傳統(tǒng)保護(hù)為何失效？揭秘中低壓開關(guān)柜弧光故障的“隱形殺手”

摘要:近年來，中低壓開關(guān)柜的使用越來越普遍。在此過程中，確保開關(guān)柜平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。并在此基礎(chǔ)上，闡述了由此產(chǎn)生的弧光和電弧事故的危險(xiǎn)性，引入弧光保護(hù)及母線保護(hù)的特點(diǎn)必要性分析，闡述了弧光保護(hù)系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)。工程實(shí)例證明，弧光保護(hù)在中低壓開關(guān)柜占主導(dǎo)地位。

關(guān)鍵詞:弧光保護(hù);開關(guān)柜;過流保護(hù);光傳感器

低壓和中壓開關(guān)柜是一種配電基礎(chǔ)設(shè)施，每年消耗大量電力。中低壓開關(guān)柜中弧光放電是最嚴(yán)重的事故。由于電弧電阻過高，故障電流無法達(dá)到固定保護(hù)值，無法快速關(guān)閉電源。在某些情況下，延遲可能導(dǎo)致無法快速切斷故障，弧光故障電流即使達(dá)到保護(hù)起始值也是如此。弧光放電不僅會(huì)導(dǎo)致斷電，而且還會(huì)對(duì)許多設(shè)備造成損壞和人身傷害，可能導(dǎo)致無法估量的損壞。

一、電弧的產(chǎn)生機(jī)理

中低壓開關(guān)柜是電力和配電的重要基礎(chǔ)設(shè)施。近年來，他們的使用逐漸增加。這對(duì)于確保中低壓開關(guān)柜的可靠性和安全運(yùn)行以及減少電氣事故的損壞至關(guān)重要。對(duì)于許多類型的弧光放電來說，電氣事故是中低壓開關(guān)柜的嚴(yán)重事故。如果使用了電弧電阻，則不需要調(diào)整限制電流來設(shè)置保護(hù)值，這是無法停切斷故障。在某些情況下，即使弧光法的電流與保護(hù)的初始值相符，延遲也會(huì)妨礙及時(shí)消除干擾，因此可能會(huì)弧光放電問題，在這種情況下，不僅會(huì)導(dǎo)致停電，而且還會(huì)對(duì)設(shè)備和員工造成嚴(yán)重影響，這可能會(huì)對(duì)企業(yè)造成嚴(yán)重影響。由于放電過程中兩點(diǎn)之間的電壓大于介質(zhì)的電阻電壓，因此只要有足夠的能量補(bǔ)償熱量損失和溫度合適，電弧就會(huì)保持不變。例如，10kvV系統(tǒng)的弧光放電過程如圖1所示。當(dāng)導(dǎo)體之間的絕緣不足時(shí)，產(chǎn)生弧光是分子和原子在強(qiáng)力場(chǎng)中游離的過程。附近的正負(fù)電子加速運(yùn)動(dòng)，并與其他空氣分子和原子碰撞，同時(shí)產(chǎn)生電弧光和高熱量。

圖1 10kV弧光放電的物理機(jī)理圖

二、電弧事故危害

弧光最高可達(dá)4500℃溫度，內(nèi)部最高可達(dá)10000-20000℃。空氣弧光功率為40mW，弧的強(qiáng)照明強(qiáng)度2000多倍以上。因此，不及時(shí)對(duì)電弧產(chǎn)生采取措施可能會(huì)造成損害。

1.人身危險(xiǎn)。電弧造成的傷害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:第一，熔化金屬粒子進(jìn)入人體皮膚，導(dǎo)致皮膚金屬化；第二，弧光強(qiáng)度高可能導(dǎo)致眼睛損傷和角膜脫落。第三，高溫下粉塵和有毒氣體可能會(huì)損害身體的呼吸道。第四，當(dāng)弧光電流人體有一定影響時(shí)，肌肉意外收縮，損害皮膚、血管和神經(jīng)。

