中低压配电系统的柜内弧光保护

　　 1 前言
　　我国正处在工业化、城镇化地快速发展阶段，经济的高速发展必将需要更多的电力产品作为基础设施，因此，中低压开关柜的数量也增加很快，由此而产生的各类电气故障也在增加。目前，虽有多种针对中低压母线故障的保护方法，但由于以下原因，都不能完全符合供配电系统的要求。
　　(1)保护电器动作时间不能满足IEC标准;
　　(2)目前供配电系统现行的继电保护设计标准对于中低压母线一般不配置专用的快速保护，而是依赖上一级变压器的后备保护来切除母线短路等故障。
　　电弧光故障因其发生的原因和部位，使由其引发的配电网故障影响范围大，造成的经济损失也很大。然而，我国电力系统中低压配电部分，针对电弧光保护的内容还没有被写入相关规范和设计手册，在中低压配电系统增设电弧光保护的项目更是“凤毛麟角”。其实，增设中低压电弧光保护系统的成本并不高，但对整个供配电系统的安全性、可靠性和稳定性起着弥足重要的作用，值得推荐使用。
　　 2 电弧光的形成及危害
　　电弧是放电过程中发生的一种现象，当两点之间的电压超过介质绝缘强度极限时就会发生，而只要有足够的能量补偿热损耗，并维持适当的温度，电弧就会持续发生。在供配电系统中，各类开关电弧的形成是触头间中性质子(分子和原子)被游离的过程，当两电极间电压升高，靠近电极最近处空气中的正负离子被电场加速，在移动过程中与其它空气分子碰撞产生新的离子(即电离现象)，空气被电离的同时，温度随之急剧上升而产生电弧，这种放电即为弧光放电(电弧光)，属于低电压大电流的放电类别，类似情形还会发生在线路的“相间”短路和“相对地”短路。
　　电力系统电弧光(弧光放电)引起的危害主要有以下几个方面：
　　(1)产生高温和强光
　　电弧光温度可达8000°C，发生点温度更高达20000°C，远远高于太阳的表面温度，如此的高温会对人体造成严重伤害，破坏电器设备绝缘层，使导体导线融毁，甚至气化。同时，伴随高温的强光，会造成工作人员暂时性失明，严重的还会刺伤眼睛。
　　(2)爆破压和爆破音
　　电弧光以300m/s的速度爆发，威力强大，不仅可击毁开关柜内元器件，产生的高分贝爆破音还会造成工作人员鼓膜损伤。并且，只要系统不断电，弧光就会一直存在，爆发的冲击波也就一直持续。
　　(3)故障电弧还可能产生弧根效应，母线短路电流产生的强电磁场和电弧电磁场的相互作用会在母线场强最大的位置形成弧根。电弧会以140m/s的速度沿着母线边沿迁移，并且短路电流越大则迁移速度也越快。电弧的迁移会从开关柜内一个小室“窜”到另一个小室，或“窜”到临近的开关柜，使故障范围迅速蔓延。
　　(4)后续的破坏结果
　　1)持续的爆破压会使开关设备振动，固定元件松脱，还会使上一级变压器承受近距离短路电流冲击，导致变压器绕组变形发生匝间短路。
　　2)由电弧故障引起的电器元件燃烧以及导体导线的融化、气化会产生多种有害气体。
　　3)爆炸会引起的碎片高速飞射，伤及人员和其它设备等。
　　电弧性短路是电气短路起火的主要原因，电弧的持续存在最终肯定会产生明火。配电柜内部电弧性短路燃烧释放出的巨大能量，将产生各种故障电弧效应，严重时会烧毁配电柜，强大的短路电流将冲击损坏电力变压器，还会波及其它配电柜和配变电站，造成工作人员的伤亡和长时间的停电事故。
　　 3 开关电器的灭弧
　　开关电器的弧光危害在很早就受到业界的重视，因而防范措施已较完善，其基本方法如下：
　　(1)增大近极电压降，即将电弧分隔为很多串联短弧(如利用金属片将长弧切成若干短弧的灭弧栅);
　　(2)加速电弧冷却，让电弧在固体介质所形成的狭沟中燃烧，利用外力吹动并拉长电弧，即增大了电弧的冷却面积，从而加快电弧冷却，并降低触头的温度;
　　(3)增大弧隙间的介质绝缘强度。
　　另外，利用电路阻抗特征实现灭弧的方法，在原理上可行，但很难实现，目前尚未在配电行业中应用。
4 开关柜内弧光短路分析
