母线弧光保护在中低压开关柜中的应用

摘要：电力成套设备快速发展的今天，设备的安全稳定运行至关重要。而随着电力行业和应用领域的复杂化和深入性,使得中低压成套开关设备发生故障的可能性也随之变大。成套开关设备中母线故障产生的弧光将烧坏其他电器元件,从而导致事故扩大,往往造成较大的经济损失,而母线弧光保护正好解决了这个难题，能够很好的保护开关设备并降低损失。

关键词：中低压开关柜；母线弧光保护

0引言

中低压成套开关柜作为电能生产与分配的基础设施之一，使用量逐年增加，并且使用场合的复杂性也在增加，使用遵循的规范标准要求也随着社会的发展而提高。如何保证中低压开关柜安全可靠运行、降低电气事故损失越来越多地受到重视。

弧光放电事故是中低压开关柜内严重的事故之一，由于电弧电阻的原因，故障电流往往达不到保护定值而不能迅速切断故障，或者弧光故障电流达到了保护启动值，动作时间不能快速切断故障。

弧光放电不仅会造成停电事故，还会造成设备严重损坏和人身伤害事故，带来不可估量的损失。

1弧光故障事故危害

弧光产生时温度可达到4500℃，内部温度可达到10000～20000℃。弧光产生时瞬时功率可达到40MW，弧光光强可超过正常照明光强2000多倍。因此中低压开关柜内因故障而产生电弧时若不能及时采取合理措施，则会产生诸多危害。

（1）对设备的危害：电弧发生时产生大量高温高压气体，气体瞬时冲击波可造成开关柜体变形、破碎；冲击波爆破震动可造成开关柜剧烈震动，使各连接处紧固件松脱；产生的高温可引起电缆燃烧、铜排融化、铝排气化，甚至将开关柜外壳金属融化、元器件严重损坏并引起火灾。

（2）对人的危害：高温灼伤皮肤；熔化的金属蒸发并渗入人的皮肤表层造成皮肤金属化；高强度弧光伤害眼睛，甚至造成角膜脱落；高温燃烧产生的粉尘和有毒有害气体损伤呼吸系统；弧光电流作用于人体可使肌肉产生非自主剧烈收缩，也可损伤肌腱、皮肤、血管、神经组织等。

电弧产生的能量与I ²t成指数规律快速上升，其不仅与故障电流的大小有关，还与燃弧时间有关。根据故障点的不同，通常情况下故障短路电流会在几千安至几十安，故障若不能及时切除以熄灭电弧，则会产生巨大能量。总之，开关柜发生内部电弧故障，不论是对开发设备还是对附近的工作人员，其危险性都很大。

图1 电弧能量-时间曲线

因此，很有必要引入快速切除弧光故障的保护系统。安科瑞ARB5系列弧光保护装置通过弧光+电流双重判据或弧光单判据启动保护，其弧光单判据动作时间≤7ms；弧光+电流双判据动作时间≤20ms，为快速切除中低压弧光故障提供了技术支持。

2中低压开关柜弧光保护必要性

国家标准相关规定，110kV及以上的电压级别的变压器的热稳定允许时间和动稳定时间分别是2s和0.25s。一般，在低压侧出口出现短路故障时时间往往超过2s，不能满足变压器动稳定时间要求，这样就会导致变压器损坏。

为了解决开关柜弧光短路故障问题，可以采取一些常规性防护措施，比如加强开关柜的结构，设置释放板和泄压通道将气流等输出柜体。但此类措施会提高设备成本，对电力企业的经济效益带来影响。

弧光保护相比这些防护措施，可以从根本上限制故障电弧，从而解决开关柜弧光短路故障对工作人员和开关设备的影响和危害。一方面，可以在开关柜耐受燃弧时间内采用中低压母线保护快速切除故障；另一方面，能减少用户停电时间，可尽快恢复生产。此外，对于使用年限很长需要进行改造的开关柜，采用弧光保护可合理延长其使用寿命，从而减少对开关设备的投资费用。

3安科瑞ARB5系列弧光保护

安科瑞ARB5系列弧光保护装置主要由ARB5-M主控单元、ARB5-S弧光探头及光纤组成。

（1）  ARB5-M主控单元特点

1）启动条件可选弧光单判据或弧光+电流双判据。其中电流突变量启动系数可整定范围为0.05~10In，电流常量启动系数可整定范围为0.05~10In。

2）11路可编程跳闸出口。

3）4组3相电流采集。

4）支持20路弧光探头信号采集。

5）弧光故障点定位。

6）弧光光纤链路自检及装置异常自检。

7）4组失灵保护。

8）支持IEC61850，便于组建数字化智能变电站。

（2）  ARB5-S弧光探头特点

1）自带滤光功能。

2）无源型弧光传感器。

3）探测角度≥180°。

图2 ARB5-S弧光探头探测角度

4中低压开关柜母线弧光保护的应用

安科瑞ARB5系列弧光保护装置广泛应用于中低压开关柜母线保护。

（1） 某机场10kV开关柜母线弧光保护

 

图3 某机场10kV开关柜ARB5弧光保护安装图

（2） 某工厂0.4kV开关柜母线弧光保护

 

图4 某工厂0.4kV开关柜ARB5弧光保护安装图

5结语

在电力系统运行中，由于自身电容量等因素的限制，需要对中低压开关柜与母线进行合理地保护，因此，需要从中低压开关柜电弧光短路故障原因和现有的中低压母线保护方案存在的问题进行分析，明确故障问题带了的严重危害，通过应用弧光保护，合理处理故障问题，从而更好地保护实现开关柜与母线的保护。

审核编辑 黄宇