2.設(shè)備的危險(xiǎn)。產(chǎn)生電弧時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量高溫條件氣體，且變形或破碎開關(guān)柜。此外，燃燒振動(dòng)波會(huì)導(dǎo)致其劇烈振動(dòng)，緊固件松動(dòng)或脫落。此外，在高溫下可能會(huì)出現(xiàn)電纜燃燒等問題，在較大的情況下，開關(guān)柜外殼中的金屬可能會(huì)熔化，從而導(dǎo)致火災(zāi)事故。

三、設(shè)置弧光保護(hù)的必要性

我國開關(guān)柜有幾種母線保護(hù)方法。

1.變壓器過流保護(hù):低成本，保護(hù)開關(guān)IEC 298不能滿足100 ms的低壓1-2s時(shí)，母線故障切除。

2.饋線過流保護(hù)閉鎖:使用高性能工程微米芯片進(jìn)行分析、數(shù)據(jù)采集和命令執(zhí)行，運(yùn)行速度為300-400ms，不符合IEC298中低壓電母線源100ms故障的要求。

3.母差保護(hù):典型動(dòng)作為35.60ms時(shí)間，一般故障響應(yīng)時(shí)間隨100ms和基本快速性要求而變化，但也存在一些問題，如保護(hù)能力較小，復(fù)雜接線，較高要求電流互感器，無法提供關(guān)鍵故障點(diǎn)。母線的保護(hù)要求未得到滿足，實(shí)際上電流互感器飽和會(huì)造成保護(hù)干擾，不符合裝置范圍的要求，限制了保護(hù)的應(yīng)用。開關(guān)柜發(fā)生弧光故障瞬間時(shí)，弧形保護(hù)系統(tǒng)可以快速檢測(cè)并輸出跳閘信號(hào)。瞬間脫扣(斷路器)，切斷電源，使電弧消失，并減少因弧光故障而造成的損壞。電弧持續(xù)時(shí)間小于100ms，無論是弧光+電流雙判據(jù)。傳統(tǒng)電源保護(hù)的運(yùn)行時(shí)間超過100ms。為此，在開關(guān)柜母線保護(hù)中促進(jìn)弧光保護(hù)很重要。

四、弧光保護(hù)原理及系統(tǒng)構(gòu)成

1.弧光保護(hù)原理。是由一個(gè)有缺陷的弓引起的弧光，但從弧光故障到弧光檢測(cè)，速度非常快，不足1ms。電流保護(hù)為了提高可靠性，增加故障電流通常還應(yīng)考慮，發(fā)出跳閘命令。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如圖2所示，弧光系統(tǒng)主要由輔助單位組成，如主控單元、弧光檢測(cè)和連接I/o。弧光傳感器位于開關(guān)中的任何位置，根據(jù)實(shí)際物理位置進(jìn)行保護(hù)調(diào)節(jié)，要查看主單元弧光的誤差位置，請(qǐng)執(zhí)行操作，從而縮短斷電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電流的快速恢復(fù)。弧光傳感器可以用一種或多種方式弧光傳感器沿開關(guān)設(shè)備的不同室分布。電弧傳感器覆蓋一個(gè)或多個(gè)室，傳感器為單點(diǎn)或光纖線式。

