電弧光及保護(hù)系統(tǒng)簡介
1.1概述
在我國,中、低壓母線短路故障中,重點(diǎn)設(shè)備和人員傷害主要由電弧光引起,然而,我國的大多數(shù)中低壓母線沒有設(shè)置快速母線保護(hù),而只是采用了簡單的消弧裝置和變壓器后備保護(hù)。這些保護(hù)智能化較低,動(dòng)作速度慢,往往會(huì)延長故障切除時(shí)間,從而進(jìn)一步擴(kuò)大設(shè)備損壞程度,甚至?xí)稹盎馃B營”的惡性事故,沖擊變壓器一次運(yùn)行,影響整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。
弧光保護(hù)系統(tǒng)是我公司根據(jù)國內(nèi)實(shí)際情況,吸收國外電弧光保護(hù)的特點(diǎn),結(jié)合行業(yè)檢測及保護(hù)配置相關(guān)規(guī)程,自主研發(fā)出具有*創(chuàng)新技術(shù)、具有廣泛實(shí)用性、高可靠性的新型電弧光保護(hù)系統(tǒng)。采用弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理,具有保護(hù)動(dòng)作速度快、可靠性高等特點(diǎn)。
1.2電弧光產(chǎn)生的原因
引起開關(guān)柜弧光短路故障的原因很多,一般分為以下五類
1)絕緣故障:主要是柜中絕緣材料爬距不足,未滿足加強(qiáng)絕緣要求,在臟污環(huán)境,天氣潮濕下發(fā)生絕緣故障。另外,由于絕緣材料材質(zhì)缺陷,運(yùn)行年限較長的開關(guān)柜,在強(qiáng)電磁場作用下絕緣老化,也可能造成絕緣損壞而導(dǎo)致故障。
2)載流回路不良:由于一些接頭截面不夠,緊固螺栓松動(dòng),手車柜觸頭接觸不良,在大電流流過時(shí)引起發(fā)熱,冒火進(jìn)而引起相間,相對地?fù)舸┑鹊取?/span>
3)外來物體的進(jìn)入:如小動(dòng)物(老鼠等)進(jìn)入開關(guān)柜內(nèi)部,或維修人員在工作完成后將工具遺留在開關(guān)柜內(nèi)。
4)認(rèn)為操作錯(cuò)誤:如走錯(cuò)間隔,誤操作,未對工作區(qū)域進(jìn)行接地,未對工作區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)電等。
5)系統(tǒng)方面的原因:如系統(tǒng)容量增大,接地方式改變,電纜應(yīng)用增多,保護(hù)及自控裝置配置不當(dāng),系統(tǒng)諧振過電壓等。
1.3電弧光的危害
開關(guān)柜內(nèi)的發(fā)生短路弧光的功率可高達(dá)100MW,電弧燃燒所產(chǎn)生的能量與電弧的燃燒時(shí)間及短路電流變化值呈指數(shù)倍增長(如下圖所示),燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓將會(huì)逐步摧毀元器件、銅排以及成列的開關(guān)柜,高明亮的弧光和有毒氣體對人體也有巨大的傷害。
要保證設(shè)備不受結(jié)構(gòu)性損傷,必須盡量縮短切除時(shí)間。
以下為國外資料介紹的各種燃弧時(shí)間長短和對設(shè)備造成的損壞程度的評估:
燃弧時(shí)間 | 設(shè)備損壞程度 |
35 ms | 沒有顯著的損壞,一般可以在檢驗(yàn)絕緣電阻后投入使用 |
100ms | 損壞較小,在開關(guān)柜再次投入運(yùn)行以前需要進(jìn)行清潔或某些小的修理 |
500ms | 設(shè)備損壞很嚴(yán)重,在現(xiàn)場的人員也受到嚴(yán)重的傷害,必須更換部分設(shè)備才可以再投入運(yùn)行。 |
1.4電弧光保護(hù)系統(tǒng)作用及應(yīng)用領(lǐng)域
電弧光保護(hù)系統(tǒng),可以起到以下作用:
減少或降低電弧光對于人體的傷害;
減少或降低電弧光短路故障對于設(shè)備的損害;
避免變壓器因近距離母線故障造成動(dòng)穩(wěn)定破壞,延長變壓器的使用壽命;
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;
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;
