一种新型弧光保护装置

摘 要：随着工业用电和居民用电的需求不断加强，电网容量不断提升，中低压变电站的数量不断增加，而变电站内开关柜的继电保护越发重要。传统继电保护设备在面对弧光故障时，往往只能采取被动式保护，通过速度较慢的断路器断开故障回路来进行保护，保护效果非常有限，对电力设备和运维人员的人身安全造成严重威胁。本文在分析如何有效提高弧光故障保护速度的基础上，设计了一种新型弧光保护系统，技术成熟度较高，易于安装，可同时满足旧变电站弧光保护适应性改造和新变电站联网运行，能够大大增强中低压开关柜的可靠性和安全性。

关键词：继电保护；快速灭弧器；电子检控装置；快速接地开关

0 引言

传统的弧光保护装置，即使检测到了弧光故障，也无法快速消除，原因在于其采取的是“故障检测”―“断路器跳闸”的工作方式，而主流的断路器，跳闸动作时间约为80ms，而弧光故障往往在弧光产生后10ms就会对电力设施设备造成实质性破坏，并随时间呈几何级数增长，因此无法形成有效保护。随着电网不断扩容并朝着智能化方向发展，配电系统越来越复杂，产生弧光故障的几率越来越大，迫切需要一款能够充分发挥保护功能，降低、甚至完全消除弧光故障对人员、设备带来实质性破坏的新型弧光保护装置。

1 新型弧光保护装置

1.1 概述

快速灭弧器是一种新型中低压弧光保护装置，主要包括电子检控装置DTU和快速接地开关PSE。DTU通过电弧光传感器、电流互感器来实时监测保护区域的弧光信号和保护线路上的电流信号，出现故障时判断迅速且可靠，同时向PSE发出动作信号。PSE包含三组高压接地开关，开关的一端分别接入输电线路的A、B、C三相线路上，另一端接大地，在接收到DTU的保护动作信号后，立即闭合。由于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，最后通过断路器来切除相应故障回路。快速灭弧器的保护时间不超过5ms，能快速有效的消除电弧光故障，是目前继电保护设备中消除电弧故障的最佳解决方案。

1.2 电子检控装置DTU

DTU作为快速灭弧器弧光故障检测的核心部件，其主要功能通过安装在保护区域各个位置的弧光探头和连接在母线上的电流互感器，对所保护区域的弧光信号和电流信号进行实时检测，当信号阈值超过故障门限时，输出点火信号，驱动快速接地开关PSE闭合，同时向上一级发出断路器跳闸指示信号；DTU同时需要进行事件记录和录波、显示并反馈用户需要了解的关键信息，并将各类信息通过联网传输至上一级系统。

按硬件功能，DTU分为两大部分，分别是保护模块和记录模块，其中保护模块由电源、弧光检测、弧光拓展、电流检测、综合决策、点火驱动、外部反馈7个部分构成，记录模块则由数据采集、显控中心、MMI（人机交互）3个部分组成，两者在硬件和功能上均相互独立，保护模块能够在2ms内可靠的实现故障信号采集、决策和点火驱动输出，而记录模块则通过控制CPU、数据采集端口和通讯端口，实现DTU工作参数预置、自检，以及参数和状态信息的记录、显示、回放和上传，并实现与智能电网的数据交换。

1.3 快速接地开关PSE

PSE是一种燃气推进式的开关装置，作为快速灭弧器的执行机构，其主要功能是在启动弧光故障保护时，将故障母线回路接地，具有关合35千伏压差的能力，并能在一定时间内承载高达数万安培的短路电流。PSE的O计充分借鉴了有着几十年运行经验的真空灭弧室，内部通过保持较高的真空度，外部则采用高绝缘度陶瓷来提升开关的绝缘能力，确保高压状态下不击穿，而内部开关触头则采用低阻抗的高温耐受材料，短路保护时，能承载一定时间较高的温度而不发生明显变形和气化。PSE采用燃气推进活塞、使两端触头闭合的运动方式，能确保在极短的时间内（小于3ms）完成闭合动作，这也是快速灭弧器PSE与其他类型开关，如断路器等的最大不同之处，也是确保整个保护系统能实现有效保护的关键。

2 设备安装及应用

随着继电保护设备向就地化、小型化、即插即用为特征的方向发展，对各种类型的保护设备也提出了适应性要求，尤其是目前大量仍然在服役、不具备弧光防护等级的开关柜而言，快速灭弧系统可以在不改变现行柜体结构、布局的前提下实现有效配装。其中弧光探头覆盖主要保护区域，包括断路器室、电缆室等易发生弧光故障的部位。PSE通过铜排或电缆连接至系统母线或电缆连接端，尽可能的靠近保护范围的电源侧。而DTU可以安装在系统开关柜低压室内的标准机柜中，也可单独安装在低压室内或高压室的墙上。

3 保护效果

由于目前快速灭弧器这一新兴弧光保护装置还没有正式投入使用，为验证其保护效果，在国家认证的XIHARI实验室进行了系统保护模拟测试，试验流程为：装置设定为弧光/电流双判据模式，通过继电测试装置施加异变电流信号，弧光标定仪施加模拟弧光信号，PSE母线接线端接入10kV的电压，当外部输入满足DTU的故障判断门限时，PSE有效关合，此过程中监测外部输入信号电平和PSE两端的电平，最终的测试结果为1.54ms，满足系统要求的10ms保护时间要求。

4 结论

快速灭弧器保护系统在电流、弧光双判据的基础上，还可以扩展红外、声信号、温度等多种检测手段，可进一步增加系统的可靠性。通过PSE短路消弧、断路器断流的保护模式，不仅能对设备进行有效保护，相对旧变电站进行弧光保护适应性改造也非常简单，即插即用，能够大大增强中低压开关柜的可靠性和安全性，并可挂网运行，与其他系统进行联网通讯，是未来智能电网继电保护设备的重要组成部分。

参考文献

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[3] 吴振跃.肖登明.新型弧光保护装置设计[J].电气技术，2014（5）.