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安科瑞 陳聰
摘要:近年來,中低壓開關(guān)柜的使用越來越普遍。在此過程中,確保開關(guān)柜平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。并在此基礎(chǔ)上,闡述了由此產(chǎn)生的弧光和電弧事故的危險性,引入弧光保護(hù)及母線保護(hù)的特點(diǎn)必要性分析,闡述了弧光保護(hù)系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)。工程實例證明,弧光保護(hù)在中弧光中低壓開關(guān)柜占重要地位。
關(guān)鍵詞:弧光保護(hù);開關(guān)柜;過流保護(hù);光傳感器
0引言
低壓和中壓開關(guān)柜是一種配電基礎(chǔ)設(shè)施,每年消耗大量電力。中低壓開關(guān)柜中弧光放電是非常嚴(yán)重的事故。由于電弧電阻過高,故障電流無法達(dá)到固定保護(hù)值,無法快速關(guān)閉電源。在某些情況下,延遲可能導(dǎo)致無法快速切斷故障,弧光故障電流即使達(dá)到保護(hù)起始值也是如此?;」夥烹姴粌H會導(dǎo)致斷電,而且還會對許多設(shè)備造成不可逆的傷害和人身傷害,可能導(dǎo)致無法估量的損壞。
電弧的產(chǎn)生機(jī)理
中低壓開關(guān)柜是電力和配電的重要基礎(chǔ)設(shè)施。近年來,他們的使用逐漸增加。這對于確保中低壓開關(guān)柜的可靠性和安全運(yùn)行以及減少電氣事故的損壞至關(guān)重要。對于許多類型的弧光放電來說,電氣事故是中低壓開關(guān)柜的嚴(yán)重事故。如果使用了電弧電阻,則不需要調(diào)整限制電流來設(shè)置保護(hù)值,這是無法停切斷故障。在某些情況下,即使弧光法的電流與保護(hù)的初始值相符,延遲也會妨礙及時消除干擾,因此可能會弧光放電問題,在這種情況下,不僅會導(dǎo)致停電,而且還會對設(shè)備和員工造成嚴(yán)重影響,這可能會對企業(yè)造成嚴(yán)重影響。由于放電過程中兩點(diǎn)之間的電壓大于介質(zhì)的電阻電壓,因此只要有足夠的能量補(bǔ)償熱量損失和溫度合適,電弧就會保持不變。例如,10kvV系統(tǒng)的弧光放電過程如圖1所示。當(dāng)導(dǎo)體之間的絕緣不足時,產(chǎn)生弧光是分子和原子在特定環(huán)境中游離的過程。附近的正負(fù)電子加速運(yùn)動,并與其他空氣分子和原子碰撞,同時產(chǎn)生電弧光和高熱量。
圖1 10kV弧光放電的物理機(jī)理圖
電弧事故危害
弧光可高達(dá)4500℃溫度,內(nèi)部可高達(dá)10000-20000℃。空氣弧光功率為40mW,弧的強(qiáng)照明強(qiáng)度2000多倍以上。因此,不及時對電弧產(chǎn)生采取措施可能會造成損害。
1.人身危險。電弧造成的傷害主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1.熔化金屬粒子進(jìn)入人體皮膚,導(dǎo)致皮膚金屬化;2.弧光強(qiáng)度高可能導(dǎo)致眼睛損傷和角膜脫落。;3.高溫下粉塵和有毒氣體可能會損害身體的呼吸道;4.當(dāng)弧光電流人體有一定影響時,肌肉意外收縮,損害皮膚、血管和神經(jīng)。
2.設(shè)備的危險。產(chǎn)生電弧時會產(chǎn)生大量高溫條件氣體,且變形或破碎開關(guān)柜。此外,燃燒振動波會導(dǎo)致其劇烈振動,緊固件松動或脫落。此外,在高溫下可能會出現(xiàn)電纜燃燒等問題,在較大的情況下,開關(guān)柜外殼中的金屬可能會熔化,從而導(dǎo)致火災(zāi)事故。
3設(shè)置弧光保護(hù)的必要性
我國開關(guān)柜有幾種母線保護(hù)方法。
