弧光保护在新能源发电中的应用

张炜玮 赵艳 吴忠义

(中机国能电力工程有限公司,上海 200062)

弧光保护在新能源发电中的应用

张炜玮 赵艳 吴忠义

(中机国能电力工程有限公司,上海 200062)

随着科技的进步,人们对新能源发电的研究也在不断深入,在研究新能源发电技术的同时,传统的继电保护装置已经不适用于新能源电力系统,因此,必须要采用更加先进和有效的保护装置。弧光保护系统解决了传统保护易受谐波干扰、动作时间慢的不足,在新能源发电中应用越来越广泛。本文首先简要分析新能源发电的意义,并针对弧光保护的研究现状及其在电力行业的应用进行了简单论述,在此基础上,本文着重分析了DPR360ARC弧光保护系统在新能源发电中的应用,以期能够为同行提供有意义的参考。

弧光保护 新能源发电 应用

1 前言

近年来，全世界出现的能源危机引起了各国政府和人民的关注，人们开始更加注重新能源的开发。目前，欧美等国已经开始大力发展新能源发电技术，我国也在加大科研力量，不断研发新型能源。各种新能源的出现，使得电力系统中的继电保护难以满足保护电网系统的需要，于是，弧光保护系统开始被应用于新能源电网中，大大降低了电网系统的故障损失，提高了我国电网运行的效率和质量。

2 新能源发电对我国电力发展的意义

2.1 提高电网的可靠性

目前新能源发电技术在我国已经取得一定的进展，有的地区已经投入实际应用中。由新能源组成的微电网系统能够提高我国电网的可靠性，并且能够改善电能的质量。我国的经济发展早已步入了数字化的时代，随着各行各业用电量的增大，只有为他们提供优质且可靠的电力供应才能为经济的发展提供保障。大电网在高峰期的脆弱性就会表现出来，而新能源发电能够在一定程度上缓解这种状况，这样不仅节约了成本，还能提供优质可靠的电能，又能避免因超负荷停电带来的经济损失，从而为我国经济的高速发展创造条件。

2.2 有利于扩大我国电网覆盖面

在新能源发电未出现之前，我国利用煤炭、石油和天然气等传统能源的发电方式形成的电网覆盖面受地理环境的制约，使得一部分偏远地区并未实现通电，用电的限制在一定程度上制约了这些地区的经济发展。新能源出现后，可以利用当地的风能或者太阳能等能源来设计合理的微电网系统，在这些地区实现微电网供电。这样在充分发挥我国的资源优势的基础上实现了电力建设的快速发展。扩大了我国整个电网的覆盖面积，使我国电力系统朝着较好的方向发展。

2.3 节约成本,提高安全性

传统的发电方式形成的供电系统一般实行的是远距离的高压输送，这要求必须有一些相应配套的输变电设备，不但占地面积大，而且成本高。而利用新能源中的燃料发电方式可以把电池建在终端用户的附近，一些家用电源甚至可以直接装在居民的家里，这样就大大降低了输送成本。在一些偏远的山区或者海岛等地方就可以直接在当地使用燃料电池发电，从而节约电网的建设费用，降低了供电的成本。另外，传统电网存在一定的安全隐患。如果发生战争或者自然灾害，或者是一些技术上的故障等，这些因素都会造成电网系统的大范围的停电。而利用新能源发电形成的小网络就能避免这些现象的发生，从而提高电网的抗破坏能力，在一定程度上保障电网的运行安全。

3 国内外弧光保护研究现状

随着电力行业的飞速发展，110kV及以上电压等级均已有比较成熟的保护措施，6kV(10kV)到35kV电压等级厂用中压配电开关柜作为供电系统的供电枢纽，在发生内部故障时是否能迅速切除故障，对变电站配电系统的安全运行至关重要，但是按目前的保护方案，35kV及以下电压等级的母线一般未装设母线保护。