電弧光保護(hù)系統(tǒng),主要應(yīng)用于以下場合:
1)電力變電站
2)火電廠電氣段開關(guān)柜母線室及饋線柜
3)風(fēng)電場升壓站集電線路開關(guān)柜
4)箱式變電站
5)鋁鎂行業(yè)大型直流整流柜
本系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn):
滿足電磁兼容(EMC)標(biāo)準(zhǔn);
符合中國繼電保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求;
采用過流及弧光雙重判據(jù),可靠性高;
新型光纖連接傳輸,光電轉(zhuǎn)換在裝置內(nèi)完成,抗電磁力強(qiáng);
采用過濾干擾光的新型弧光傳感器,具有過濾干擾光的功能,避免可見光傳感器受環(huán)境光照影響引起誤動(dòng);
出口跳閘時(shí)間小于10ms,遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的母線保護(hù),對開關(guān)柜的內(nèi)部弧光故障總切除時(shí)間可以控制在75ms以內(nèi);
全漢字顯示,操作習(xí)慣和傳統(tǒng)數(shù)字式保護(hù)*一致;
跳閘出口邏輯可編程;
弧光傳感器動(dòng)作值三檔可調(diào);
電弧光保護(hù)系統(tǒng)的組成
2.1目前國內(nèi)用于中、低壓系統(tǒng)的保護(hù)及其局限性
1)變壓器后備過流保護(hù),典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為1.2s~2s。
2)采用饋線速斷保護(hù)閉鎖變壓器后備過流保護(hù),典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為300ms~500ms。
3)高阻抗母線差動(dòng)保護(hù),典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為30ms~50ms。
上述保護(hù)均有致命的弱點(diǎn)就是動(dòng)作時(shí)間太慢,根據(jù)電弧光危害示意圖所示,保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間不能超過20ms,否則會(huì)產(chǎn)生不可修復(fù)的器件損壞,從而延長故障修復(fù)時(shí)間。
2.2本系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢
1)、動(dòng)作迅速可靠:
采用了可靠的快速算法,可以在短時(shí)間內(nèi)判斷弧光變化信號和電流變化信號并迅速出口,從發(fā)現(xiàn)故障到出口跳閘時(shí)間間隔優(yōu)于10ms,確保開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備的弧光在75ms以內(nèi)切除。
2、全數(shù)字化設(shè)計(jì):
本裝置采用全數(shù)字化設(shè)計(jì),配置靈活,動(dòng)作精度高,而且排除了由于旋鈕或其他機(jī)械設(shè)計(jì)導(dǎo)致的誤差隱患。
3、保護(hù)原理簡單、合理
根據(jù)弧光產(chǎn)生時(shí)的特點(diǎn),裝置采用弧光和電流雙重判據(jù),判據(jù)簡單且可以有效的保證動(dòng)作的準(zhǔn)確性。
4、強(qiáng)大的電氣性能:
弧光探頭設(shè)計(jì)、連接線等全部采用耐高溫、阻燃的高分子材料,具有的電氣隔離效果。裝置*EMC的標(biāo)準(zhǔn),保證了弧光保護(hù)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和動(dòng)作的可靠性。
5、故障信息記錄全面
在故障弧光發(fā)生并引起裝置跳閘后,主控單元或饋線保護(hù)單元可以準(zhǔn)確的記錄弧光探頭檢測到故障弧光的位置信息,且可以詳細(xì)記錄動(dòng)作時(shí)刻的三相電流值。
2.3弧光保護(hù)系統(tǒng)組成
弧光保護(hù)系統(tǒng)主要由主控單元(含弧光采集單元)和弧光傳感器組成,為了適應(yīng)現(xiàn)場的應(yīng)用需求,分為了母線型弧光保護(hù)系統(tǒng)和饋線型弧光保護(hù)系統(tǒng)。如下圖所示:
