新型配电弧光保护装置的研究和应用探讨

摘要： 根据继电保护快速性的要求，提出了通过光纤探头采集配网开关柜故障时产生的弧光放电，再通过保护单元来实现快速的切除开关柜内部故障这一切入点，研究快速切除开关柜柜内短路故障的新型配电弧光保护装置，可以保护配网运维人员人身和开关柜及柜内设备的安全，当现场柜体中因短路故障产生弧光时，能够做到快速判断、切断电源，减少停电范围，提高供电效率，降低现场调试及维护工作量，缩短设备检修及恢复供电时间，提高供电可靠性。

关键词： 配电；弧光保护；装置；研究

导言

长期以来，人们对中低压母线的保护一直不够重视，没有专用保护来快速切除配电站所内部发生的故障，往往使故障发展扩大造成开关设备被严重烧毁，有的甚至发展成“火烧连营”的事故。同时，变电站的变压器由于遭受外部短路电流冲击造成内部损伤的事故也逐年增加，这些配网事故如果处理不当易被扩大发展为输电网或变电设备事故，造成重大的经济损失。究其原因大多是因为配电站所没有装设专用的中低压母线保护，不能快速切除故障造成的。所以，为了保证上级变电站主变及配网开关柜母线开关设备的安全运行，根据继电保护快速性的要求，迫切需要研发快速切除配电开关柜柜内故障的快速保护技术。

研究内容

2.1总体思路

为有效减少电弧损伤，国外对各种燃弧持续时间进行试验并得出对设备造成的损害程度，开关柜可以承受的电弧燃烧时间为100ms，电弧光产生后，其危害程度取决于电弧电流及切除时间，电弧产生的能量与I2t成指数规律快速上升。由于弧光故障在断路器动作前，故障短路电弧是一直在燃烧的，只有在短时间内切除故障才能使设备不遭受损害。若总切除时间大于100ms，轻则设备局部烧损，重则造成开关柜爆炸以及人员伤亡。

目前，国内尚无用于配电开关柜母线的专用保护装置，而用于变电站中、低压母线的保护主要有三种，一种为变压器后备过流保护，典型的保护动作时间1.2s～2.0s；一种为采用馈线过流保护闭锁变压器过流保护，典型的保护动作时间为300ms～500ms；另一种为采用环流原理的高阻抗母线差动保护，典型的保护动作时间为30ms～50ms，考虑到断路器的分闸时间，切除故障时间大于100ms。均不满足小于100ms的工作要求。

从实际应用情况来看，现有的保护方案是显然不能满足快速切除母线故障或保护覆盖范围要求的，变压器后备过流保护动作时间过长，不能起到有效的保护作用，高阻抗母线差动保护范围受CT安装位置的限制，接线复杂，CT要求高，不能保护到发生故障几率较高的电缆室电缆接头处的故障，且总体造价昂贵。迫切需要采用一种新型中压母线保护系统，以解决目前实际运行中由于中低压母线发生故障几率较高、延迟切除故障导致故障发展、扩大，从而造成的巨大的经济损失的问题。

配电弧光保护装置圆满的解决了这一问题，该装置根据检测到的电弧光信号，在短时间内（<7ms保护动作出口）即可切除母线（及馈线）故障，可有效防止35kV和10kV母线和断路器故障引起主变压器损坏事故的发生，保障设备及人员安全，降低损失，现已应用于电力相关行业。

2.2装置构成

配电弧光保护装置是一种快速可靠的专用中低压母线保护装置，它采用检测弧光和过流双判据原理，具有原理简单、动作可靠迅速、对变电站一次设备无特殊要求、适应于各种运行方式、且在各种运行方式下保护不需要切换等优点，为目前发电厂、变电站、工业及商业配电系统380V～35kV中低压母线保护理想的解决方案。配电弧光保护装置是在长期电气自动化产品设计研发的基础上，吸收国外先进技术理念研制的新一代智能型弧光保护产品。主要包括弧光保护主单元、弧光采集单元、馈线保护和弧光传感器等四个单元，分别介绍如下：2.2.1弧光保护主单元