1.變壓器過流保護(hù)::低成本,保護(hù)開關(guān)IEC 298不能滿足100 ms的低壓1-2sS時,母線故障切除。
2.饋線過流保護(hù)閉鎖::使用高性能工程微米芯片進(jìn)行分析、數(shù)據(jù)采集和命令執(zhí)行,運(yùn)行速度為300-400ms,不符合IEC298中低壓電母線源100ms故障的要求。
3.母差保護(hù)::典型動作為35.60ms時間,一般故障響應(yīng)時間隨100ms和基本快速性要求而變化,但也存在一些問題,如保護(hù)能力較小,復(fù)雜接線,較高要求電流互感器,無法提供關(guān)鍵故障點(diǎn)。母線的保護(hù)要求未得到滿足,實際上電流互感器飽和會造成保護(hù)干擾,不符合裝置范圍的要求,限制了保護(hù)的應(yīng)用。開關(guān)柜發(fā)生弧光故障瞬間時,弧形保護(hù)系統(tǒng)可以快速檢測并輸出跳閘信號。瞬間脫扣((斷路器)),切斷電源,使電弧消失,并減少因弧光故障而造成的損壞。電弧持續(xù)時間小于100ms,無論是弧光+電流雙判據(jù)。傳統(tǒng)電源保護(hù)的運(yùn)行時間超過100ms。為此,在開關(guān)柜母線保護(hù)中促進(jìn)弧光保護(hù)很重要。
4弧光保護(hù)原理及系統(tǒng)構(gòu)成
1.弧光保護(hù)原理。是由一個有缺陷的弓引起的弧光,但從弧光故障到弧光檢測,速度非???,不足1ms。電流保護(hù)為了提高可靠性,增加故障電流通常還應(yīng)考慮,發(fā)出跳閘命令。
2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如圖2所示,弧光系統(tǒng)主要由輔助單位組成,如主控單元、弧光檢測和連接I/oO?;」鈧鞲衅魑挥陂_關(guān)中的任何位置,根據(jù)實際物理位置進(jìn)行保護(hù)調(diào)節(jié),要查看主單元弧光的誤差位置,請執(zhí)行操作,從而縮短斷電時間,實現(xiàn)電流的快速恢復(fù)?;」鈧鞲衅骺梢杂靡环N或多種方式弧光傳感器沿開關(guān)設(shè)備的不同室分布。電弧傳感器覆蓋一個或多個室傳感器為單點(diǎn)或光纖線式。
圖2弧光保護(hù)系統(tǒng)示意圖
單個傳感器只能捕獲小區(qū)域中的光,有光電和光單點(diǎn)傳感器。傳感器光電單點(diǎn)于光電管中進(jìn)行光學(xué)轉(zhuǎn)換。使用這些傳感器時,應(yīng)考慮放置傳感器時的EMI和ESD問題。光單點(diǎn)傳感器根據(jù)透明材料捕獲光源,并使用光纖將其傳遞給光接收器。傳感器單點(diǎn)式也得激活脈搏。脈搏信號是發(fā)射機(jī)發(fā)送給光接收機(jī)的光脈沖信號。脈搏信號用于確定光學(xué)接收機(jī)是否工作正常,光纖傳感器通常由環(huán)形組成。捕獲光源并將其傳遞給接收器。光纖通道傳感器與單點(diǎn)式相比,在光纖線式傳感器較大區(qū)域采集光。此傳感器還具有脈搏功能。理想的光學(xué)傳感器具有較低的傳輸速度和較高的捕獲效率,通常采用POF或玻璃光纖。對于POF和PCS,外層是透明的或被移除的。由于光纖通道傳感器可以檢測單個設(shè)備或多個設(shè)備中的多個單元,因此可以通過減少光纖電纜長度的傳感器數(shù)量來降低系統(tǒng)保護(hù)成本。但是光纖產(chǎn)品的長度取決于接收機(jī)的靈敏度。由于單點(diǎn)傳感器的主要特點(diǎn),這兩種傳感器都有缺點(diǎn),并應(yīng)用于弧光檢測。“被遮擋風(fēng)險"表示光傳感器是否可能位于開關(guān)設(shè)備的“被遮擋風(fēng)險",從而存在傳感器能夠捕獲光的風(fēng)險。由于光纖通道傳感器的范圍很廣,傳感器沒有被被遮擋危險。單點(diǎn)傳感器用于弧光檢測,比光纖傳感器敏感得多。但是,光纖線式傳感器的靈敏度部分取決于光纖的物理特性。此外,光纖傳感器可以從單個或多個開關(guān)中的多個光纖識別,而不能實現(xiàn)到單點(diǎn)傳感器。
