浅谈弧光故障保护装置在中、低压开关柜上的研究与应用
时间：2022-05-22 12:24:20
【摘要】介绍一种对35kV以下中、低压开关柜短路电弧检测及其保护装置。本装置主要配合快速灭弧开关一起使用，能够在最短的时间内熄灭电弧，起到对中、低压开关柜的保护。
【关键词】弧光保护；开关柜；快速灭弧
引言
在电力系统众多的电器设备中，开关柜是应用最多的，同时也是事故频发的设备。开关柜内部的燃弧短路故障是配电系统中危害非常严重的故障，通常由于没有及时清除短路故障，从而造成了极其严重的危害，比如造成发电厂的用电瓦解、重要用户停电，更严重的还会导致多组开关同时烧坏的事故等。近年来由于母线故障，巨大的短路电流冲击造成主变损坏也常见诸报端，这些事故均造成重大的经济财产损失，有的甚至造成重大人身伤亡事故。
1、短路燃弧故障的概述
随着近年来电力系统规模的日益扩大，使得短路容量和短路电流也随着增大，短路故障发生后，电流会在短时间内急剧增大，短路电流会比额定电流大很多倍，甚至可达到惊人的数千万安。如此巨大的电流所伴随产生的热和力的作用下会使电气设备遭受到巨大的破坏。短路故障持续时间长短与电气设备遭受破坏程度的关系如图1所示。由图1曲线可知，短路燃弧故障时间越短造成的破坏越少。
2、弧光保护装置的工作原理
福州天宇电气股份有限公司研发的弧光故障保护装置，主要由主控单元、三相电流检测单元和弧光检测单元组成。其工作原理是，在每台开关柜安装三相弧光监测探头，在进线柜上安装三相电流检测单元。当出现弧光信号时，弧光监测探头将弧光信号经过放大处理，通过光纤将信号传输给主控单元，同时电流检测单元实时检测主母线电流斜率以判断是否有短路电流产生。当电流检测单元检测到短路电流时，发送信号到主控单元。主控单元经过信号处理判断，在同时满足收到短路电流信号和弧光信号时，主控单元向快速灭弧开关和开关柜主控开关发出动作信号。快速灭弧开关会在收到动作信号后的3ms以内将主母线三相回路短接并接地，然后主控开关在正常时间内跳闸（跳闸时间在50ms左右），有效保护运行检修人员及开关设备系统。整体弧光保护动作时间≤5ms。
由于开关柜内有强烈的电磁干扰，所以本装置采用信号滤波放大处理并用光纤进行信号传输，有效地避免了各种干扰。由于大多数配电站里面开关柜的数量都大于5台，每个开关柜有三个高压室需要弧光检测，而弧光故障保护装置和快速灭弧开关成本较高，为了降低成本，弧光故障保护装置被设计安装在进线开关柜上面，快速灭弧开关安装在主母线上面，其他开关柜通过扩展出来的弧光检测单元进行检测，而电流检测单元只检测主母线的电流。这样，制造成本将会有很大程度的下降。
3、国内外对弧光保护系统的研究与应用
国外针对于燃弧故障的研究开始于上世纪90年代，目前常用的保护系统主要有：（1）芬兰UTU集团推出的FALCON弧光保护系统。它具有10路弧光保护检测单元及3路电流检测单元，可连接24个扩展单元，具有4路电子继电器、6路机械继电器，并可实现通信；（2）ABB公司推出的REA101、103、105、107系列的弧光保护系统，它具有单独的弧光检测与弧光检测配合过流检测两种保护方案可选择，ERA101为主单元，也可组合其他保护单元扩展运用，采用高速固态出口继电器，动作时间小于2.5ms；（3）芬兰的VAASA公司推出的VAMP系列的弧光保护系统，其中主控单元可连接10个弧光检测单元，3路电流信号输入，4路机械继电器，2路报警输出等。弧光检测单元包括10路弧光检测电路，1路温度信号检测，1路便携弧光线路。总的反应时间为5～7ms。
国内弧光检测的研究起步较晚，但也有部分产品推出，目前国内主要弧光检测系统产品主要有：（1）南京弘毅电气自动化公司推出的DPR360ARC弧光保护系统，系统主要包括主控单元、电流检测单元、弧光扩展器、弧光检测单元。采用过流检测与弧光检测双重判据，保护时间小于4ms。（2）保定瑞高公司推出的RG-ALP只能对电弧光保护的系统，动作时间小于7ms。（3）福州天宇电气股份有限公司自主研发的弧光故障保护装置，主要由主控单元、三相电流检测单元和弧光检测单元组成，弧光检测单元是可扩展单元，最多可以检测24路弧光，经过弧光和和过流双重判据，配合其公司自主研发的AAF-300快速灭弧开关同时使用，整体保护时间≤5ms。
4、弧光故障保护装置配合快速灭弧开关对中、低压开关柜的保护
以福州天宇电气股份有限公司研发的弧光故障保护装置和AAF-300快速灭弧开关为例，说明弧光故障保护装置在中、低压开关柜中的应用。在中、低压开关柜中发生弧光短路故障时，弧光故障保护装置在2ms内能可靠的检测到故障弧光及故障电流信号并发出指令，快速灭弧开关本体收到动作指令后在3ms内动作，熄灭电弧（电弧故障出现后5ms内熄灭电弧）。
通过快速灭弧开关，能实现电弧故障的主动快速防护，是目前开关设备内部电弧故障的最佳解决方案。快速灭弧开关在开关柜系统发生电弧故障时，立即将本开关柜的三相回路短接并接地，有效保护运行检修人员及开关设备系统。
弧光故障保护装置通过持续监测保护范围内的系统电流和弧光信号，迅速可靠的判断是否有电弧故障发生。如果装置判断电弧故障已经发生，弧光故障保护装置将立即触发快速灭弧开关本体，实现系统三相金属性短接接地。
三相金属性接地短路阻抗远远低于电弧故障点的弧阻，大部分故障电流将流向快速灭弧开关本体形成的短路点，故障点的弧压急剧降低，电弧无法持续而立即熄灭。最后，通过上级断路器开断来切除快速灭弧开关处的短路故障电流。
参考文献
[1]徐东晟，邱志人.快速灭弧开关在中压开关柜上的应用.科技与企业，2012.
