0前言

目前，电力系统中除了220kV及以上电压等级变电站的低压侧母线按要求装设母线保护外,110kV及以下电压等级变电站的35kV及以下电压等级的母线并没有装设母线保护。由于各种原因,中低压母线的故障几率相当高,但是长期以来,一旦母线上有故障,只能由带有较长延时的后备保护来切除中低压母线故障,无法快速切除母线故障。所以经常出现因为中低压母线故障持续时间过长而导致故障扩大,开关柜内的母排及其他设备烧毁,甚至发生爆炸的情况,危及临近设备及人员的。统计数据显示,主变外部断路器故障产生的电动力易使主变绕组变形而损坏,造成巨大的经济损失并严重威胁电力系统的稳定运行。为保护变压器及母线设备的稳定运行,降低母线故障时设备的受损程度,电力系统迫切需要一个经济、可靠的中低压母线保护解决方案。而在众多的备选方案中,电弧光保护系统是一个理想的解决方案。

1电弧光保护工作原理

母线设备发生故障时将出现大电流并产生高达数万勒克斯的弧光,电弧光保护根据故障时产生的弧光及大电流来实现保护功能。电弧光保护通过弧光探头或者弧光传感器来检测弧光,同时通过一个过流元件来检测电流,当检测到弧光信号且过流元件动作时,保护动作并发出跳闸命令切除其所保护母线的电源进线和该母线上的母联断路器,隔离故障点,同时发出保护动作信号并对故障点进行定位,原理见图1。

2电弧光保护系统的构成

电弧光保护系统由单元、扩展单元、弧光传感器和弧光探头通过光纤或网线相互连接构成,电弧光保护系统结构见图2。一套电弧光保护系统保护一段母线,每套电弧光保护系统由一个单元、若干个扩展单元和若干个弧光探头组成。两段母线的电弧光保护系统之间通过光纤相互连接各自的单元进行通讯,相互传递光信号、过流信号及跳闸信号。单元与扩展单元之间通过网线连接,单元通过网线向扩展单元提供工作电源并接受来自于扩展单元的信号。扩展单元通过光纤与安装在各个断路器间隔内的弧光探头连接。同一段母线上的多个扩展单元之间通过网线链接，由此实现通讯并获取工作电源。

2．1单元

单元是电弧光保护系统的核心元件,主要实现保护及通讯功能,其主要由电流监视元件和光信号检测元件组成。电流监视元件可选择使用三相过流判据或两相过流判据和零序过流判据来实现过流保护,当电流大于过流定值时过流元件瞬时动作。光信号检测元件检测扩展单元上传的弧光动作信号,收到该信号就判定为出现弧光。

2．2扩展单元

扩展单元主要用于增加弧光探头的接口数量,其内部的光检测元件对弧光探头捕获的光经放大后与预选参考电平比较,如果光电平超过预设参考电平时,就判定为出现弧光,然后向单元发出弧光动作信号。扩展单元通过光纤与弧光探头连接,确保弧光信号在传输过程中弧光强度的衰耗。

3应用实例

在某110kV变电站10kV两段母线各装设一套电弧光保护系统,两段10kV母线通过母联断路器连接,10kV电气主接线及安装的两套电弧光保护系统结构见图3。

3．1保护判据的采集

为实现电弧光保护系统的功能,过流元件采集主变10kV侧电流,且采用的电流绕组与主变10kV侧后备保护所用电流绕组为同组;弧光信号由扩展单元向单元提供,扩展单元通过光纤采集安装于空气绝缘铠装开关柜的每个断路器间隔母线室内的弧光探头传来的弧光信号。

3．2电弧光保护系统定值设置

1)对保护动作条件进行整定,保护动作条件可选择只要光信号而不需要过流信号或者同时需要光信号和过流信号。因电弧光保护系统动作将使一段母线失电,为防止保护误动,保护动作条件设置为同时需要光信号和过流信号。

2)选择光参考电平,选择光补偿方式,按厂家建议设置为自动背景光补偿。

3)对过流定值进行整定,过流可选择过电流为相电流或零序电流。考虑到对各种故障的适应性,选择相电流且过流定值参照主变后备保护过流Ⅰ段定值进行整定。

4)对光纤通道进行整定,设定每个光纤接口的工作方式(输入或输出)及接收或者发送信号的种类(光信号、过流信号跳闸信号)。图3为例,为确保一台主变退出运行,由另一台主变通过母联向两段母线供电时,两个单元中有一个检测到过流,保护也能正确动作,应将信号种类设定为过流信号。

3．3电弧光保护系统动作逻辑

1）在检测到弧光信号且过流条件满足时,保护动作并经两个高速跳闸出口跳相应母线进线断路器及该母线的母联断路器。

2)电弧光保护动作应闭锁10kV备用电源自投装置,防止在两段母线各自独立运行时,10kV母线发生故障,电弧光保护动作切除主变10kV侧断路器后,10kV备自投装置动作将10kV母联合闸于10kV故障母线。(要求电弧光保护系统至少提供2个高速跳闸出口用于跳运行断路器,及两副常规继电器接点用于发信及闭锁备自投。)

3．4电弧光保护系统的调试

根据现场对该保护的设计要求,在安装调试过程中进行如下调试项目:

1)用强光源照射每个断路器柜的弧光探头,

检查弧光传感器动作情况,记下各个间隔的弧光探头所对应的信号灯编号,用断路器编号标识对应的信号灯,便于日后进行故障定位。

2)检验动作逻辑是否符合要求,一种是要光信号而不需要过流信号,另一种是在同时需要光信号和过流信,两种动作条件下的保护。

3)检验过流元件的动作值、返回值、返回系数是否符合规程要求。

4)核对上传的信号是否正确。

5)带断路器做传动试验,保护动作逻辑正确,断路器动作行为正确,正确动作率100,同时正确闭锁10kV备自投,保护动作时间不大于3ms。由此可知,电弧光保护在动作时间上比其他中低压母线保护有巨大的优越性,见表1。设备损坏见表2。

4安科瑞ARB5-M弧光保护产品选型说明

ARB5-弧光主控单元

（1）＊表示可选附件，需要另外增加费用1500元。

（2）主控板和采集板数量之和不能大于4。

（3）弧光探头到采集板的长度不能超过20米。

（4）如有特殊要求，请特别注明。

5安科瑞ARB5-M弧光保护产品功能和技术参数

6安科瑞ARB5-M弧光保护产品现场安装

弧光保护主控单元、探头安装图如下。

7结束语

综上所述,将母线短路故障时间控制在100ms甚至更短的时间以内,可在很大程度上降低故障对母线设备及主变的损害程度见表2,同时降低设备受损程度还可以减少开关柜停电检修的时间,针对中低压开关柜故障特性开发,原理简单,动作迅速可靠,对现有设备无特殊要求的电弧光保护系统是一种实现这个目标的较为理想的保护解决方案。