电弧光保护系统在中低压母线保护中的应用

1、电弧光保护系统在中低压母线保护中的应用田广青广州市煜南电气设备有限公司概述在电力系统中，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

2、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。开关柜内部燃弧耐受时间及变压器动稳定时

3、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。电弧燃烧时间设备损坏程度35 ids没有显著的损坏，一般可以在检验绝缘电阻后投入使用。100ms设备损坏较小，在开关柜再次投入运行以前仅需要进行清

4、洁或可能的某些小的修理。500ms设备损坏很严重，现场工作人员可能受到严重伤害，必须 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。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。电弧雕-pLj蛔材嫩曲果用蜘北衲间削）Ills电蛾烧时间100200400住图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

5、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。开关柜弧光短路故障的防

6、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。开关柜提供的燃弧耐受时间开关柜增加的成本费用200毫秒10%1秒100%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

7、 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。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

8、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6-35k

9、V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。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

10、、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

11、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弧光传感器弧光传感器安装在开

12、关柜各间隔室中，可实现对由简单到各种复杂接线中、低压开关 柜提供有选择性的保护。弧光传感器作为光感应元件，将检测在发生弧光故障时突然增加 的光强，并将光信号转换成电流信号传送给辅助单元。5.1.4便携式弧光传感器其功能和性能与前述弧光传感器相同，差别只是它可以在连接电缆允许的范围内随意 移动。它可以临时连接到辅助单元上，通过安置在离工作地点较近的地方（比如挂在胸前 口袋上）用于增强运行操作人员在带电维修开关时的安全性。5.1.5温度传感器温度传感器可用于监视开关柜内部的关键部件（比如母线接头）的温度，在超过其整 定值时主单元可发出报警信号。VAMP专用电弧光保护系统提供的动作时间为5-7ms，

13、远快于传统母线保护方案。对开 关柜各单元室的总故障清除时间可控制在100ms以内。因此在发生弧光故障柜内压力和温 度急剧增加以前就可以切除供给的短路电流，使损失减到最小。开关柜在排除电弧故障原 因后，进行有限清理工作后，开关柜可继续进行工作，供电可迅速恢复。5.2应用情况VAMP220作为一种原理简单、动作快速可靠、保护覆盖范围广、安装维护方便的电弧 光保护系统，目前已有超过1000套VAMP电弧光保护系统在包括中国在内的二十个多个国 家的400V - 20kV中低压开关柜中投入运行，最大规模的系统达到20个主单元，用户遍 及发电厂、变电站以及工业商业用户等领域。南非是应用VAMP电弧光保护系

14、统应用最多的国家之一。据不完全统计，到2002年7 月已有140多套电弧光保护系统投入运行，最大的系统安装有12个主单元。1999年以前， 南非Eskom配电网对铠装开关柜并没有指定内部电弧额定时间这一指标，一般按照IEC298 标准采用厂家提供的100ms的额定燃弧时间指标。此后，Eskom对开关柜的技术规范，特 别是对内部电弧额定时间以及当时采用的母线保护方案进行深入研究，确定采用200ms 内部燃弧额定时间的开关柜，同时保证所采用的母线保护应能在这一指定的时间内检测和 清除各种弧光短路故障并留有足够的裕度。为此，决定采用VAMP电弧光保护作为中压母 线保护，并开始在一些变电站安装了电弧光

15、保护系统。Eskom配电网在2000年曾发生了三次开关柜弧光短路事故。North变电站的11kV开 关柜断路器由于连续过负荷和下游穿越性故障引起弧光短路，该变电站没有装设弧光保护 系统，断路器和整个11kV母线室遭受了广泛严重的损坏。该故障引起50%的线路无计划 退出运行24个小时，由邻近的变电站供给其余负荷。Ascot North 66/11kV变电站的17个11kV开关柜装有VAMP母线保护装置。在电缆 箱的电缆终端处的故障首先引发了一个单相接地故障，并发展为二相接地故障。从安装在 66kV进线上的故障录波装置记录的故障波形看出，当时变电站的故障水平为12, 000A， 由于安装了电弧光保

16、护作为主保护，总的故障清除时间为85ms。从电弧光保护系统的主 单元提供的定位信息表示故障位于在电缆箱部分。由于电弧光保护快速切除故障，损坏仅 限制在电缆箱中，开关从外观上没有明显的损坏。通过对电缆终端进行简单的维修，该条 馈线在很短的时间内就恢复了供电。Rietvlei 66/11kV变电站安装有21个11kV开关柜，采用VAMP母线保护系统。在 邻近地区的挖掘工程中曾撕开了一条三相电缆，导致了 16, 000A的三相电缆故障。该故 障开始由馈线保护装置清除，当断路器开断故障失败时，电弧光保护动作。传感器定址功 能显示故障位置位于断路器手车室中。通过对运行的系统进行评估，Eskom决定对新上开关柜均配置电弧光保护，现有的开关柜 按照其性能指标、运行环境条件等因素逐渐配置电弧光保护系统。结语现代电力系统的发展，配电网容量的逐渐增大，中低压母线故障对电力系统安全运行 的影响越来越严重。它不仅使中压开关设备严重烧毁，造成“火烧连营”事故；而且可能 损坏昂贵的变压器，造成十分严重的经济损失。此外，这些事故如果处理