淺談弧光保護在中低壓開關櫃中的應用

hth下载地址 陳聰

摘要：近年來，中低壓開關(guan) 櫃的使用越來越普遍。在此過程中，確保開關(guan) 櫃平穩運行至關(guan) 重要。並在此基礎上，闡述了由此產(chan) 生的弧光和電弧事故的危險性，引入弧光保護及母線保護的特點必要性分析，闡述了弧光保護係統的原理和結構。工程實例證明，弧光保護在中弧光中低壓開關(guan) 櫃占重要地位。

關(guan) 鍵詞：弧光保護;開關(guan) 櫃;過流保護;光傳(chuan) 感器

0引言

低壓和中壓開關(guan) 櫃是一種配電基礎設施，每年消耗大量電力。中低壓開關(guan) 櫃中弧光放電是非常嚴(yan) 重的事故。由於(yu) 電弧電阻過高，故障電流無法達到固定保護值，無法快速關(guan) 閉電源。在某些情況下，延遲可能導致無法快速切斷故障，弧光故障電流即使達到保護起始值也是如此。弧光放電不僅(jin) 會(hui) 導致斷電，而且還會(hui) 對許多設備造成不可逆的傷(shang) 害和人身傷(shang) 害，可能導致無法估量的損壞。

1. 電弧的產(chan) 生機理

中低壓開關(guan) 櫃是電力和配電的重要基礎設施。近年來，他們(men) 的使用逐漸增加。這對於(yu) 確保中低壓開關(guan) 櫃的可靠性和安全運行以及減少電氣事故的損壞至關(guan) 重要。對於(yu) 許多類型的弧光放電來說，電氣事故是中低壓開關(guan) 櫃的嚴(yan) 重事故。如果使用了電弧電阻，則不需要調整限製電流來設置保護值，這是無法停切斷故障。在某些情況下，即使弧光法的電流與(yu) 保護的初始值相符，延遲也會(hui) 妨礙及時消除幹擾，因此可能會(hui) 弧光放電問題，在這種情況下，不僅(jin) 會(hui) 導致停電，而且還會(hui) 對設備和員工造成嚴(yan) 重影響，這可能會(hui) 對企業(ye) 造成嚴(yan) 重影響。由於(yu) 放電過程中兩(liang) 點之間的電壓大於(yu) 介質的電阻電壓，因此隻要有足夠的能量補償(chang) 熱量損失和溫度合適，電弧就會(hui) 保持不變。例如，10kvV係統的弧光放電過程如圖1所示。當導體(ti) 之間的絕緣不足時，產(chan) 生弧光是分子和原子在特定環境中遊離的過程。附近的正負電子加速運動，並與(yu) 其他空氣分子和原子碰撞，同時產(chan) 生電弧光和高熱量。

圖1 10kV弧光放電的物理機理圖

1. 電弧事故危害

弧光可高達4500℃溫度，內(nei) 部可高達10000-20000℃。空氣弧光功率為(wei) 40mW，弧的強照明強度2000多倍以上。因此，不及時對電弧產(chan) 生采取措施可能會(hui) 造成損害。

1.人身危險。電弧造成的傷(shang) 害主要體(ti) 現在以下幾個(ge) 方麵:1.熔化金屬粒子進入人體(ti) 皮膚，導致皮膚金屬化；2.弧光強度高可能導致眼睛損傷(shang) 和角膜脫落。；3.高溫下粉塵和有毒氣體(ti) 可能會(hui) 損害身體(ti) 的呼吸道；4.當弧光電流人體(ti) 有一定影響時，肌肉意外收縮，損害皮膚、血管和神經。

2.設備的危險。產(chan) 生電弧時會(hui) 產(chan) 生大量高溫條件氣體(ti) ，且變形或破碎開關(guan) 櫃。此外，燃燒振動波會(hui) 導致其劇烈振動，緊固件鬆動或脫落。此外，在高溫下可能會(hui) 出現電纜燃燒等問題，在較大的情況下，開關(guan) 櫃外殼中的金屬可能會(hui) 熔化，從(cong) 而導致火災事故。

3設置弧光保護的必要性

我國開關(guan) 櫃有幾種母線保護方法。

1.變壓器過流保護:：低成本，保護開關(guan) IEC 298不能滿足100 ms的低壓1-2sS時，母線故障切除。

2.饋線過流保護閉鎖:：使用高性能工程微米芯片進行分析、數據采集和命令執行，運行速度為(wei) 300-400ms，不符合IEC298中低壓電母線源100ms故障的要求。

3.母差保護:：典型動作為(wei) 35.60ms時間，一般故障響應時間隨100ms和基本快速性要求而變化，但也存在一些問題，如保護能力較小，複雜接線，較高要求電流互感器，無法提供關(guan) 鍵故障點。母線的保護要求未得到滿足，實際上電流互感器飽和會(hui) 造成保護幹擾，不符合裝置範圍的要求，限製了保護的應用。開關(guan) 櫃發生弧光故障瞬間時，弧形保護係統可以快速檢測並輸出跳閘信號。瞬間脫扣(（斷路器)），切斷電源，使電弧消失，並減少因弧光故障而造成的損壞。電弧持續時間小於(yu) 100ms，無論是弧光+電流雙判據。傳(chuan) 統電源保護的運行時間超過100ms。為(wei) 此，在開關(guan) 櫃母線保護中促進弧光保護很重要。

