应用于110kV变电站的电弧光保护系统

吴海莉，胡发明

(舟山电力局修试工区，浙江 舟山 316000)

目前，110 kV变电站三圈变保护主要包括:差动/速断保护、复压方向过流保护、零序方向过流保护、间隙零序保护、零序过压保护等，而中、低压母线一般不配置专用的母线保护(如35 kV母线发生故障时一般由主变的复压过流后备保护动作来切除故障，整定时间通常约为2 s).随着经济社会的发展和居民用电水平的提高，配电网容量逐渐增大，中低压母线故障对电力系统安全运行的影响越来越严重.从电力系统的运行实况来看，因开关柜故障而引发火灾的事故并不少见，不仅使中压开关设备严重损毁，而且可能损坏昂贵的变压器，造成重大的经济损失［1］.此外，这些事故如果处理不当还会导致输电网故障［2］，危害整个电力系统的安全运行.因此，为了快速切除开关柜故障，防止事故发生，有必要引入适应其故障模式的中低压母线保护系统［3］，以保证输配电网的安全运行.

母线是电力传输的重要组成部分，母线保护的安全可靠直接关系到电力系统的安全与稳定［4］.由于母线发生故障时常会伴随产生电弧光，若不能及时排除母线故障，将给电力系统带来严重危害.光电式电弧光保护系统在同时检测到弧光和电流增量时会发出跳闸指令信号，跳开故障母线的电源回路以切除故障.该方法缩短了切除故障的时间，符合快速切除开关柜故障保护装置的要求.因此，舟山电力局在110 kV南沙变电站35 kV开关柜中安装了一套RIZNER-EagleEye电弧光保护系统，以实现快速切除开关柜故障.

1 电弧光保护的工作原理

电弧光保护系统采用弧光检测和过电流检测双判据原理，当同时检测到弧光和电流增量时发出跳闸指令信号，当只检测到弧光或电流增量时发出报警信号，并不会发出跳闸指令，从而大大减少了由于保护设备的误差而引起的误动作.变电站电弧光保护原理如图1所示.

图1 变电站电弧光保护原理

电弧光保护系统跳闸回路中采用了快速继电器Triac技术，以确保保护系统在1 ms内发出跳闸信号，使开关柜内部电弧光故障总切除时间控制在100 ms以内，而且在外观上无明显损坏.电弧光保护与一般过流保护的时间对照见表1.

表1 电弧光保护与一般过电流保护的时间对照 ms

由表1可以看出，通过检测弧光信号和过电流信号闭锁的双判据原理，实现了保护装置的快速、可靠动作.而且与一般保护相比，电弧光保护可以根据弧光传感器的实际安装位置实现分区保护的功能，弧光传感器可以安装在开关设备的任何位置(一般安装在母线室内，以检测母线故障)，并在主控单元上显示故障发生的位置，缩短了故障处理时间，实现了快速恢复供电.

2 电弧光保护系统的组成

RIZNER-EagleEye电弧光保护系统主要由主控单元、电源模块、电流单元、弧光单元、弧光传感器，以及连接各部件之间的光纤和数据线组成，其结构如图2所示.

该系统的工作过程如下:首先利用电源模块对主控单元、电流单元、弧光传感器、弧光辅助单元进行供电;然后利用主控单元测量电流单元、弧光传感器和弧光辅助单元的数据，当发现电流过大，同时出现弧光现象时，开关动作切断母线，以实现对母线的保护.在其他情况下，认为系统正常，则开关不动作.

图2 电弧光保护系统的结构

2.1 主控单元

主控单元(EagleEye-MU)是电弧光保护系统的核心部件，用于管理、控制整套系统，以及检测故障电流和弧光信号，并对收到的两种信号进行判断和处理.在满足跳闸条件时，发出跳闸指令以切除故障.

主控单元通常安装在母线系统电源进线柜或进线柜旁边开关柜的二次控制室门板上.主控单元有4个数据输入接口，可接24个弧光单元或电流单元;输出接口包括4路快速输出和6路常规继电器跳闸输出;共有4+16个弧光检测接口.当弧光信号输入超过16个时，可采用弧光单元.此外，主控单元根据弧光单元或者弧光传感器输送的信号，能够准确地判断故障点的位置.