主单元包含有电流检测和断路器失灵保护，它通过检测短路电流和来自弧光传感器的动作信息，并对收集的数据进行处理、判断，发出跳闸信号以切除故障。该装置只要在同时检测到弧光和过流时才发出跳闸指令。在进线断路器未能动作切除故障时，它将启动断路器失灵保护逻辑，发出跳闸指令给上游断路器切除故障。此外，主单元根据采集单元传送来的弧光传感器的动作信息，提供弧光故障点的定位及报警信息。主单元接入若干弧光采集单元，并且可以支持RS485、以太网等多种接口方式，支持Profibus、ModBus、CAN、IEC103、IEC104等多种通讯规约。

2.2.2弧光采集单元

每个采集单元可接入8个弧光传感器。采集单元的地址通过面板进行设定。当系统发生弧光故障时，采集单元收集来自弧光传感器的动作信息并传送给主单元，在主单元上显示采集单元和弧光传感器的地址编号，有利于及时检修和排除故障。

2.2.3馈线采集单元

该单元作为馈线型弧光保护的单元独立使用，每个单元可提供3个弧光采集输入，采用探头方式采集弧光，当馈线柜中发生弧光时跳开该馈线柜中的断路器。

2.2.4弧光传感器

弧光传感器安装在开关柜各间隔室中，可实现对由简单到各种复杂接线中、低压开关柜提供有选择性的保护。弧光传感器作为光感应元件，将检测在发生弧光故障时突然增加的光强，并将光信号转换成电流信号传送给采集单元。

2.3装置功能

配电弧光保护装置是一种快速可靠的专用中低压母线保护装置，它采用检测弧光和过流双判据原理，具有原理简单、动作可靠迅速、对配电站一次设备无特殊要求、适应于各种运行方式、且在各种运行方式下保护不需要切换等优点，为目前电力系统380V～35kV中低压母线保护提供了理想的解决方案，实现了对配网开关设备的弧光故障的监测与保护，保证了电网的安全稳定运行；有效的增强了对变压器、配电开关柜等设备的防护措施，消除了弧光产生故障可能对设备和人身产生的安全隐患：

1）全数字化设计，整定参数时无需拨码开关及电位器等机械元件，精度高，无振动、磨损等隐患。

2）弧光信号可在采集单元之间串行传输，从而使监测点的数量可任意增加，且大大减少了传输光纤的成本。

3）动作判据可设，动作判据可设置为弧光加电流或仅弧光。

4）弧光探头330度大角度采集弧光信号，保证动作的准确性和可靠性。

5）定时发送光秒脉冲信号，检测光纤回路是否有破损及断开等故障隐患。

3.应用情况

基于该研究成果，在石家庄奥北公元小区开闭所安装了14套配电弧光保护装置，目前该配电弧光保护装置运行稳定可靠。配电站开关柜弧光保护系统的投入使用，消除了弧光产生故障可能对设备和人身产生的安全隐患，保护运维人员人身和开关柜及柜内设备的安全，可实现快速切除开关柜本体故障，能在开关柜耐受燃弧时间以内切除故障，从根本上限制故障电弧，将大限度地限制弧光故障对开关设备的损坏，并降低对配网运维人员的伤害。限制开关设备的损坏，即阻断了故障发展的可能性，从而可避免上级变电站主变压器长时间遭受短路电流的冲击而损坏。配电弧光保护装置有效的限制了弧光短路故障损坏开关设备及上级变压器，为电力企业节省了对设备的大量维护费用，各方面提升生产现场的作业水平，达到安全生产的目的。

