朱鹍
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：隨著變配電系統(tǒng)中6kV～35kV中低壓開關柜的廣泛應用，由開關柜內(nèi)因弧光短路故障而引發(fā)供配電設備損壞事故目益增多。本文根據(jù)在新疆油田電網(wǎng)中因弧光短路引發(fā)的停電事故，結(jié)合相關理論分析了弧光短路故障的成因及特征，介紹了在實際工程使用電弧光保護裝置來減少因弧光短路故障引發(fā)停電事故的技術措施。
關鍵詞：弧光短路；中低壓開關柜；供配電設備；事故；電弧光保護
0引言
隨著變配電系統(tǒng)中6kV一35kV中低壓開關柜的廣泛應用，由開關柜內(nèi)發(fā)生弧光短路故障而引發(fā)的供配電設備損壞事故Et益增多。中低壓開關柜在內(nèi)部發(fā)生短路故障時，必然出現(xiàn)電弧光的現(xiàn)象，而電弧光是供電設備損壞的能量來源。目前電網(wǎng)內(nèi)**的變電站數(shù)量*增多，但存在保護不完善的弱點，由于開關柜的弧光短路故障沒有得到及時，發(fā)展為中低壓母線故障，事故范同擴大，弧光短路故障的高溫、高壓、高能通常會燒毀整段母線設備，造成變電站供電區(qū)域大面積停電的嚴重事故，進而造成重大的經(jīng)濟損失。因此，在6kV～35kV中低壓開關柜內(nèi)安裝快速、可靠的電弧光保護裝置，檢測并切除開關柜內(nèi)的弧光短路故障，防止事故擴大，提高供電可靠性是十分有必要的。
本文根據(jù)在新疆油田電網(wǎng)中因弧光短路引發(fā)的停電事故，結(jié)合相關理論分析了弧光短路故障的成因及特征，介紹在實際工程使用電弧光保護裝置來減少因弧光短路故障引發(fā)停電事故的技術措施。
1電弧光短路故障產(chǎn)生的原因及特性、危害
電弧光短路故障是電力系統(tǒng)中比較常見的故障，絕緣損壞、外來物體進入、人為操作失誤、設備老化以及系統(tǒng)方面的原因都可能引起電弧光短路故障。電弧是放電過程中發(fā)生的一種現(xiàn)象，當兩點之間的電壓**過其工頻絕緣強度**就會發(fā)生。當兩點之間的電壓升高時，在電近處空氣中的正負離子被電場加速，在移動過程中與其它空氣分子碰撞產(chǎn)生新的離子，這種離子大量增加的現(xiàn)象稱為“電離”，空氣被電離的同時，溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧，這種放電稱為弧光放電?；」夥烹娨话悴恍枰芨叩碾妷?，屬于低電壓大電流放電。只要放電點兩端的電壓提供的能量足以補償熱損耗并維持適當?shù)臏囟葪l件，電弧將會持續(xù)發(fā)生如果電弧被拉長和冷卻，電弧會因維持它的必要條件缺，大進而熄滅?；」夥烹姲措娀“l(fā)生的不同部分可分為帶電導體問的電弧、帶電導體與地之間的電弧和絕緣表面的爬電。電弧故障的危害程度取決于電弧電流及切除時間，電弧產(chǎn)生的能量與It成指數(shù)規(guī)律快速上升(如圖1所示)按IEC一62271—200標準和IEEEC37．20．7標準規(guī)定．開關柜能承受內(nèi)部放電燃弧的時間僅為lOOms，目前市場上銷售的開關柜基本是按照IEC標準制造，當總切除時間大于lOOms時．將會對設備造成不同程度的損害。實際中，當中低壓開父柜內(nèi)發(fā)生弧光短路時，南于電弧電阻的原岡，短路電流往往達不到過流、速斷整定值而不能快速動作切斷故障、電弧持續(xù)燃燒的結(jié)果是釋放m巨大的能量。由于沒有得到及時，發(fā)展為中壓母線故障，燒毀開關柜，造成變電站停電。
中低壓殲關柜柜體內(nèi)形成電弧的過程可分為4個階段。1)壓縮階段：電弧占據(jù)了整個空氣空間．柜內(nèi)的空氣被加熱；2)擴展階段：柜體內(nèi)壓力增加，在這個階段其壓力達到大值．并因為熱空氣的釋放而開始減弱；3)**階段：由于電弧能量的持續(xù)釋放．幾乎所有的柜內(nèi)空氣被壓力擠壓出去；4)發(fā)熱階段：在驅(qū)逐出空氣后，柜內(nèi)的溫度幾乎達到電弧的溫度，直至熄滅。此時，所有金屬和絕緣體在受到產(chǎn)生的氣體、炯霧和溶蝕物質(zhì)顆粒的侵蝕后融為一體。
