电弧光保护在发电厂厂用电系统中的应用

当金属铠装开关柜内发生短路故障时, 产生的电弧将持续燃烧直到保护动作切除故障。目前市场上的开关柜基本上是按照IEC298标准生产的, 其内部燃弧耐受时间为100ms, 如不能及时切除故障, 电弧将产生巨大的能量, 对开关设备造成严重的损坏, 甚至进一步扩大事故范围, 造成在场人员的人身伤亡事故。而如果要增加开关柜的内部燃弧耐受时间, 必然会大大增加生产成本, 而且也不能从根本上消除弧光的危害。解决电弧光危害的最有效的方法, 是以最快的速度切断故障电源 (不要超过100ms) [1]。本文所介绍的专门针对中低压母线系统的保护特点研制而成的电弧光保护系统, 是中低压母线保护的首选, 目前已在国内外得到了广泛的应用。

1 传统厂用母线保护的不足及电弧光保护的优势

传统的利用变压器后备过流保护作为厂用母线保护的方法, 其动作时间由于受到阶梯配合原则的限制长达1.2s~2.0s;而使用馈线过流功能连锁变压器过流功能的母线保护虽然大大缩短了动作时间 (300ms~400ms) 却仍不能满足时间要求;高阻抗母线保护虽然动作时间快, 但由于保护区域受CT位置的限制也不合适[2];国外还有一些通过检测声、光、压力、电流的组合信号的方法, 实现起来难度较大, 成本也较高, 难以大规模推广应用[3]。

我厂6kV厂用电系统采用芬兰VAMP公司的RHDHG-01型电弧光母线保护系统, 该系统原理简单, 动作迅速可靠, 对开关柜内的短路故障切除时间可控制在100ms以内, 远快于传统的母线保护, 可将故障损失降到最低。

2 系统构成及工作原理

RHDHG-01电弧光保护系统主要由主单元 (VAMP220) 、辅助单元 (VAM12CD) 和弧光传感器 (VA1DA) 等单元组成。主单元主要连接开关柜CT的二次回路、断路器的跳闸回路、告警回路及辅助电源;辅助单元主要连接电弧光传感器以采集弧光信号。主单元和辅助单元之间通过专用的数据线进行通讯。

该系统的主要功能有以下几方面。

(1) 相电流监视功能:过流子单元测量所有接入装置的电流量, 为了获得最佳的动作速度, CT的二次回路可采用三相连接, 只要其中之一超过过流启动值的0.8倍便发出告警信号。

(2) 电弧光检测功能:每一个开关柜的母线室都装有一只电弧光传感器, 用以检测电弧光。当弧光发生时, 传感器将感受到的光信号通过光电转换器转变为电流信号传送给辅助单元。如果使用三相电流测量, 一旦弧光故障发生, 输出接点可在7ms内闭合, 同时, 主单元的控制面板上跳闸灯点亮, 显示哪一个跳闸继电器动作。

(3) 故障定位:进行系统配置时, 会给每个传感器分配一个独立的地址, 当弧光传感器动作时, 传感器的地址会通过辅助单元发送至主单元的寄存器中。通过该地址可获得弧光发生点的位置, 以便快速排除故障。

(4) 断路器失灵保护:在主断路器拒动时发出跳闸指令跳上一级断路器, 提高保护系统的安全性。

(5) 装置自检功能:系统出现故障时, 相应的故障代码会在主单元上显示, 有利于快速查找故障原因, 例如, 代码10、11、13分别表示传感器故障、辅助单元故障及通讯故障。

当开关柜内部发生短路故障时会产生弧光及不同程度的过流。由于电弧光传感器灵敏度很高, 为避免干扰性光源造成保护误动, 本系统采用检测弧光和过流双判据原理, 当过流条件不满足时闭锁电弧光保护, 只有当两个条件同时满足时才发出跳闸指令, 使母线的电源进线开关跳闸切除故障, 从而提高保护动作的可靠性。保护动作原理如图1所示。