4.安科瑞 ARB5系列弧光保护的原理及系统组成

弧光保护装置通过弧光+电流突变量双重判据或弧光单判据启动保护，其动作时间为

弧光单判据动作时间≤7ms；

弧光+电流双判据时间≤20ms。

ARB5系列弧光保护装置由ARB5-M主控单元、ARB5-E扩展单元、ARB5-S弧光探头、弧光光纤以及尾纤等配件构成。

型号

主要功能

技术参数

ARB5-M弧光保护主控单元

8组弧光保护

可选配4块采集板，1块采集板可采集5路探头，共支持20路弧光探头直接采集。

亦可选配4块主控板（即可接入4台ARB5-E扩展单元）1块主控板可接收6块采集板的探头，共支持120路弧光探头采集。

4组失灵保护

4组电流回路TA监测

4组三相电流采集

11路可编程跳闸出口

非电量保护

装置故障告警

2路RS485

2路以太网

1路打印接口

1路IRIG-B码对时接口

支持IEC61850、modbusRTU、modbusTCP、IEC103

支持GOOSE输入输出（选配）

ARB5-E弧光保护扩展单元

弧光信号采集

可选配6块采集板，1块采集板可采集5路探头，共支持30路弧光探头直接采集。

模拟状态传输

需要配合ARB5-M主控单元使用

ARB5-S弧光探头

弧光信号监测

点式弧光传感器，可安装于母线室、电缆室或断路器室。

现场调试及工程服务费

视项目情况核价

5.结语

配电弧光保护装置为中低压母线提供了一个理想的防护解决方案，可以保护运维人员人身和开关柜及柜内设备的安全，当现场柜体中产生弧光时，能够做到快速判断、切断电源，减少停电范围，保证了电网的安全稳定运行，有效的增强了对变压器、配电开关柜等设备的防护措施，提升了安全生产管理水平、社会和经济效益及效果显著，具备良好的应用效果和推广前景。

参考文献：

[1]王代远，朱庆洋，李云玲.新型配电弧光保护装置的研究和应用

[2]李从飞；陈凡,鲁雅斌,田伟.DPR360ARC弧光保护系统设计[J]；电力系统保护与控制；2010年12期

[3]徐东晟,邱志人.快速灭弧开关在中压开关柜上的应用[J]；科技与企业；2012年24期

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册2020.06版．

[5]安科瑞用户变电站变配电监控解决方案2021.10

智能弧光保护系统的这几个关键，你搞懂了吗？

弧光保护基本原理就是检查弧光和过流。 电弧光保护系统具备传统低压保护装置的许多功能，并能够记录故障事件和波形，从而为事故的分析提供重要的基础数据。

电弧光保护是一种快速可靠的专用母线保护系统，采用检测弧光和过流双判据原理，具有原理简单、动作可靠迅速、对变电站一次设备无特殊要求、适应于各种运行方式、且在各种运行方式下保护不需要切换等优点，为目前发电厂、变电站、工业及商业配电系统母线保护理想的解决方案。

一、什么是弧光放电？

当两电极间电压升高时，电极最近处空气中的正负离子被电场加速，移动的过程中与其它空气分子碰撞产生新的离子，这种离子大量增加的现象称为电离”空气被电离的同时，温度随之急剧上升产生电弧，这种放电称为弧光放电。弧光放电一般不需要很高的电压，属于低电压大电流放电。

弧光放电产生的条件是小间隙和大电流，如果增加间隙或减小电流，电弧将会消失。

二、电弧光是怎样形成的？

电弧性短路起火：如将两电极接触后再拉开建立了电弧，则维持此10mm长的电弧只需20V电压。 也就是说只要先接触，之后又分开，很可能产生局部温度很高的电弧而成为起火源。按电弧发生的不同部分可分为带电导体间的电弧、带电导体与地之间的电弧和绝缘表面的爬电。

电弧光

1、带电导体间的电弧性短路起火：

短路起火时有两种可能，其一是两导体（如相线与中性线）接触时因短路电流产生的高温，使接触点金属熔化，之后金属熔化成团收缩而脱离接触的过程，这种情况下可能建立电弧。又如线路绝缘水平严重下降，雷电产生的瞬态过电压或电网故障产生的暂态过电压都可能击穿劣化的线路绝缘而建立电弧。电弧性短路的起火危险远大于上述金属性短路的起火危险。

2、接地故障电弧起火 ：

由于接地故障发生的几率远大于带电导体间的短路”所以“接地故障电弧引起的火灾远多于带电导体间的电弧火灾”这是因为“电气线路施工中，穿钢管拉电线时带电导体绝缘外皮之间并无因相对运动而产生的摩擦，但带电导体绝缘外皮与钢管间的摩擦却使绝缘摩薄或受损。另外，发生雷击时地面上出现瞬变电磁场，对电气线路将感应瞬态过电压”此时“芯线上感应的瞬态过电压是基本相同的而电缆梯架则因接地而为地电压”所以，芯线对地的电位差较大。从摩损和电位差大两方面分析，接地故障电弧起火率自然偏高。