發(fā)生電弧的故障點局部高溫達2000℃一3000℃，可輕易引燃周邊可燃物質(zhì)，不僅可能燒毀開關設備、導線、電纜，較甚者可能引起惡性電氣短路，引發(fā)火災。在有人值守運行的場所，電弧光還可能會對運行人員產(chǎn)生強光、、輻射、有毒氣體等人身傷害。
2對油田電網(wǎng)中弧光短路故障分析
近年來．新疆油田電網(wǎng)發(fā)生多起**變電站內(nèi)弧光短路故障引發(fā)火災，燒毀電氣設備，造成變電站停電的事故。以新疆油田電網(wǎng)中發(fā)生的近一次弧光短路引發(fā)變電站火災事故為例，負責新疆油田供電的陸梁35kV變電站內(nèi)35kV電壓互感器發(fā)生c相接地，導致非接地相相電樂升高，擊穿電壓互感器B相絕緣薄弱點后．發(fā)生BC相短路，上級l10kV變電站線路保護動作，35kV線路停電，BC相短路，隨后線路重合閘動作，開關重合后，35kV變電站恢復送電，但站內(nèi)存在單相接地故障持續(xù)約20min，再次發(fā)生BC相短路，上級110kV變電站保護動作，斷路器斷開故障電流，重合閘起動，母線保護動作，斷開故障電流。由于該35kV變電站是**變電站，運行人員趕到現(xiàn)場時，變電站內(nèi)35kV配電室已經(jīng)發(fā)生火災．35kVI段母線上開關柜大部分被燒毀，變電站供電區(qū)域內(nèi)的油田生產(chǎn)設施全部因停電停運，給油田生產(chǎn)造成嚴重經(jīng)濟損失。
究其原因，目前新疆油田電網(wǎng)電力系統(tǒng)6kV～35kV中性點采用的是不接地運行方式，根據(jù)《電氣事故處理規(guī)程》的規(guī)定，在出現(xiàn)單相金屬性接地時，可以運行1h-2h，在出現(xiàn)單相弧光接地時可以運行15min,上述事故變電站在出現(xiàn)單相接地短路后仍然運行20min左右．沒有及時切除弧光短路故障，直到相問弧光短路燒毀開關柜設備，導致上級變電站保護動作。由此可見在實際作中一旦產(chǎn)生弧光接地，過電壓以及大的接地電流對電氣設備的損壞是十分*的。本次事故短路點發(fā)生在連接于35kV時線的電壓互感器上，故障很快波及到母線．但在目前保護配置中．中低壓開關柜內(nèi)母線沒有配置母線保護，母線上儲現(xiàn)短路故障只能依靠上的保護動作(如變壓器的后備過流保護)，動作時間為1.4s～2.0s，無法滿足快速切除母線故障的要求，導致事故擴大，開關設備損毀。從電網(wǎng)宏觀層面分析，隨著近些年電網(wǎng)內(nèi)電力電纜使用數(shù)量的逐漸增多，在電力電纜與大地之間存在等效電容，其單相接地電容電流已經(jīng)達到了相當大的程度，發(fā)生事故的變電站單相接地電流經(jīng)過計算約為22A，正好處在及其*發(fā)生單相弧光接地電流10A～30A的區(qū)間內(nèi)，從而引發(fā)弧光短路故障。
新疆油田電網(wǎng)中近年來發(fā)生35kV變電站因為弧光短路故障引發(fā)停電事故．經(jīng)分析都是南單相弧光接地引起過電壓，弧光接地在接地點造成弧光間隙性反復燃燒，而產(chǎn)生的過電壓倍數(shù)可達到正常相電壓幅值的3倍～3.5倍，其電壓幅值大大**過了電壓互感器絕緣層和對地空氣絕緣間隙所能耐受的電壓幅值．并在絕緣薄弱環(huán)節(jié)擊穿，造成相間短路，形成相間弧光短路，終引起火災．燒毀配電開關設備。
綜上所述，變電站弧光短路故障通常開始于單相接地，因為中性點不接地運行方式，允許出現(xiàn)單相接地后短時間內(nèi)繼續(xù)運行，在這段時間內(nèi)，接地點處其易形成不穩(wěn)定的間隙性弧光接地。從而產(chǎn)生過電壓．擊穿系統(tǒng)中絕緣薄弱地方。同時強烈的電弧將引起兩相或相短路，形成相間弧光短路，造成電氣設備嚴重破壞，危及供電。
3電弧光保護的應用
3．1弧光保護原理
電弧光保護主要是通過對檢測弧光與故障電流，將總故障切除時間控制在開關柜可承受的燃弧時間內(nèi)，將弧光短路的危害降到低。電弧光保護系統(tǒng)測量的光和電擁有完全不同的物理性質(zhì)的參數(shù)，系統(tǒng)利用光與電相與的判據(jù)原理，當個判據(jù)均滿足動作要求時，發(fā)出跳閘命令動作于斷路器跳閘(如圖2所示)。目前的電弧光保護響應速度，從電弧光到繼電器跳閘輸出僅需要5ms～7ms的時間。