4弧光保護原理及係統構成

1.弧光保護原理。是由一個(ge) 有缺陷的弓引起的弧光，但從(cong) 弧光故障到弧光檢測，速度非常快，不足1ms。電流保護為(wei) 了提高可靠性，增加故障電流通常還應考慮，發出跳閘命令。

2.係統結構。如圖2所示，弧光係統主要由輔助單位組成，如主控單元、弧光檢測和連接I/oO。弧光傳(chuan) 感器位於(yu) 開關(guan) 中的任何位置，根據實際物理位置進行保護調節，要查看主單元弧光的誤差位置，請執行操作，從(cong) 而縮短斷電時間，實現電流的快速恢複。弧光傳(chuan) 感器可以用一種或多種方式弧光傳(chuan) 感器沿開關(guan) 設備的不同室分布。電弧傳(chuan) 感器覆蓋一個(ge) 或多個(ge) 室傳(chuan) 感器為(wei) 單點或光纖線式。

圖2弧光保護係統示意圖

單個(ge) 傳(chuan) 感器隻能捕獲小區域中的光，有光電和光單點傳(chuan) 感器。傳(chuan) 感器光電單點於(yu) 光電管中進行光學轉換。使用這些傳(chuan) 感器時，應考慮放置傳(chuan) 感器時的EMI和ESD問題。光單點傳(chuan) 感器根據透明材料捕獲光源，並使用光纖將其傳(chuan) 遞給光接收器。傳(chuan) 感器單點式也得激活脈搏。脈搏信號是發射機發送給光接收機的光脈衝(chong) 信號。脈搏信號用於(yu) 確定光學接收機是否工作正常，光纖傳(chuan) 感器通常由環形組成。捕獲光源並將其傳(chuan) 遞給接收器。光纖通道傳(chuan) 感器與(yu) 單點式相比，在光纖線式傳(chuan) 感器較大區域采集光。此傳(chuan) 感器還具有脈搏功能。理想的光學傳(chuan) 感器具有較低的傳(chuan) 輸速度和較高的捕獲效率，通常采用POF或玻璃光纖。對於(yu) POF和PCS，外層是透明的或被移除的。由於(yu) 光纖通道傳(chuan) 感器可以檢測單個(ge) 設備或多個(ge) 設備中的多個(ge) 單元，因此可以通過減少光纖電纜長度的傳(chuan) 感器數量來降低係統保護成本。但是光纖產(chan) 品的長度取決(jue) 於(yu) 接收機的靈敏度。由於(yu) 單點傳(chuan) 感器的主要特點，這兩(liang) 種傳(chuan) 感器都有缺點，並應用於(yu) 弧光檢測。“被遮擋風險"表示光傳(chuan) 感器是否可能位於(yu) 開關(guan) 設備的“被遮擋風險"，從(cong) 而存在傳(chuan) 感器能夠捕獲光的風險。由於(yu) 光纖通道傳(chuan) 感器的範圍很廣，傳(chuan) 感器沒有被被遮擋危險。單點傳(chuan) 感器用於(yu) 弧光檢測，比光纖傳(chuan) 感器敏感得多。但是，光纖線式傳(chuan) 感器的靈敏度部分取決(jue) 於(yu) 光纖的物理特性。此外，光纖傳(chuan) 感器可以從(cong) 單個(ge) 或多個(ge) 開關(guan) 中的多個(ge) 光纖識別，而不能實現到單點傳(chuan) 感器。

3.關(guan) 鍵性能和特點。（1）電磁兼容符合國家繼電器質量監督(EMC)標準。（2）符合繼電保護建設準則。（3）通過弧光和過流雙判可靠運行。（4）無源弧光探頭直接連接到光纖端口，幹擾能力強抗電磁。（5）基於(yu) 實際電路的可編程性和可擴展性。(6)可根據需要調整弧光感光度和過流值。(7)故障原因，準確其位置。

5hth下载地址 ARB5係列弧光保護的原理及係統組成

弧光保護裝置通過弧光+電流突變量雙重判據或弧光單判據啟動保護，其動作時間為(wei)

弧光單判據動作時間≤7ms；

弧光+電流雙判據時間≤20ms。

ARB5係列弧光保護裝置由ARB5-M主控單元、ARB5-E擴展單元、ARB5-S弧光探頭、弧光光纖以及尾纖等配件構成。

6、弧光保護應用案例

A化工廠110/10kV變電站10kvV I類具有與(yu) Ⅱ段相同的弧光保護，I段母線L1、N線組發生接地故障，逐漸發展為(wei) L1和L2之間的短路。如果確定了弧光保護並且確定了故障電流，則I段母線10kV的線路斷路器將被切斷。當故障得到糾正和驗證時，弧光保護裝置的決(jue) 定和保護是正確的，其保護操作及時執行，供電會(hui) 盡快重新恢複。

弧光保護既簡單又及時，它對於(yu) 防止停電和盡量減少傷(shang) 害和設備損壞以確保電力設備安全可靠地運行至關(guan) 重要。為(wei) 此，有關(guan) 技術人員應加強技術研究，使他們(men) 能夠在更多領域發揮重要作用。

參考文獻：

[1] 雷晉，弧光保護在中低壓開關(guan) 櫃中的應用

[2] 周怡．電弧光保護作為(wei) 母線主保護在中低壓開關(guan) 櫃的應用和討論［J]供用電，2019(12).

[3]hth下载地址企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) 2020.06版．

[4]hth下载地址用戶變電站變配電監控解決(jue) 方案2021.10