3、爬电起火：

爬电是指电弧不是建立在空气间隙中的电弧，而是出现在设备绝缘表面上的电弧。例如电源插头的绝缘表面上的一个或多个相线插脚和PE线插脚，之间的绝缘表面可能发生爬电。

电弧光在中、低压开关柜内产生的主要因素是什么？

▼使用了不良性能的导电体；

▼绝缘材料的损坏（包括：裂痕，进水，老化等）；

▼人体或其他物品意外地接触到带电的物品；

▼操作过程中的失误或者设计或安装错误；

▼元件损坏，没有良好的维修和保养设备；

▼电网结构的改变（系统容量增大、电缆应用增多）。

电弧光事故

三、电弧光的危害

开关设备内部间隔发生故障而产生的电弧光会造成开关设备中的压力和温度迅速增加，如不及时切除、将可能造成以下重大危害：

▼电弧光中心温度（相当于太阳表面温度的2~4倍，约为10000~20000°C过高导致铜排、铝排熔毁气化；

▼电缆熔毁，电缆护套着火；

▼开关设备剧烈振动，使固定元件松脱；

▼使上一级变压器承受近距离短路冲击，故障电流产生的电动力可能导致变压器绕组变形引起匝间短路；

▼故障产生的弧光冲击波以300m/s速度爆发，可摧毁途中的任何物质，若波及站内直流系统导致全站直流失电，将造成无法弥补的重大损失；

▼燃烧产生的有毒气体被人吸入会产生生命危险；

▼高温灼伤皮肤，强光刺伤眼睛；

▼爆破音振损伤耳膜，肺脏；

▼爆炸碎片飞射，造成人员伤亡。

四、电弧光的监测及防护

当低压开关柜发生电弧，可以通过三种不同的设计理念保护操作人员和设备的安全：

改善设备的机械结构，使之能够承受电弧（被动保护）；

设备安装限制内部电弧效应的装置（主动保护）；

设备安装限流断路器。

主动保护有以下两种常见的可行的方法：

1、通过压力传感器进行监测

采用压力传感器作为电弧光探测单元，压力波是装置内出现电弧事故的效应之一，将在电弧出现后的10-15毫秒后出现，可以安装一些压力传感器用于探测压力峰值。当内部的压力达到设定值时，电弧监测装置发出动作指令，控制开关器件动作。但是要预先确定电弧在柜内产生的过压值并非易事。

2、通过弧光传感器进行监测

采用光纤传感器作为电弧光探测单元，弧光监测器的操作逻辑如下：电弧现象会产生强烈的光辐射，因此柜体内出现的弧光可以被弧光传感器探测到当弧光监控系统探测到故障，会发出动作信号给断路器。这种方法的探测反应时间仅为1毫秒。弧光传感器分为可分为电流型和光纤性（可见光和紫外光）其中支持可见光的弧光传感器有比善科技ArcSenor系列弧光传感器。

电弧光保护系统

电弧光保护系统

1、相电流电压采集，主控单元可接入3个电压和3个电流(或者6个电流，即2条线路)弧光信号采集，主控单元可接入12路弧光(温度)等各种输出为20mA的传感器，其中1路可接便携式弧光传感器；

2、6个准双工RS422差分通信接口，速率可达691.2kbps，可最多扩展192个辅助单元；

3、全系统的电压、电流、弧光动作定值和温度的报警设置的管理；

4、具有4个双电子一机械继电器控制输出和1个电子继电器控制输出；

5、无延时情况下，单弧光启动判据时总故障出口时间小于3nis；

6、电流和弧光双启动判据时总故障出口时间小于6ms

全系统的保护动作、告警、波形记录等功能，逻辊均可采用后台软件进行灵活组态；

7、具有传感器、辅助单元及其连接铜缆的连续监测与报警功能；

8、如果电弧光传感器持续动作5s(时间可设)以上，该传感器的功能将从系统中自动退出，并发出故障报警;一旦干扰光线消失，将立即恢复正常功能，故障报警自动复位；

9、支持IRIG-B(DC)或主控单元自同步采样；

10、录波存储:4.8k/s采样条件下可以保存32次持续3s的故障波形。

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