圖2弧光保護(hù)系統(tǒng)示意圖

單個(gè)傳感器只能捕獲小區(qū)域中的光，有光電和光單點(diǎn)傳感器。傳感器光電單點(diǎn)于光電管中進(jìn)行光學(xué)轉(zhuǎn)換。使用這些傳感器時(shí)，應(yīng)考慮放置傳感器時(shí)的EMI和ESD問題。光單點(diǎn)傳感器根據(jù)透明材料捕獲光源，并使用光纖將其傳遞給光接收器。傳感器單點(diǎn)式也必須激活脈搏。脈搏信號(hào)是發(fā)射機(jī)發(fā)送給光接收機(jī)的光脈沖信號(hào)。脈搏信號(hào)用于確定光學(xué)接收機(jī)是否工作正常，光纖傳感器通常由環(huán)形組成。捕獲光源并將其傳遞給接收器。光纖通道傳感器與單點(diǎn)式相比，在光纖線式傳感器較大區(qū)域采集光。此傳感器還具有脈搏功能。理想的光學(xué)傳感器具有較低的傳輸速度和較高的捕獲效率，通常采用POF或玻璃光纖。對(duì)于POF和PCS，最外層是透明的或被移除的。由于光纖通道傳感器可以檢測(cè)單個(gè)設(shè)備或多個(gè)設(shè)備中的多個(gè)單元，因此可以通過減少光纖電纜長(zhǎng)度的傳感器數(shù)量來降低系統(tǒng)保護(hù)成本。但是光纖產(chǎn)品的長(zhǎng)度取決于接收機(jī)的靈敏度。由于單點(diǎn)傳感器的主要特點(diǎn)，這兩種傳感器都有缺點(diǎn)，并應(yīng)用于弧光檢測(cè)。“被遮擋風(fēng)險(xiǎn)”表示光傳感器是否可能位于開關(guān)設(shè)備的“被遮擋風(fēng)險(xiǎn)”，從而存在傳感器能夠捕獲光的風(fēng)險(xiǎn)。由于光纖通道傳感器的范圍很廣，傳感器沒有被被遮擋危險(xiǎn)。單點(diǎn)傳感器用于弧光檢測(cè)，比光纖傳感器敏感得多。但是，光纖線式傳感器的靈敏度部分取決于光纖的物理特性。此外，光纖傳感器可以從單個(gè)或多個(gè)開關(guān)中的多個(gè)光纖識(shí)別，而不能實(shí)現(xiàn)到單點(diǎn)傳感器。

3.關(guān)鍵性能和特點(diǎn)。(1)電磁兼容符合國家繼電器質(zhì)量監(jiān)督(EMC)標(biāo)準(zhǔn)。(2)符合繼電保護(hù)建設(shè)準(zhǔn)則。(3)通過弧光和過流雙判可靠運(yùn)行。(4)無源弧光探頭直接連接到光纖端口，干擾能力強(qiáng)抗電磁。(5)基于實(shí)際電路的可編程性和可擴(kuò)展性。(6)可根據(jù)需要調(diào)整弧光感光度和過流值。(7)故障原因，準(zhǔn)確其位置。

五、弧光保護(hù)應(yīng)用案例

A化工廠110/10kV變電站10kv I類具有與Ⅱ段相同的弧光保護(hù)，I段母線L1、N線組發(fā)生接地故障，逐漸發(fā)展為L(zhǎng)1和L2之間的短路。如果確定了弧光保護(hù)并且確定了故障電流，則I段母線10kV的線路斷路器將被切斷。當(dāng)故障得到糾正和驗(yàn)證時(shí)，弧光保護(hù)裝置的決定和保護(hù)是正確的，其保護(hù)操作及時(shí)執(zhí)行，供電會(huì)盡快重新恢復(fù)。

弧光保護(hù)既簡(jiǎn)單又及時(shí)，它對(duì)于防止停電和盡量減少傷害和設(shè)備損壞以確保電力設(shè)備安全可靠地運(yùn)行至關(guān)重要。為此，有關(guān)技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)研究，使他們能夠在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

六、安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品選型說明

ARB5-弧光主控單元

（1）＊表示可選附件，需要另外增加費(fèi)用1500元。

（2）主控板和采集板數(shù)量之和不能大于4。

（3）弧光探頭到采集板的長(zhǎng)度不能超過20米。

（4）如有特殊要求，請(qǐng)?zhí)貏e注明。

七、 安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品功能和技術(shù)參數(shù)

八、 安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)安裝

弧光保護(hù)主控單元、探頭安裝圖如下。

參考文獻(xiàn)：

［1］魏安．基于站域保護(hù)的簡(jiǎn)易母線研究［J］．江蘇電機(jī)工程，2019(2):72－76+83．

［2］周怡．電弧光保護(hù)作為母線主保護(hù)在中低壓開關(guān)柜的應(yīng)用和討論［J］．供用電，2019(12):53－59+63．

［3］高承．電弧光保護(hù)系統(tǒng)及應(yīng)用分析[J]．山西電力，2020(6)：8—10

［4］玉志凱．電弧光保護(hù)系統(tǒng)在10kV母線保護(hù)中的應(yīng)用[J]．廣西電力，2020(5)：31—32