧光传感器和1个温度传感器。辅助单元的地址通过拔码开关设定。当系统发生弧光故障时，辅助单元收集来自弧光传感器的动作信息并传送给主单元，在主单元上显示辅助单元和弧光传感器的地址编号，有利于及时检修和排除故障。 5.1.3弧光传感器

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