中低压母线因其出线多，操作频繁，设备绝缘老化和机械磨损，再加上运行条件恶劣等因素造成其故障几率比高压、超高压母线高得多。长期以来，中低压母线保护一直未得到足够重视，当发生故障时处理方式大多采用带有较大延时的后备保护来切除，有时故障反而被进一步扩大。

电力系统多年的运行状况表明，中低压配电柜内部弧光保护对人身及设备带来极大的损害，各国电力专家已经开始对电弧光故障进行研究。

上世纪60年代，国际上一些先进国家开始了对弧光短路故障的研究，80～90年代已经对这种故障特性有了深入了解，并提出各种弧光短路的防护措施。电弧光保护系统作为一种主动性防护措施在欧美国家的一些电力系统和厂矿企业应用方面已有近20年的历史。

90年代ABB公司开始研发用于开关柜的REA101-107弧光保护产品。较早研发弧光保护产品的国家还有德国、芬兰、澳大利亚等。国外著名的开关柜生产厂家，如ABB、Siemens、Rerolled、Schneider、Moeller等，其低压开关柜中均配套使用了电弧光保护系统。我国的第一套弧光保护装置于1995年配套引进。

3.1 ABB公司弧光保护的研究现状

跨国公司ABB的REA101-107和TVOC-2弧光保护产品，被称为世界上最快的弧光保护系统。发生电弧光事故后，仅需清洁一下机柜就可以恢复使用，基本上不会让弧光对开关柜产生损坏。

ABB的弧光保护动作时间小于2.5ms，使弧光对设备的损害降到了最低，配套的扩展单元可扩大电弧光保护范围。

3.2 芬兰VAMP公司弧光保护的研究现状

VAMP公司主营VAMP221(220)电弧光保护系统、VA1DA弧光传感器，堪称世界上著名的电弧光保护专业公司。该项弧光保护产品，在中国电力市场已经取得不错的成功应用。

3.3 澳大利亚RIZNER公司弧光保护的研究现状

澳大利亚RIZNER公司是杭州瑞胜电器有限公司在澳大利亚注册的公司，提供光电式电弧光保护RIZNER-Eagle-Eyed产品，包括压力式电弧光保护RIZNER-EMD-MC和弧光探头RIZNEREMD-LAD等产品。

Eagle Eye光电式电弧光保护系统号称具有输出跳闸信号速度＜1ms特征，该系统顺利通过国家继电器质量检验中心的检测并满足所有电磁兼容(EMC)标准。RIZNER-Eagle Eye光电式电弧光保护系统，结合中国国情及现场错综复杂的现象多次更新换代，已在中国知名电厂、电力系统、变电站及大型厂矿企业的供电系统中安装应用。其产品还被世界多家著名厂商如ABB、西门子、Alston、GE等所采用。

3.4 德国Moeller公司弧光保护的研究现状

2008年5月由Moeller生产安装在ENERCON的E-82型风机中，用于短路和弧光故障综合保护的装置成功通过试验。

Arson弧光短路故障保护装置能够在1.5ms内判断弧光故障，动作时间远早于可能导致的短路对设备甚至人员造成损害的弧光故障时间。Moeller这一系统提供接触器、开关设备、自动化控制器、监控单元以及限位开关等。还安装了一个Moeller的5.7英寸显示单元，用于模拟显示整个工作过程，使得应用非常简单。德国还拥有ARCON-ABB的ARC Guard System故障电弧保护系统。

3.5 中国弧光保护技术研究现状

中国的第一套弧光保护装置是随着成套设备引进而来，于1995年投运。2009年国华天津盘山电厂进口机组也配有电弧光保护装置。

2008年，中国弘毅电气公司自主开发的DPR360ARC弧光保护系统是国内第一套全自主研发的快速弧光保护系统，率先采用紫外光光纤电弧光传感器，打破了国内弧光保护依赖于国外的局面，开创了弧光保护的自主品牌，在中国市场供货、应用已有3年之余。