　　电弧光具有很大的阻抗和电压降，限制了过电流保护器的响应。开关柜内弧光短路故障很难及时排除，继而会发展为母线故障，造成配变电站、降压站、发电厂乃至电网瓦解。近些年，由于柜内母线电弧性短路电流故障造成的事故时有发生，造成了巨大经济损失和人身伤亡。据统计，因电弧短路故障而损毁的配电开关柜，城市配电网故障率为0.7%，农村配电网为1.2%.据《高压开关技术通讯》报道，仅手车柜一项，全国每年因弧光短路损毁的开关柜平均超过两百台。德国科隆精密机械行业工伤事故保险联合会编制的关于中低压配电设备事故统计报告指出，由中低压成套开关设备电气事故引起的人身伤亡与电弧故障有关的案例占50%以上。
　　案例1：某地区的10kV开关站，采用非直接接地系统，曾发生单相间歇性弧光接地故障，供配电网以电缆线路为主，绝缘多处被击穿。电缆线路弧光接地时，非故障相的过电压可达正常电压值的数倍甚至更高，对线缆绝缘的冲击很大。此次发生事故的配电柜，只加装了50Hz的消谐器及过电压保护装置，不足以对电弧性故障做出反应。
　　案例2：某乙烯厂35kV配变电站，中性点非直接接地系统，某次事故中户外熔断器、避雷器均被烧毁，部分电缆绝缘被击穿，维修过程需更换毁坏的电器开关和绝缘被破坏的线缆，费时费力，造成了多日停产的重大事故。根据事故分析后得出结论，当中性点非直接接地系统发生单相间歇性弧光接地故障时(产生弧光接地过电压的条件即为间歇性电弧)，由于电弧的不断熄灭和重燃，导致系统对地电容电荷的充放电(即电荷积累和重新再分配)，在故障点产生的电感—电容回路中引起了高频振荡过电压。因对地分布电容容抗，架空线路较大，埋地线路较小，因此，架空线路过电压的幅值一般为3.1～3.5倍相电压，保护开关尚能动作，对埋地的电缆线路配电网而言，非故障相的过电压可高达数十倍，绝缘被击穿或电弧高频电流过零点时无法熄灭的可能性就大大提高了。电缆线路弧光接地时，高幅值的过电压加剧了电缆等固体绝缘的积累性破坏，同时，弧光接地过电压还会烧毁电压互感器、熔断器，甚至引起避雷器的爆炸。
　　案例3：某银行配变电站，因雷雨天一次雷击事故，中压10kV的电压互感器被击穿，低压配电柜的裸母排也被损坏，部分配电柜内设备、仪表也遭损毁，究其原因是因为雷击引起的10kV配电柜母线电弧故障引发的一系列事故。
　　由电弧故障引发的事故还很多，如2008年浙江某110kV变电站的电弧光爆炸事故，2009年安徽某220kV变电站35kV开关柜误操作引起的电弧光事故，以及2010年江西某220kV变电站改造工程中，更换10kV母线段电压互感器引发的重大人身伤亡事故等。
　　根据以往的实践和研究，中低压开关柜中电弧形成原因一般分为以下几类：
　　(1)配电柜内的绝缘材料绝缘性能不达标或老化，导致爬距减小，以及潮湿环境下运行年限较长的配电柜在强电磁作用下绝缘老化，形成故障电弧。
　　(2)违反操作规程，人为操作错误;
　　(3)配电柜内的各种接触不良，还有导体接触截面过小等原因，都会引起冒火星和相间、相对地的短路。
　　(4)配电网增容、接地形式改变、系统谐振过电压、电缆应用增多以及保护和自控元器件配置不当等。
　　(5)外来物体(如小动物或维修人员将工具遗漏在裸母排上等)的进入。
　　5 电弧故障能量对配电柜金属材料的危害
　　在保护开关动作前，故障短路电弧会一直存在，因此可以认为保护开关(断路器)动作时间和保护开关(断路器)分闸时间之和即为电弧燃烧的持续时间。目前。我国配电系统的开关柜均按IEC298标准规定，内部燃弧时间限制为100ms.按检测标准，检测故障电弧的时间应小于7ms，加上执行机构排除故障的时间，一般在35～60ms间，也就是说，有效切断电源的时间应控制在42～67ms，这是符合IEC标准的。但是，由于上述的种种原因使得保护开关不能及时的切断电源。电弧产生的能量为E=I2t，其燃弧时间与破坏性成正比(见图1)。
