基于RTDS的中压母线弧光保护试验研究

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（宁波电业局，浙江宁波351000）

基于RTDS的中压母线弧光保护试验研究

丁北平，吴英俊，陈琳灿，林钧，姚一军

（宁波电业局，浙江宁波351000）

为实现中压母线的快速保护，根据现场变电站运行参数，用RTDS仿真试验系统连接开发的中压母线快速弧光保护装置，构建了中压母线电弧光保护实时闭环系统模型。通过设置不同类型的故障点模拟中压母线的各类故障，录波并分析保护的动作行为，研究弧光保护作为中压母线快速保护的可行性，并验证了其满足保护选择性与灵敏性的设计初衷。

中压母线；弧光保护；选择性；RTDS

在国内电力系统中，中低压母线目前没有全面配置母线保护，母线故障均靠上一级保护装置的后备保护来切除，如降压变电站中利用主变压器保护中复合电压过电流来切除中低压母线上的故障。为了和中低压系统馈线保护在选择性上的配合，往往带着很大的延时，所以不能快速地切除中低压母线上的故障，无论是对中低压配电装置本身还是对上一级设备造成的冲击和损坏都很大，因此完全有必要采用一套快速保护来保证中低压配电设备的可靠运行。

RTDS是由加拿大曼巴托尼直流研究中心推出的电力系统实时数字仿真系统。利用RTDS实时数字仿真平台，建立继电保护装置数字动模系统，开展继电保护装置的数字动模试验研究，可以全面考核继电保护装置在实际工况下的整体性能。为此，采用RTDS系统对中压母线弧光保护进行了动模试验。

1 中压母线弧光保护

1.1 传统电压母线保护的不足

（1）统计表明中压开关柜故障多数是由馈线路故障发展至母线故障，多发生在开关柜的电缆室和开关室，需要有选择性的保护。

（2）开关与TA（电流互感器）间是传统保护的死区，开关柜内大半空间位于此，要实现此处的保护要有除电气量外其他信息量加入，而差动保护方案将扩大停电范围。

（3）馈线电流保护闭锁式母线保护，需更换原有馈线保护，且死区故障同差动一样会扩大停电范围。

（4）差动保护的安装需更换馈线TA，成本高施工困难。

1.2 电弧光的保护原理

引起开关柜弧光短路故障的原因很多[1-3]，主要有：绝缘故障、载流回路不良、外来物体的进入、人为操作错误、系统故障等。

弧光能加热周围的空气，开关柜内会发生空气膨胀并产生巨大的压力。弧光会在开关柜内燃烧，燃烧的气体和热量会爆散到周围环境，弧光能融化和蒸发金属。弧光短路直接的表现形式是起电弧燃烧。开关柜发生内部弧光故障产生的短路功率可高达8～60 MW，电弧燃烧产生的巨大能量所造成的故障效应包括压力效应、燃烧效应（热效应）、辐射和声响效应，如不及时切除，将造成设备及整个变电站重大损失。

弧光保护系统通过检测开关柜内部发生故障时发出的弧光和电流突变量来判断是否发生故障。在同时检测到弧光和电流突变时发出跳闸命令，只检测到其中之一时发报警信号，其原理如图1所示。

2 中压母线弧光保护方案

2.1 中压母线电弧光保护系统方案

针对某终端变电站的双端电源单母分段接线，提出了母线弧光保护接线及动模方案见图2。

该方案中构成的组件包括主控单元、电流单元、弧光扩展器、弧光单元、弧光传感器等，各构件主要功能及其输入、输出节点在文献[1]中有详细阐述。试验中设置F1，F2，F3，F4等4个区内故障点，其中F1，F3，F4为保护动作边界条件，观察保护动作行为及动作时间。另设置F5与F6 2个区外故障点，试验保护的动作状况。

2.2 保护动作逻辑

（1）10 kV进线断路器F1点瞬时性故障，包括相间短路、两相接地、三相短路等（下同），电弧光保护系统探头1发出弧光信号，进线测得电流互感器过流，保护动作条件满足，跳BRK2；若保护动作后故障未切除，失灵保护动作，跳BRK1。

