淺析電弧光保護在煤礦開關櫃中的應用

hth下载地址 陳聰

摘要：電弧光保護係統能夠地減少礦山電網係統中的安全隱患。結合某礦實際，使用電弧光保護裝置ARB5，該裝置采用光纖傳(chuan) 感器作為(wei) 電弧光探測單元，弧光傳(chuan) 感器與(yu) 保護裝置間采用模擬光信號傳(chuan) 輸將光信號轉化為(wei) 障點，在短時間內(nei) 快速切除故障，大限度縮小弧光保護係統不僅(jin) 對高壓開關(guan) 櫃起到了保護作用經濟效益。

關(guan) 鍵詞：弧光保護；光纖傳(chuan) 感器；高壓開關(guan) 櫃

0 引言

隨著國民經濟的不斷發展，我國煤礦的機械化程度不斷提高，所需用電量也在逐年增加，中低壓(35kV及以下電壓等級)配電係統的在礦山生產(chan) 係統中得到了廣泛的應用。配電係統中的中、低開關(guan) 櫃的數量越來越多，中低電壓等級的母線由於(yu) 所處環境複雜，技術設備故障和人為(wei) 因素等原因，易引發母線短路，存在很大的安全隱患。由於(yu) 母線發生故障時，采用變壓器的後備保護來切除母線上的故障，無法在發生故障的時間解決(jue) ，設備損壞幾率增加，嚴(yan) 重時導致燒毀。據報道，我國供電係統中開關(guan) 櫃每年有200多麵被燒毀，而開關(guan) 櫃短路事故更是經常發生，有時甚至造成更大的電網事故，直接造成礦山機械設備的損失和經濟損失。因此，在應用供電係統時，如何在保證礦山生產(chan) 效率的同時保證礦山設備及人員保護，是我們(men) 研究和攻克的難題。

1弧光的參數及危害

1.1弧光參數

1)空氣弧光產(chan) 生時的大的瞬時功率較大，可達40MW；

2)內(nei) 部溫度較高，可升至10000。C以上；

3)中壓範圍內(nei) 弧光產(chan) 生時和結束時的溫度可達4500。C：

4)弧光的大電壓可達500V～1000V；

5)弧光的光強超過正常的照明光強2000倍。

1.2弧光的危害

弧光在毫秒時間級別發生消失，釋放的卻很驚人，對礦山機械設備和人身安全都有巨大的破壞性]。

1)電弧溫度驚人，可達10000℃，超過一定溫度損害電網；

2)電弧引起火災，燒毀電纜；

3)穩定過高導致開關(guan) 櫃內(nei) 開關(guan) 裝置爆炸，使其失效i

4)容易造成人員傷(shang) 害，對人員臉部和皮膚形成性傷(shang) 害；

5)爆炸時產(chan) 生的氣體(ti) ，技術人員吸入會(hui) 損傷(shang) 其呼吸係統。

2弧光保護技術的現狀和措施

1995年，中國引進了套弧光保護裝置。近年來，人們(men) 注意到切除母線時產(chan) 生的過流保護動作時間過長的問題，分析了電弧故障時產(chan) 生的聲、光、熱和電磁等效應。采用理論與(yu) 實際相結合的方法，分析電弧效應，開發研製出各種用來檢測電弧的保護裝置，並在礦山中得到了加速應用。如此，既對礦山人員起到了安全保護作用，也使得礦山的生產(chan) 效率得到進一步提高。例如：有的利用電弧的熱效應，研製出能通過感應電弧的熱量而產(chan) 生動作的采閥式電弧保護繼電器；有的利用電弧的電磁效應，通過電弧接地保護裝置及時切斷發生故障的開關(guan) 裝置，以便及時的維修；有的檢測故障裝置中的臭氧濃度，保護報警裝置以便工作人員能在時間保證人員的安全，不至於(yu) 給礦山企業(ye) 帶來巨大的人員和經濟損失。隨著科技的發展，利用電弧的多種效應開發更具性和準確性的新型電弧保護裝置已成主流。

現在，功能型感器和非功能型傳(chuan) 感器等新型傳(chuan) 感器在礦山供電係統中應用廣，這種新型傳(chuan) 感器不僅(jin) 靈敏度和度較高，而且絕緣性能較好，具有抗電磁幹擾。這兩(liang) 者主要以其中的光纖所起的作用不同區分開來。前者的光纖對被測信號具有傳(chuan) 輸和的作用；後者僅(jin) 起傳(chuan) 輸的作用。光纖傳(chuan) 感器在電力係統的電弧光保護中起到了重要的作用，它在強電磁幹擾和高電壓的環境裏，能顯示出能力。

電弧故障的危害程度取決(jue) 於(yu) 電弧電流及切除時間，電弧產(chan) 生的成指數規律快速上升。發生故障時，技術人員在85ms內(nei) 切除故障部分，才能保證相關(guan) 設備免遭遇難，避免不必要的損失，一旦時間超過100ms，相關(guan) 設備則會(hui) 遭到損害，嚴(yan) 重時會(hui) 對礦山企業(ye) 造成不可挽回的損失。

