10KV中压开关设备弧光保护系统方案

一、典型的弧光事故案例

中压开关柜发生内部电弧故障释放的能量很大，其总能量取决于短路电流大小、故障电弧燃烧的时间、同时燃烧的电弧的数量等因素。下面列举几个真实的弧光故障案例。

2003年至2011年，海勃湾发电厂 6kV 厂用系统开关柜发生了 5 次不同程度的烧毁事故。事故起因是6kV馈线或母线发生单相接地故障，由于接地点容性电流较大，接地点电弧不能完全熄灭，电弧反复重燃，由于电弧电阻的原因，短路电流往往达不到过流速断整定值而不能动作快速切断故障，又由于其它设备绝缘水平低，故障迅速发展为相间短路，电弧持续燃烧释放出巨大的能量，从而造成灾难性的后果，导致开关柜被严重烧毁。

20l2年7月，浙江某ll0kV变电所，10kV馈线柜断路器上触臂短路，导致相间弧光短路，断路器上触臂、开关柜金属活门熔化，本柜烧毁报废，相邻开关柜损坏，该段母线停电。

2013年2月，浙江某l10kV 变电所，l0kV柜间母线桥架内，位于开关柜柜顶处的穿墙套管处绝缘击穿，母线相对地电弧短路故障，导致桥架内C相母排熔化，桥架及母排损坏，桥架拆除维修，该段母线停电等等。

从以上几个案例可以看出，近年来由于母线孤光故障导致的电气事故屡屡发生，其不仅会造成对现场人员的伤害以及开关设备的损毁，更严重的将导致多组开关柜同时烧毁的“火烧连营”事故。造成重大的经济损失甚至社会问题。

二、 电弧光产生的原因

电弧光产生的主要有如下几种：

（1）绝缘故障：主要是柜中绝缘材料爬距不足，未满足加强绝缘要求，在脏污环境，天气潮湿下发生绝缘故障。另外由于绝缘材料材质缺陷，运行年限较长的开关柜，在强电磁场作用下绝缘老化，也可能造成绝缘损坏而导致故障。这种危害最难避免，尤其是户外配电室产生的可能性和概率更高。

（2）载流回路不良：由于一些接头截面不够，紧固螺栓松动，手车柜触头接触不良，在大电流流过时引起发热、冒火从而引起相间，相对地击穿等等。

（3）外来物体的进入：如小动物（老鼠等）进入开关柜内部，或维修人员在工作完成后将工具遗留在开关柜内。

（4）人为操作错误：如走错间隔、误操作、未对工作区域进行接地、未对工作区域进行验电等。

（5）系统方面的原因：如系统容量增大、接地方式改变、电缆应用增多、保护及自控装置配置不当、系统谐振过电压等。

三、电弧光所带来的影响

开关柜弧光短路故障产生的危害主要表现在对现场工作人员的伤害和开关设备及邻近配电设备的损害方面。

(1)对人的危害

A:弧光的光强约9000LUX,而人眼感受到的光强约300LUX,很容易使人的眼睛刺伤,使角膜上皮脱落,出现怕光、流泪、异物感、结膜充血等症状;

B:电弧爆炸造成的烧伤是最严重的伤害,主要来自于电爆时散发出大量的热能辐射和飞溅的熔化金属;再者就是衣物被点燃后燃烧和熔滴而造成的严重烧伤;

C:电弧周围的空气在弧光强烈辐射作用下,还会产生臭氧、氮氧化物等有毒气体伤害呼吸系统。

(2)对设备的影响

弧光短路是配电网系统中发生在中、低压开关柜内部最严重的故障。由于电弧电阻的原因，短路电流往往达不到过流速断整定值而不能动作快速切断故障。电弧持续燃烧会释放出巨大的能量，从而造成开关柜被严重烧毁。开关柜的弧光短路故障,往往由于没有得到及时清除,发展为中压母线故障。其危害是非常严重的，如造成发电厂厂用电瓦解、重要用户停电，更严重的将导致多组开关柜同时烧毁的“火烧连营”事故。而近年来由于母线故障巨大的短路电流冲击造成主变压器损坏也不少见，这些事故均造成重大的经济损失。

四、 弧光保护解决的问题

4.1 弧光保护分类

我公司生产的BS-MU系列弧光保护方案作为开关柜电弧故障防护重要手段。目前主要应用在对中高压压开关柜内母线监测保护、电缆触头的监测保护、断路器触点的监测保护、其他重要电器元件的监测保护。

目前智能电弧光保护主要分为如下几类：

A:母线弧光保护

近年来，因各种原因引起母线故障，导致开关设备严重烧毁，并造成“火烧连营”事故的案例时有发生；主变压器因遭受外部短路电流冲击损坏的事故也逐年增加。为满足继电保护快速性的要求，在中高压开关柜柜内需配置电弧光保护装置。目前各电网公司在110 kV 及以下配电柜中正逐步应用弧光保护系统。