　　如图所示，电弧燃烧持续时间超过100ms，曲线上升速度很快(即故障电弧所释放的能量急剧增加)，燃弧150ms后，开关柜内铜材会起火;燃弧200ms后，钢材也开始起火。据可靠资料表明，燃弧时间小于35ms时，设备无明显损坏痕迹，事故后检测绝缘电阻满足要求后即可继续投入使用;燃弧时间小于100ms时，设备损坏较小，开关柜投入运行前需要进行必要的清洁和局部维修;燃弧时间达到500ms以上，那么设备的损坏程度就比较严重，毁坏件必须进行更换和维修，事故中还有可能伤及现场工作人员。
　　6 中低压开关柜内设置电弧光保护系统的意义
　　电弧光保护系统可在开关柜内发生电弧光故障的瞬间，极快检测随即输出跳闸信号，将进线保护开关(断路器)瞬间脱扣，从而切断电源，使电弧光消失，电弧光故障的危害也随之消除。目前，我国中低压开关柜的母线保护方式基本有三种：1)变压器后过流保护，价格较低，保护开关动作整定时间一般约为2s;2)馈线过流保护闭锁—变压器过流保护，利用高速的工程微机芯片对采集数据进行判断并发出指令，动作速度有了一定的提高，达到300～400ms;以上两种均不能满足IEC标准要求“100ms内切除中低压母线故障”的条件;3)采用“母差”保护，典型动作时间为35ms～60ms，总的故障响应时间可控制在100ms以内，基本满足快速性的要求，但存在保护范围小、接线复杂的问题，且对CT的要求高，不能提供故障定位，局限性较大，不适合中低压母线保护的要求。
欧美一些经济发达国家很早就把电弧光保护系统作为中低压开关内部故障保护的标准配置。我国在2005年以后，各地供配电体系的电气专业人员才逐步认识到电弧光保护的重要性。电弧光故障的原因不全是人为因素，总有“防不胜防”的情况发生，所以配置了电弧光保护的配电网因电弧光故障原因而发生事故的概率大大减少，即便发生了电弧光事故，其影响的范围也可有效地控制在很小范围内。当前，我国已步入大力发展经济的关键时期，智能化配电网基本覆盖了大中城市，配电网供电的安全性和可靠性就变得尤为重要，因而装设电弧光保护系统成为中低压配电不可或缺的重要举措之一。目前，很多国家重点建设项目，如南水北调工程、京沪高铁、北京奥运会工程、上海世博会工程等，都在中低压配电系统配置了可靠的电弧光保护系统，军工、航空工业、中航工业、中国远洋、中国石油、中金公司等大型企业，也都将电弧光保护系统作为企业配电系统的标准配置之一，弧光保护与传统“母差”保护的比较如上表所示。
　　7 中低压配电系统电弧光保护的应用
　　电弧光保护系统动作判断依据为故障时产生的两个条件，电弧光和过电流。电弧光故障时，配电柜内的压力也会突增许多，但压力波的检测具有延迟性(滞后约15ms)，这与越早发现故障、越早切断电源，则损失越小的电弧光保护系统原则不符，因此没有把“压力”这个物理量作为电弧光保护动作的充分条件。弧光是电弧最明显且变化最快的特征物理量，利用弧光的这个特性作为保护系统的触发条件是非常合适的，同时还可引入过电流的信号作为闭锁的必要条件，就可有效避免外界的干扰(外部光源干扰、电磁感应干扰等)。开关柜发生故障电弧时，会产生极大电弧短路电流，使母线的电流产生突变，这是故障电弧产生的又一重要物理量。当保护系统同时检测到弧光和电流增量时就发出跳闸指令信号，如只检测到弧光或电流增量的单信号时，则只发出报警信号，不发出跳闸指令，其逻辑判断见图2。
　　基于弧光、电流双判据的故障保护系统可使整套保护的动作时间控制在几毫秒以内，保证了系统的准确性和快速性，系统的可靠性也进一步得到提升。
　　(1)电弧光保护系统的组成及工作原理
　　电弧光保护系统对中低压配电系统的保护，主要针对水平主母线，一般由电源模块、主单位控制器、弧光采集单元、电流采集单元、弧光探测器及连接各单元和弧光探测器间的光纤和数据线等组成(见图3)。
　　弧光采集单元和电流采集单元分别安装在各自监控的开关柜内，把检测到的弧光或电流信号传送到主单元控制器，主单元控制器根据信号的逻辑关系输出跳闸信号指令至断路器切断电源或发出报警信号。
　　系统采用微机处理技术，信息处理速度快捷、反应灵敏，并且可以编程以配合配电系统不同的运行方式。执行机构回路采用半导体技术，以确保保护开关动作的快捷性，无论弧光信号还是电流信号，主单元控制器的接收、反应和动作时间，整个过程时长不会超过30ms.