3．2電弧光保護在油田電網(wǎng)的應用
國外在20世紀90年代初開始將弧光保護用于中低壓開關柜內(nèi)部故障保護，目前電弧光保護在歐美國家得到廣泛的應用。中國于2000年后開始使用進口**母線電弧保護，2010年后國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品也已投入市場。
目前在新疆油田電網(wǎng)實際建設運行中．對供電可靠性要求較高、停電后會產(chǎn)生較為嚴重損失的變電站(如新疆油田公司數(shù)據(jù)中~35kV變電站、克拉瑪依石化公司1#llOkV變電站)內(nèi)的6kV～35kV開關柜均安裝了電弧光保護裝置。項目中采用了電弧光保護裝置(如圖3所示)，在變電站內(nèi)每段10kV高壓開關柜內(nèi)裝設一套電弧光保護裝置，完成在弧光短路故障下對母線和電纜頭的快速保護，可以避免弧光故障時產(chǎn)生的電弧光對設備及人員造成的嚴重傷害。在各回路的母線室、電纜頭室分別配置弧光點傳感器，當母線室內(nèi)發(fā)生弧光故障時，快速斷開本段母線的進線斷路器和母聯(lián)斷路器；電纜頭室發(fā)生弧光故障時，快速斷開出線回路斷路器而不影響母線及其他回路，故障擴大，減少停電范圍。
電弧光裝置由控制主單元、I／O單元、弧光傳感器以及通訊連接電纜組成。其中主控單元主要功能為接收直接弧光擴展單元的弧光信號，對兩組三相電流、零序電流、零序電壓檢測。通過對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，通過電流過流和弧光雙重判據(jù)，進行編程，發(fā)出跳閘指令。同時對所有單元持續(xù)自檢，具有斷路器失靈保護和弧光故障定位功能；弧光擴展單元功能主要為接人多個弧光傳感器(可多接人12個弧光傳感器)解決了主控單元弧光傳感器接入接口少的問題，接收弧光信號后將弧光信號傳輸給主控單元、完成電纜頭弧光保護的跳閘輸出?；」鈧鞲衅骶哂?70°的檢測范圍，直接連接至弧光擴展單元，用于弧光的實時監(jiān)測。通訊電纜：在主控單元與擴展單元和弧光傳感器之間傳輸電源、監(jiān)控信號和跳閘信號。目前弧光保護裝置的整定值應小于主變后備保護過流I段定值，保護動作時間應小于5ms。
裝置安裝運行至今已近半年時間，運行穩(wěn)定．未發(fā)生誤動、拒動等現(xiàn)象。
4安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品選型說明
ARB5-弧光主控單元
（1）＊表示可選附件，需要另外增加費用1500元。
（2）主控板和采集板數(shù)量之和不能大于4。
（3）弧光探頭到采集板的長度不能**過20米。
（4）如有特殊要求，請?zhí)貏e注明。
5安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品功能和技術參數(shù)
6安科瑞ARB5-M弧光保護產(chǎn)品現(xiàn)場安裝
弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下。
7結(jié)論
隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，中低壓開關設備在電網(wǎng)與用戶之間的“樞紐”作用越來越顯著，而弧光短路故障對中低壓開關設備的損壞以及對電力系統(tǒng)運行帶來了嚴重影響。電弧光保護作為一種可以快速切除中低壓開關柜內(nèi)弧光短路故障的技術手段，具有原理簡單、動作可靠*等優(yōu)點。因此，隨著人們對電弧光保護認識的深入，其運行和整定也將較加成熟和完善，在丁程實踐中推廣使用電弧光保護?；」舛搪饭收蠈χ械蛪洪_關設備的影響，保用戶用電可靠性要求，具有重要的現(xiàn)實意義。
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作者簡介：
朱鹍，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事企業(yè)能源管控研究發(fā)展。
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