2.2 电流单元

电流单元(EagleEye-CR)用于检测A，B，C 3相的过电流信号，同时可匹配5 A，2 A，1 A的电流互感器，并可以通过面板上的电位计进行电流的整定，整定范围为50% ～500%.电流单元检测到的信号通过光纤和数据线传输至主控单元，主控单元依据已设定的逻辑来判断是否发出跳闸指令.电流单元通常安装在电源进线柜内，每个电源进线都应装设一个电流单元.

2.3 弧光传感器

专用于母线保护的无源弧光传感器(EagleEye-FLS)通常安装在开关柜的母线室内，是探测弧光的光感应元件.当发生电弧光故障时，光强度大幅度增加，弧光传感器可以直接将光信号传送给主控单元或者弧光单元.

3 110kV南沙变电站弧光保护实施方案

110 kV南沙变电站35 kV开关柜为单母分段接线，共有10面开关柜，配置一个主控单元，安装在1#主变压器进线开关柜的面板上;2个电流单元，分别安装在1#主变压器的和2#主变压器的进线开关柜内;为了与第1段母线区分和减少光纤的敷设，在第2段母线上装设了1个弧光辅助单元和1个弧光传感器一面柜，弧光辅助单元安装在35 kV母分开关柜内，弧光传感器一面柜安装在母线室内，其电流单元电流整定值为额定电流的2.5倍.35 kV开关柜的第1段和第2段母线弧光保护配置如图3所示.

该弧光保护装置的动作原理如下:当第1段母线发生故障，弧光保护装置检测到弧光信号，且电流单元检测到的主变电流大于整定电流时，保护装置发出跳闸指令，跳开1#主变压器35 kV开关和母分开关，将故障隔离.第2段母线的动作原理也是如此.35 kV开关柜内第1段和第2段母线主控单元逻辑示意如图4所示.

图3 35 kV两段母线弧光保护配置

图4 35 kV两段母线主控单元逻辑示意

4 电弧光保护系统应用中存在的问题与建议

电弧光保护系统是一种新型的保护系统，除了跳闸回路和信号回路采用电缆连接外，其主控单元、电流单元、弧光单元、弧光传感器之间均采用光纤和数据线连接，因此其可靠性较高.但在实际应用中，也存在以下问题.

(1)弧光传感器的校验问题 按规定，当开关柜发生故障拉弧时，其照度约为100 klx，因此在电弧光保护系统投入运行前，应将弧光单元面板上的照度调整为30 klx.但在现场，通常是用手电筒照射来进行照度校验，手电筒的照度、照射距离，以及开关柜的光线对照度测量的影响等都没有测试标准，不便于现场进行标准化校验工作，也不利于维护人员做出精确判断.

(2)电弧光保护系统归口管理问题 电弧光保护系统应属于传统的继电保护装置还是开关柜的本体保护设备，仍需进一步明确.

为此，笔者提出如下建议:一是希望相关保护的测试仪厂家能尽快研制出适用于电弧光保护的校验装置，用于对弧光传感器的校验，以便于维护人员判断保护的正确性;二是建议相关部门参照主变压器非电量保护的管理模式，对电弧光保护系统的归口问题进行划分.

5 结语

随着现代微机和光电子技术的发展，各种新型母线保护原理和装置不断出现，为实现中低压专用母线保护提供了各种解决方案.电弧光保护作为一种针对中压开关柜故障特性开发的中低压母线保护系统，具有原理简单、动作可靠迅速，以及对变电站一次设备无特殊要求、适用于各种运行方式且在各种运行方式下保护装置不需要切换等优点，为用户提供了一个理想的解决方案.

［1］金文龙，陈建华，李光范，等.全国110 kV及以上等级电力变压器短路损坏事故统计分析［J］.电网技术，1999，23(6):72-73.

［2］梁秀红，刘延慧.预防主变压器因外部短路引起损坏事故的对策［J］.科技信息，2007(32):293-299.

［3］潘贞存，王葵，杜世双，等.中低压母线加装专用继电保护的必要性和几种方案的探讨［J］.电网技术，2002，26(9):76-77.

［4］刘蓉辉，熊虎岗.微机母线保护比较及相关问题的对策［J］.华北电力，2009(10):19-21.