　　(2)电弧光保护系统的主要性能及特点
　　1)满足“国家继电器质量监督检验中心”的电磁兼容(EMC)标准;
　　2)符合继电器保护设计标准;
　　3)采用弧光和过流双判据原理，动作可靠;
　　4)无源弧光探头，基本免维护，直接光纤连接传输，抗电磁干扰能力强;
　　5)可编程控制，并能根据实际电路进行扩展;
　　6)弧光感光度和过电流数值可按实际情况调整;
　　7)具有故障定位功能，准确显示故障位置;
　　8)具备事故记录、故障录波、遥信、电流测量、自检等辅助功能及GPS同步对时接口技术;
　　9)具有断路器失灵保护功能。
　　(3)电弧光保护系统的应用领域
　　应用于35kV、10kV、6kV、3kV和400V配电系统，在发电厂、配电网、工厂、各类民用建筑中都可广泛的应用。
　　8 电弧光保护系统应用的行业成功案例
　　案例一：2009年6月，某35kV变电站于某一雷暴日，发生10kV三相短路故障，过电流检测单元将故障母线段的保护开关跳闸，但故障切除后，10kV母线段L1相避雷器又发生了爆炸，引起母线三相短路，此时电弧光检测保护系统工作，断开了主变压器低侧开关。整个事故造成10kV母线L1相避雷器损坏，发生故障开关柜因避雷器爆炸而变形，但电弧光保护系统保护正确，有效地防止了事故的扩大，大大缩短了配电网停电时间，减小了影响范围。
　　案例二：某电业局10kV配电主结线运行方式为Ⅰ、Ⅱ段母线并列运行，2011年6月某天，Ⅱ段母线馈线柜L1相发生单相接地故障，继而发展为母线L1.L2相间电弧光短路，此时电弧光保护测得故障弧光和故障过电流后，在第一时间断开Ⅱ段母线35kV侧断路器、联络断路器。事后经核查，电弧光保护系统逻辑判断和保护动作完全正确，保护的非常及时，只用了很短的时间抢修就恢复了正常供电。
　　案例三：
　　国内某电厂10kV给水泵动力柜发生母线事故，在其它保护没有反应时，电弧光保护系统在第一时间内发出了相应的弧光故障报警信号，避免了事故的进一步恶化。
　　9 结束语
　　近几年，城镇中低压开关柜的数量增幅很大，因此故障率也在提高，电弧光短路原因引发的母线故障也在日益增多。经济发达国家有95%以上的中低压开关柜都配置了电弧光保护系统，我国自2005年起，才在一些国家重点工程项目的建设中设计应用。目前，供配电设计规范、手册等均未提及电弧光保护系统，所以在国内中低压的配电系统中尚未普及，这也是一些电气专家强调装设中低压开关柜母线电弧光保护系统的原因。
　　国内的电弧光保护系统产品已较为成熟，不少厂家已树立起自己的品牌，依靠计算机技术和新型设备配件，使整个电弧光保护系统在实际应用中体现出了稳定、安全可靠、灵活便捷和快速的特性，不仅可以对电弧光故障进行保护，还可兼做防雷减灾、保障人身安全、防止开关、变压器损坏及火灾发生等方面的全面保护，值得在更多的领域中被推广应用。