（2）10 kVⅠ母F2点瞬时性故障，保护动作条件满足，跳BRK2；若保护动作后故障未切除，失灵保护动作，跳BRK1。

（3）F3点瞬时性故障，探头3发信号，母联处弧光单元收到主变低压侧过流信号，弧光单元动作跳BRK3。动作后故障未切除，母联弧光单元经失灵延时1动作，跳BRK2。保护动作后故障仍未切除，母联弧光单元经失灵延时2动作，跳BRK1。

（4）10 kV出线断路器F4点瞬时性故障，探头4发信号，出线弧光单元收到主变低压侧过流信号动作跳BRK4。动作后故障未切除，出线弧光单元经失灵延时1动作，跳BRK2。保护动作后故障仍未切除，出线弧光单元经失灵延时2动作，跳BRK1。

（5）10 kV母联断路器合位，10 kVⅡ母线区外F5点瞬时性故障，无探头信号，保护不动作。

（6）10 kV出线区外F6点瞬时性故障，无探头信号，保护不动作。

3 RTDS建模与数据分析

3.1 RTDS建模

本次动模试验结合实际变电站运行数据建立系统模型：系统电压115 kV，系统容量150 MVA；进线变压器为Yd11联接，50 MVA，110/10.5 kV；系统负荷3 MW/0.3 Mvar；中性点经消弧线圈接地方式，故障点设置如图2所示。

由于中压母线2回进线具有对称性，本次集中在进线1和Ⅰ母侧进行电弧光保护试验，试验结果亦可以推导到Ⅱ母侧。试验时的运行方式为变压器1供电，母联合位。当区内故障时，失灵保护动作联跳变压器高压侧时间整定为0.3 s；出线及母联失灵联跳进线断路器时间整定为0.2 s。

3.2 数字动模试验及分析

如前所述，中压母线电弧光保护系统区内故障包括F1，F2，F3，F4四个故障区域，其中F1，F3，F4又分别为保护动作的边界条件。对于边界条件F1又可以断路器动静触头为界进一步分为断路器进线变压器侧故障与断路器母线侧故障，F4故障可细分为断路器母线侧故障与断路器出线侧故障。对于F3按故障发生在母联断路器与TA之间位置不同又可分为：故障发生在母联TA前面；故障发生在母联断路器和TA之间；故障发生在母联断路器之后。试验数据与分析如下：

（1）区内F2处设置各类型故障，比如AB相间故障，得变压器低压侧母线进线处电压和电流故障波形及断路器跳闸信号见图3，其中X1跳110 kV断路器信号；X2跳10 kV进线开关信号；X3主控单元跳母联信号；X4弧光单元跳母联信号；X5跳10 kV出线开关信号；X6时间记录参考信号，fltstart故障记录起始信号；BRK1-110 kV断路器跳闸信号；BRK2-10 kV进线断路器跳闸信号；BRKBB2-母联断路器跳闸信号；BRK4-10 kV出线断路器跳闸信号。

同理可得F2处其他不同类型故障故障波形及跳闸信号，当F2处发生各类型故障时，电弧光保护均瞬时发出进线断路器跳闸信号。

（2）F1处故障以断路器上、下触头为界考察两处故障，上触头端故障即BRK2变压器侧故障，波形及动作时序见图4。下触头端故障即BRK2母线侧故障，波形及动作时序与图3相同。

由图4可得，进线断路器处故障，探头1发出弧光信号，同时进线TA过流，弧光保护跳闸，跳开进线1断路器，同时启动失灵信号，由于故障位于断路器变压器侧，所以故障仍存在，弧光保护经设定延时跳变压器高压侧断路器。F4处故障类似于F1处故障，对于进线断路器出线侧故障，弧光保护跳馈线断路器，母线故障保护动作跳进线断路器。

（3）F3处考察发生在母联TA前或位于母联断路器和TA之间2个位置的故障。母联处探头3发出信号，进线处TA过流，母联断路器跳闸，同时启动失灵保护，由于进线断路器过流均存在，所以失灵保护跳进线断路器。当母联断路器Ⅱ母侧故障时，弧光保护跳母联断路器。

（4）当F5与F6试验区外故障时，2处故障点均无弧光信号，结果在各种故障类型下，中压母线弧光保护均未动作。

4 结论

通过对中压母线弧光保护建立RTDS实时模型，并与弧光保护装置联接构成实时闭环测试系统。对各故障点模拟可知，中压母线采用弧光保护可以避免中压母线故障切除时间长，事故影响范围大，由此造成停电时间长、维护工作量大等问题。在当前中压母线缺少主保护、基于电信号的传统保护不能满足电网发展要求的现状下，母线弧光保护应用前景广阔。

[1]李从飞，陈凡，鲁雅斌，等.DPR360ARC弧光保护系统设计[J].电力系统保护与控制，2010,38（12）:125-128.