3 电弧光保护在广东红海湾发电有限公司6kV厂用电系统中的应用

3.1 本厂6kV厂用电母线电弧光保护的设计

以6kVA段为例。该段共有21个开关柜, 1号柜为工作电源进线柜, 2号柜为备用电源进线柜, 3~21号柜为负荷柜。在1号柜、2号柜各安装一个电弧光保护主单元, 两个主单元之间通过BI/O口 (二进制输入/输出) 的互连传输弧光及过流信息, 二者互为备用。电流信号取自两个进线柜的CT, 采用三相连接;考虑到每个辅助单元最多能接10个电弧光传感器, 本段安装了3个辅助单元, 分别接10个、10个、1个电弧光传感器, 多余的传感器接口留作备用。系统间各元件的连接采用专用的信号电缆, 系统结构图如图2所示。

3.2 定值整定

电弧光保护的过流定值应能躲过本段母线上最大一台电机起动时流过电源开关的总电流值, 以防止电机启动的同时运行维护人员使用光源照射检查母线引起保护误动。

通过主单元面板上的选择开关可选择装置额定电流 (1A或5A) , 在CURRENT模式下设置过流子单元的启动值。6kVA段工作电源进线CT变比为3000/5A, 二次额定电流为5A, 过流值整定为1.5In=7.5A;备用电源进线CT变比为3000/1A, 二次额定电流为1A, 过流值整定为1.5In=1.5A。

3.3 装置调试及运行情况

(1) 弧光传感器的测试。

为了检验传感器正确的动作和数据传输, 试验前先将保护的过流启动电流值加大, 使此启动电流在任何环境下均不会启动, 然后让传感器的感光部分暴露在光源下 (采用一般的手电筒照射即可) , 使传感器动作。这时, 辅助单元上的TEST/ERROR指示灯点亮, 动作的传感器的地址则在主单元上显示出来, 达到精确的故障定位。对6kVA段的每一个弧光传感器都进行上面的测试, 测得从电弧检测到输出接点动作的总响应时间约5ms~7ms。

(2) 整体测试。

恢复保护的过流启动值, 用手电筒照射6kVA段任意开关柜内的弧光传感器, 使其采集到电弧光信号;同时给1号柜进线电弧光保护CT加入二次电流 (逐渐增大直到保护动作出口) , 测试过流动作值正确, 保护动作时间共计75.5ms。可见, 保护切断电源的时间小于85ms, 在使开关柜设备不致受到伤害的范围内。

(3) 运行情况。

本厂电弧光保护在运行两年多的过程中, 图2电弧光保护系统结构图没有出现误动、拒动的情况。偶尔有光线信号超过光线设定值或者电流信号超过过流设定值时, 弧光检测器及过流子单元能正常发出告警信号, 但系统不会输出跳闸信号, 保护正确动作率100%。

4 结语

电弧光保护系统具有原理简单、灵敏度高、动作迅速可靠等优点, 且适用于各种接线方式, 能使开关柜设备的损失降到最低程度, 为发电厂厂用电母线保护及其它中低压母线保护的首选。

摘要：本文介绍了电弧光保护在广东红海湾发电有限公司6kV厂用电系统中的应用, 且通过实际的调试数据及运行情况论证了该保护的必要性与可行性, 表明电弧光保护值得在发电厂及相关行业的中低压母线保护系统中推广应用。

关键词：电弧光保护,母线保护,弧光传感器,应用

参考文献

[1] 蔡彬, 等.开关柜内部故障电弧的在线检测和保护装置[J].电工技术学报, 2005 (10) .

[2] 西安润辉科技发展有限公司.RHDHG-01型电弧光中低压母线保护系统说明书.

[3] Sidhu T S, Sagoo G S, Sachdev M S.Multi-sensor secondary device for detection of low-level arcing faults in metal-clad MCC switchgear panel.IEEETransactions on Power Delivery, 2002, 17 (1) :129~134.