南京五石金传感器公司拥有自主开发的紫外光电弧光传感器产品，自2010注册以来开始自主开发、研制、生产、配套各种光学光纤传感器产品，紫外光电弧光传感器是主推产品之一，与中国多家继电保护公司有广泛的合作。

保定尤耐特公司2010年6月发表了电弧光探头专利，2010年11月取得弧光保护的软件平台认证，其弧光保护产品在电力、煤炭、水泥等行业取得应用。

随着电弧光保护技术的成熟，对电弧光认识的提高，新的市场需求不断扩大。

4 电弧光产生原理

通常情况下气体呈绝缘状态，一旦发生电弧放电现象，气体就会变成导电体。当气体原子受到外界大能量的作用，使电子有可能脱离其原子核的束缚而成为自由电子时，气体呈带电的状态，我们把这一过程叫做气体的电离。形成电弧时的电压和电流根据电源阻抗、导电体的间距以及环境中物质成分的不同而有巨大的差异。

事实上，自然界有很多气体放电现象。天空中的雷电闪光就是积累大量电荷的云层聚集时，在高电压、强电场的作用下击穿空气而形成的放电。电弧焊接时，形成强电场击穿空气间隙，产生大电流的空气放电的弧光，致使电极间产生高温，熔化和焊接金属。

在所有电力应用领域，电弧光释放的巨大的能量会产生各种电弧效应，其后果都是不堪设想的。日常生产中产生电弧光的原因主要有：

(1)电路元器件损坏；(2)绝缘破坏；(3)操作或者设计错误；(4)电路过电压；(5)意外短路等等。

图1 DPR360ARC弧光保护系统连接图

5 弧光保护在电力行业的应用

弧光保护在供电系统的应用已日趋成熟，主要体现在开关柜内中低压母线保护、馈线开关柜弧光保护和箱式变电站弧光保护方面。

5.1 中低压母线弧光保护

近年来，因各种原因引起母线故障，导致开关设备严重烧毁，并造成“火烧连营”事故的案例时有发生；主变压器因遭受外部短路电流冲击损坏的事故也逐年增加。为满足继电保护快速性的要求，在中低压母线柜内需配置电弧光保护装置。目前各电网公司在35kV及以下配电柜中正逐步应用弧光保护。

5.2 馈线开关柜弧光保护

馈线开关柜下部的电缆连接头等部位是绝缘的薄弱环节，此处如发生单相对地击穿，鉴于短路电流太小，一般不易启动过流保护；而单相对地击穿很容易发展为两相或三相对地短路，即便此时过流保护动作，设备已经遭到了比较严重的损坏。弧光保护装置系统以检测到电弧光为保护判据，在单相对地燃弧时就对馈线开关发跳闸指令，及早跳闸使故障损失减少到最低，后期一般只需简单的恢复绝缘就能将设备重新投入运行，从而大大减少了停电时间和维修成本。

5.3 箱式变电站弧光保护

箱式变电站柜因其空间狭小加上各类电气设备布置比较紧凑，很容易发生电弧光事故。

在箱式变电站内配置弧光保护系统，当检测到电弧光故障时及时跳闸，极大地提高了箱式变电站的整体安全性。

6 弧光保护在新能源发电中的应用

6.1 DPR360ARC弧光保护系统

由南京弘毅电气公司自主研发设计的DPR360ARC弧光保护系统在国内首次采用紫外传感器对弧光信号进行采集，采用FPGA对光电信号和电流信号进行滤波、编码、传输，采用高速浮点DSP进行对弧光和电流进行双判据判别，使保护动作快、可靠性高，填补了国内中、低压专用快速母线保护的一个空白。DPR360ARC弧光保护系统在跳闸回路采用快速固态继电器，确保系统从检测到出口跳闸时间小于4ms，远快于传统的继电保护装置，对于开关柜的内部弧光故障总切除时间可以控制在50ms(操动机构固有30～40ms时间)以内。