圖2 弧光保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
2.3.1 主控單元
主控單元是母線型弧光保護(hù)系統(tǒng)的核心。它檢測分析故障信號、接收分析采集單元的弧光故障信號,并對兩種信號進(jìn)行綜合分析判斷。在滿足跳閘條件時(shí),發(fā)出跳閘指令以切除故障。
主控單元一般安裝在進(jìn)線柜或緊鄰進(jìn)線柜的開關(guān)柜的二次控制門板上。主控單元有:
1)16個(gè)弧光信號檢測接口,用于接收來自弧光傳感器的弧光故障信號;
2)2路RS485;
3)4路快速跳閘輸出接口,符合IEC255-23繼電器標(biāo)準(zhǔn)。
4)2路報(bào)警出口,其中一路為裝置故障出口。
5)12路電流輸入,檢測4組三相電流信號,用于判斷故障電流。
6)主控單元可以根據(jù)客戶需要擴(kuò)展弧光采集單元、或者電流單元
2.3.2 弧光擴(kuò)展采集單元
弧光擴(kuò)展采集單元與主控單元配合使用,是弧光保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分,主要用于采集故障弧光,并將判斷后的結(jié)果通過高速總線傳遞給主控單元。單個(gè)弧光采集單元可以安裝16路弧光探頭,根據(jù)系統(tǒng)的大小可以任意增減弧光采集單元的數(shù)量?;」獠杉瘑卧ǔ0惭b在選定的開關(guān)柜內(nèi)中?;」獠杉瘑卧哂?/span>
1)16個(gè)弧光信號檢測接口,用于接收來自弧光傳感器的弧光故障信號;
2)2個(gè)數(shù)據(jù)通訊接口,1路RS485,1路CAN總線;
2.3.3 弧光傳感器
弧光傳感器中的探頭安裝在柜內(nèi)各間隔中,可實(shí)現(xiàn)由簡單到復(fù)雜、有選擇性的保護(hù)。弧光探頭作為光感應(yīng)元件,在發(fā)生弧光故障時(shí)檢測突然增加的光強(qiáng)。主流應(yīng)用分為光纖式弧光傳感器和電纜式弧光傳感器兩種。
1)光纖式弧光傳感器
光纖式弧光傳感器,前置探頭采集弧光信號中的*光譜信息,并通過專用光纖將光信號傳送給弧光采集單元或主控單元,弧光單元或主控單元完成光信號的分析處理與采集。
2)電纜式弧光傳感器
電纜式弧光傳感器,前置探頭采集弧光信號中的*光譜信息,并在探頭處完成光信號與電信號的轉(zhuǎn)換,輸出4-20mA的電流信號傳送給弧光單元或弧光保護(hù)主控單元。
2.4 技術(shù)特點(diǎn)
本系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn):
滿足電磁兼容(EMC)標(biāo)準(zhǔn);
符合中國繼電保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求;
采用過流及弧光雙重判據(jù),可靠性高;
新型光纖連接傳輸,光電轉(zhuǎn)換在裝置內(nèi)完成,抗電磁力強(qiáng);
采用過濾干擾光的新型弧光傳感器,具有過濾干擾光的功能,避免可見光傳感器受環(huán)境光照影響引起誤動(dòng);
出口跳閘時(shí)間小于10ms,遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的母線保護(hù),對開關(guān)柜的內(nèi)部弧光故障總切除時(shí)間可以控制在75ms以內(nèi);
全漢字顯示,操作習(xí)慣和傳統(tǒng)數(shù)字式保護(hù)*一致;
跳閘出口邏輯可編程;
弧光傳感器動(dòng)作值三檔可調(diào);
2.5.裝置原理說明
1)電弧光保護(hù)功能
電弧光保護(hù)以電流單元為基礎(chǔ)分組,弧光探頭可以整定關(guān)聯(lián)到任意一組電流信號上。
當(dāng)弧光單元把光信號從弧光傳感器傳輸?shù)街骺貑卧獣r(shí),并且同時(shí)電流啟動(dòng)元件動(dòng)作,電弧光保護(hù)動(dòng)作;裝置可選擇弧光信號動(dòng)作單判據(jù)作為動(dòng)作邏輯判斷。
圖3 電弧光保護(hù)邏輯圖
2) 裝置自檢
當(dāng)裝置檢測到本身硬件故障時(shí),發(fā)出告警信號,同時(shí)閉鎖整套保護(hù)。硬件故障包括:采樣回路故障、RAM出錯(cuò)、定值出錯(cuò)等。