目前常用保護裝置：

1)變壓器後備過流保護，但此方案的問題是快速性不過，不能達到開關(guan) 櫃內(nei) 部電弧故障的保護。

2)簡易母線保護方案，采用傳(chuan) 統方法識別故障，此方案目前應用為(wei) 廣泛。

3)電弧光母線保護方案，利用電弧的相關(guan) 特性作為(wei) 判別依據，可快速切除內(nei) 部故障。

4)其他母線保護方案。就投入成本及實施效果綜合對比，電弧光保護方案優(you) 勢明顯，其使用比例在礦山配電係統中。

3研究內(nei) 容

電弧光保護主要動作依據兩(liang) 個(ge) 不同因素：孤光及電流增量。通過研究傳(chuan) 統過流型保護、弧光非電量型保護和級差的配合，為(wei) 弧光保護裝置的研究發現新的切入點，進而研究弧光保護裝置。

其一，傳(chuan) 統過流型保護和級差配合。以阻抗接地係統分析即接地跳閘時間很短分析：采樣15ms～30ms；接點閉合5ms；整定延時30ms~350ms；斷路器分閘50ms～80ms；整體(ti) 故障切除時間：出線130ms+AR，進線450ms，見圖1。其二，弧光非電量型保護和級差配合。以阻抗接地係統分析，弧光信息1ms；過流判據Ims；接點閉合5ms；斷路器分閘50ITIS～80ms；整體(ti) 故障切除時間：出線87ms，進線87ms，見圖2。本文研究內(nei) 容為(wei) ：

1)分析電弧對礦山造成的危害，研究電弧保護裝置的動作原理。

2)根據不同礦山的實際生產(chan) 狀況研究母線故障變化情況，研究開發符合當地礦山實際生產(chan) 狀況的電弧保護裝置。

3)在故障狀況下，分析各種電弧保護裝置的度和定位程度。

4)分析電弧保護裝置的優(you) 缺點並具體(ti) 分析該裝置對礦山配電係統所產(chan) 生的安全隱患。

通過研究某礦的配電係統，得出了一套適合該礦山實際生產(chan) 的電弧光保護裝置的技術設施方案，既能保證弧光保護裝置的利用大化，也能把對煤礦供電係統的衝(chong) 擊破壞程度降到低，從(cong) 而避免安全隱患，加強對維修人員的培訓，防止人為(wei) 操作錯誤帶來不必要的損失，並為(wei) 今後電弧保護裝置新的開發提供可靠依據。

4實施方案

1)針對某礦實際生產(chan) 狀況，采用ARB5電弧光保護裝置就地安裝6kV進線櫃，該裝置滿足數字化廠站需要，適應智能電網未來發展趨勢。

2)ARB5弧光傳(chuan) 感器安裝在開關(guan) 櫃內(nei) ，監測各開關(guan) 裝置的運行，若有開關(guan) 出現異常狀況，立刻實施保護措施。

3)采用以太網或串口103送後台監控係統。

4)具有友好的人機接口，調試維護方便。

某煤礦使用的電弧光保護裝置為(wei) 變電站、電廠、工業(ye) 企業(ye) 用戶等場合的中、低壓母線提供快速保護。當發生弧光短路時，被弧光傳(chuan) 感器覆蓋區域的弧光短路可被快速定位，電弧光保護係統快速動作，切斷故障電流，大限度降低電弧光對設備的損害以及人員傷(shang) 害。電弧光保護裝置通過不同插件的組合，結合實際應用場所的供電係統，組建成符合實際需要的保護係統。電弧光保護裝置也可實現對電流信號的采集，進而完成對電弧光、短路器的保護，CT斷線、傳(chuan) 感器異常、裝置硬板故障等的報警，測控以及信息保護功能。在發生故障時，能夠定位故障點，跳閘出口提供跳閘矩陣整定，跳開相關(guan) 斷路器，實現分區域保護，大限度縮小事故停電範圍。具有強電磁兼容性，調試維護方便，具有友好的人機接口，方便的現場安裝測試功能。

5配置方案

電弧光保護裝置配置方案如表1所示。

6hth下载地址ARB5-M弧光保護產(chan) 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）主控板和采集板數量之和不能大於(yu) 4。

（3）弧光探頭到采集板的長度不能超過20米。

（4）如有特殊要求，請特別注明。

7hth下载地址ARB5-M弧光保護產(chan) 品功能和技術參數

8hth下载地址ARB5-M弧光保護產(chan) 品現場安裝

弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下。

9結語

1)電弧光保護係統的減少了礦山電網係統中的安全隱患，降低了因短路故障造成的設備損害和人員傷(shang) 害，提高了礦山企業(ye) 的經濟效益。

2)能夠快速定位短路故障點，在短時間內(nei) 快速切除故障，大限度縮小礦山停電範圍，保證供電係統的穩定可靠運行，使礦山生產(chan) 能夠正常有序進行。

3)目前某礦存在大批設備老化現象，礦山開關(guan) 櫃也不例外，由於(yu) 近些年礦山趨勢的低穀，使得資金以及技術更新都得不到支持，這種背景下，如果低價(jia) 的國產(chan) 電弧光保護裝置能夠及時開發，既可保證礦山設備以及人員的安全性，又能夠合理控製礦山預算成本，在保證安全的基礎上實現具有高的經濟和社會(hui) 效益。

參考文獻：

[1]王玉晴.煤礦高壓開關(guan) 櫃中電弧光保護裝置的研究．

[2]魯普天.智能變電站繼電保護裝置自動測試係統設計與(yu) 實現研究[J]．通訊世界，2017(10)：191192.

[3]hth下载地址企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) 2022.5（版）.