3.關(guān)鍵性能和特點(diǎn)。(1)電磁兼容符合國家繼電器質(zhì)量監(jiān)督(EMC)標(biāo)準(zhǔn)。(2)符合繼電保護(hù)建設(shè)準(zhǔn)則。(3)通過弧光和過流雙判可靠運(yùn)行。(4)無源弧光探頭直接連接到光纖端口,干擾能力強(qiáng)抗電磁。(5)基于實際電路的可編程性和可擴(kuò)展性。(6)可根據(jù)需要調(diào)整弧光感光度和過流值。(7)故障原因,準(zhǔn)確其位置。
5安科瑞 ARB5系列弧光保護(hù)的原理及系統(tǒng)組成
弧光保護(hù)裝置通過弧光+電流突變量雙重判據(jù)或弧光單判據(jù)啟動保護(hù),其動作時間為
弧光單判據(jù)動作時間≤7ms;
弧光+電流雙判據(jù)時間≤20ms。
ARB5系列弧光保護(hù)裝置由ARB5-M主控單元、ARB5-E擴(kuò)展單元、ARB5-S弧光探頭、弧光光纖以及尾纖等配件構(gòu)成。
型號 | 主要功能 | 技術(shù)參數(shù) |
ARB5-M弧光保護(hù)主控單元 | 8組弧光保護(hù) | 可選配4塊采集板,1塊采集板可采集5路探頭,共支持20路弧光探頭直接采集。 亦可選配4塊主控板(即可接入4臺ARB5-E擴(kuò)展單元)1塊主控板可接收6塊采集板的探頭,共支持120路弧光探頭采集。 |
4組失靈保護(hù) | ||
4組電流回路TA監(jiān)測 | ||
4組三相電流采集 | ||
11路可編程跳閘出口 | ||
非電量保護(hù) | ||
裝置故障告警 | ||
2路RS485 | ||
2路以太網(wǎng) | ||
1路打印接口 | ||
1路IRIG-B碼對時接口 | ||
支持IEC61850、modbusRTU、modbusTCP、IEC103 | ||
支持GOOSE輸入輸出(選配) | ||
ARB5-E弧光保護(hù)擴(kuò)展單元 | 弧光信號采集 | 可選配6塊采集板,1塊采集板可采集5路探頭,共支持30路弧光探頭直接采集。 |
模擬狀態(tài)傳輸 | ||
需要配合ARB5-M主控單元使用 | ||
ARB5-S弧光探頭 | 弧光信號監(jiān)測 | 點(diǎn)式弧光傳感器,可安裝于母線室、電纜室或斷路器室。 |
現(xiàn)場調(diào)試及工程服務(wù)費(fèi) | 視項目情況核價 |
6、弧光保護(hù)應(yīng)用案例
A化工廠110/10kV變電站10kvV I類具有與Ⅱ段相同的弧光保護(hù),I段母線L1、N線組發(fā)生接地故障,逐漸發(fā)展為L1和L2之間的短路。如果確定了弧光保護(hù)并且確定了故障電流,則I段母線10kV的線路斷路器將被切斷。當(dāng)故障得到糾正和驗證時,弧光保護(hù)裝置的決定和保護(hù)是正確的,其保護(hù)操作及時執(zhí)行,供電會盡快重新恢復(fù)。
弧光保護(hù)既簡單又及時,它對于防止停電和盡量減少傷害和設(shè)備損壞以確保電力設(shè)備安全可靠地運(yùn)行至關(guān)重要。為此,有關(guān)技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)研究,使他們能夠在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
參考文獻(xiàn):
[1] 雷晉,弧光保護(hù)在中低壓開關(guān)柜中的應(yīng)用
[2] 周怡.電弧光保護(hù)作為母線主保護(hù)在中低壓開關(guān)柜的應(yīng)用和討論[J]供用電,2019(12).
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2020.06版.
[4]安科瑞用戶變電站變配電監(jiān)控解決方案2021.10