[2]SVEN WOLFRAM，LAURI KUMPULAINEN，TONI HARJU.High Speed Protection Concept to Minimize the Impacts of Arc-Flash Incidents in Electrical Systems of Ships[M].

[3]LAURI KUMPULAINEN，SAMUEL DAHL.Minimizing hazard to personnel,damage to equipment,and process outages by optical arc-flash protection[M].

[4]张延鹏，振宏，宋卓然，等.基于RTDS母差保护装置的数字动模试验研究[J].东北电力技术，2007（10）:1-3.

[5]周巍，张沛超，杨星星，等.基于RTDS的微机保护实时闭环数字仿真系统[J].电力系统保护与控制，2010，38（16）:127-130.

（本文编辑：杨勇）

美开发出从海浪获取能源的纳米摩擦发电机

美国佐治亚理工学院的科学家开发出一种利用海浪发电的纳米摩擦发电机。研究人员称，这种发电机结构简单、廉价易用，可昼夜无休地持续工作。摩擦发电效应是两种材料接触和分离产生电荷的一种现象，此前曾开发出一种能为手机电池充电的固体摩擦发电机。而新研究面临的问题是，如何让摩擦发电在潮湿如海水的环境中产生？

研究人员发现，摩擦发电现象并不限于固体之间，它同样存在于液体环境当中。唯一的要求是，两种物质特定的电子能水平足够接近。对水而言，它所需要的仅仅是一个适合的“拍档”。通过实验，他们发现一种特殊的塑料或能当此重任。作为原型，研究人员制作了一个绝缘的塑料容器。这个容器有盖和底，上面安装了由铜片制成的电极。他们的系统之所以能够成功，是因为其盖子内部涂有一层纳米级、微型金字塔状的聚二甲基硅氧烷（PDMS）。而容器中则装满了去离子水。当盖子下降时，这些微型金字塔就会与水发生接触，一批聚二甲基硅氧烷原子就会被电离，从而产生负电荷；与此同时，水面上也会相应产生正电荷。当聚二甲基硅氧烷层离开水送出电荷后就完成了一个完整的摩擦发电过程。其原理是利用了聚二甲基硅氧烷与水之间的电位差。选择聚二甲基硅氧烷的原因，是其优良的疏水性减少了水的附着，独特的金字塔外形更易让水脱落。当置于海水中时，该装置会随着波浪，周期性地上升与下降，其中的电极与整流器和电容相连，产生的直流电能够点亮60盏LED灯。研究人员称，该装置具有广泛的应用价值，由于对温度敏感可将其作为一种温度传感器；如将其他传感器附着在上面，它也能为生物分子传感器和化学传感器的设计提供更多的想象空间。

摘编自互联网

Experimental Study on Arc-flash Protection of Medium Voltage Busbar Based on RTDS

DING Bei ping，WU Ying jun，CHEN Lin can，LIN Jun，YAO Yi jun
（Ningbo Electric Power Bureau，Ningbo Zhejiang 351000，China）

In order to realize the fast protection of MV（medium voltage）busbar,RTDS simulation test system is connected to the developed arc-flash protection device of MV busbar in accordance with operating parameters of field substation to establish the real-time closed-loop system for arc-flash protection of MV busbar.By setting different types of fault locations,various faults of MV busbar are simulated.The waves are recorded and action behavior of the protection is analyzed.The feasibility of arc-flash protection as fast protection of MV busbar is investigated，and the original intention of the design to meet the protection selectivity and sensitivity is verified.

MV busbar；arc-flash protection；selectivity；RTDS

TM773

：B

：1007-1881（2013）11-0073-04

2013-08-13

丁北平（1982-），男，山东青岛人，硕士，工程师，从事电力系统继电保护设计研究工作。