B:馈线弧光保护

馈线开关柜下部的电缆连接头等部位是绝缘的薄弱环节，此处如发生单相对地击穿，鉴于短路电流太小，一般不易启动过流保护；而单相对地击穿很容易发展为两相或三相对地短路，即便此时过流保护动作，设备已经遭到了比较严重的损坏。弧光保护装置系统以检测到电弧光为保护判据，在单相对地燃弧时就对馈线开关发跳闸指令，及早跳闸使故障损失减少到最低，后期一般只需简单的恢复绝缘就能将设备重新投入运行，从而大大减少了停电时间和维修成本。

4.2弧光保护组成

弧光保护由以下主要部件组成：

(1)弧光主控单元（CPU）：主控单元为电弧光保护装置的控制中心，它收集来自弧光检测辅助单元及过流检测辅助单元的采样信号，并对收集的数据进行处理、判断，发出跳闸信号以切除故障。在配置有弧光检测辅助单元和过流检测辅助单元的情况下，电弧光保护系统只有在同时检测到弧光和过流时才发出跳闸指令。

(2)弧光检测单元（DI）：弧光检测辅助单元采集来自弧光探头的光感信号，并将弧光传感器的光感信号传送给弧光主控单元。

(3)采样检测单元（AC）：采样检测单元可以实时监测母线电压、进线电流和零序电流。在电弧光保护装置中，采用过流检测单元有二方面的作用：其一是作为弧光保护的闭锁元件进一步提高保护系统的可靠性；其二是与弧光检测辅助单元配合提高有选择性的跳闸信号。

(4)弧光传感器(ARC)：弧光传感器安装在开关柜各间隔室中，可实现对各种接线中、低开关柜提高有选择性的保护。弧光探头通过光纤可将光感信号直接传送给弧光检测单元，因此，具有动作速度快、不受开关柜内部强电磁场干扰的特点。

(5)开关量输入输出单元(DI&DO)：开关量输入输出单元，可以实时检测断路器的实时位置，发出控制信号来控制对应的断路器分合闸和保护动作信号以及告警信号。

弧光保护装置应具备数字化厂站需要，适应智能电网未来发展趋势。作为单一母线段弧光综合保护装置，装置可通过弧光传感器接收光信号。当开关柜内任一区域出现弧光，弧光保护系统可根据产生弧光危害的区域进行判定。

在进线柜、馈线柜、母联柜等具有断路器的开关柜内，需要分布在母线室、断路器室和电缆室安装弧光传感器。在PT柜、计量柜及隔离柜等开关柜内，需要在母线室安装弧光传感器。当弧光事故出现在母线室，弧光保护可通过母线室弧光传感器和进线保护电流进行双判定，条件满足跳开相应进线柜开关。同时装置可通过母线室弧光传感器和母联柜保护电流进行双判定，条件满足跳开母联柜开关。当馈线柜内的断路器室和电缆室出现弧光事故，弧光保护直接跳开相应馈线柜。

4.3 母线弧光保护特点

装置可接入4组保护采样电流信号作为电流判据，能够同时保护4面开关柜。所用传感器应为独立电流互感器，尽量避免与其他保护装置共用。

装置具备失电预警、告警信号和动作信号独立信号出口。装置应有具备6路快速继电器跳闸出口，2个灭弧元件合闸出口，1个闭锁备自投出口。跳闸出口可自由关联所有弧光信号点以及保护电流。

装置可接入48路弧光传感器。传感器选用无源光纤型弧光传感器，具备ST标准接口方便接线。光电转换在装置内部完成。不采用扩展单元，以保证跳闸速度和装置的一致性。

装置具备电流弧光双判据跳闸，纯弧光跳闸和纯弧光告警功能，软件设置当适应复杂的运行方式，并方便扩容。保护纯弧光动作时间不大于7ms，双判据动作时间不大于15ms。

装置具备16路开入信号量。考虑到传输距离，须使用有源开入量。支持外接DC220V或DC110V电源输入。开入具备闭锁弧光节点，可外接闭锁信号闭锁弧光保护功能。

装置可支持2路485通讯（Modbus通讯规约）。具备GPS对时对时接口。装置具备3路以太网通讯接口，支持IEC60870-5-103通讯规约。

装置的整定值及内部逻辑可就地编程设定，可设置多组定值组，适应不同运行方式需要。

装置应具有故障录波功能。数据在装置掉电后不会丢失，并能查询其事故报告。

弧光传感器应使用方便安装的无源光纤型弧光传感器。用户可根据现场实际铺设需求选择对应的传感器。传感器线缆建议使用专用的ST光纤接口式光纤进行接线。光纤长度不得超过30米，且避免折弯。传感器建议选用紫外光弧光传感器，有效避免可见光干扰。传感器监测角度须大于180°，且角度衰减小于80%。光谱响应带宽：280nm~400nm。光阈值范围：1-10mw/cm²。

4.4安装示意图