DPR360ARC弧光保护系统由主控单元、弧光单元、电流单元和弧光传感器等单元组成，连接示意图如图1所示：

图2 弧光保护在逆变系统中的应用

6.2 弧光保护系统在新能源发电变流设备中的应用

新能源发电的变流设备一般采用大功率电力电子器件，将直流逆变成符合并网要求的交流。

电力电子器件的工作在开关状态，暂态过程频繁，采集到的电量信号波形复杂，稳定性差。使用DPR360ARC弧光保护系统时，选择只检测弧光信号，在某一大功率器件损坏时，装置直接出口，切断直流电源，在电弧燃烧之前将故障切除、快速消除故障，供电就可迅速恢复，损失也将大大降低。弧光保护在逆变系统中的应用连接图如图2。

用于变流设备的保护时，弧光保护只投入光判据，在每一个开关器件和滤波电感、储能电容处各安装一个弧光探头，当器件损坏而产生闪弧时，弧光保护即可检测到弧光信息，在4ms之内发出跳闸信号，切断直流电源的输入，防止其它器件的损坏从而扩大事故。

6.3 弧光保护系统在新能源发电母线上的应用

与传统发电系统不同的是，新能源发电往往不够稳定：太阳能随着白天黑夜的轮换及云朵的变化而变化；风能更是间歇性的能源，风速时时刻刻在变化。这将导致发电系统中的潮流在变化，甚至方向都有可能改变，如风力发电机组就允许在风速急剧变化时短时进行电动机运行。新能源发电并入传统电力系统给传统的母线保护造成了极大的困难，电压的不稳定和潮流的变化使得电量的采集变得困难。而弧光保护的主判据是非电量，辅助判据是电流突变量，这都不受太阳能或机械能变化的影响。弧光保护在新能源发电母线上的应用连接图如图3所示：

用于保护时，弧光保护投入弧光和电流双判据，在每一个开关柜的母线室安装一个弧光探头，同时采集进线处的电流。当母线产生绝缘损坏或对地、相间放电故障时，保护装置检测到弧光信息和电流突变信息即可在4ms内出口，切断母线的输入电源。防止因为闪弧而烧毁整条母线，甚至波及到电源系统。

7 弧光保护应用于新能源发电中的优势

弧光保护的运用更新了继电保护的内容，与传统的常规保护相比，弧光保护应用于新能源发电中有以下区别和优势。

7.1 提高了继电保护对“四性”的要求

众所周知，电力系统继电保护“四性”要求之间有着复杂的千丝万缕的联系，这四个基本要求之间，有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件和系统情况分别进行协调、计算和选择参数，但却很难达到完善和完美的统一。而弧光保护的特点和固有性能，解决了“四性”中存在的矛盾和问题。这是因为弧光保护创新地把弧光作为判据引入到保护之中，使它与原有保护的各电气量之间的联系甚少，考虑的因素也大为减少。所以，提高“四性”的要求是必然的和完全可以做到的。尤其是传统母线保护，不管是采用固定连接式、母联相位比较式、中阻抗电流差动式，其基本原理大致相同，存在的问题也类似，且投资大、接线复杂，计算、整定、调试麻烦。故在中低压母线上不能得到推广和普及运用。而弧光保护的新概念和新理念，解决了传统保护不方便解决的中低压母线故障问题，必然会得到广泛性的推广和普及性运用。

图3 弧光保护在母线上的应用

7.2 克服了传统继电保护存在的问题

传统继电保护受系统接线方式、短路容量、潮流分布、系统阻抗、大小运行方式的影响较大，整定的灵敏度难以得到保证，特别是在中压系统，负荷大、线路长、阻抗小，保护的整定计算和选择性难以掌控，上下级配合矛盾突出。对如何躲过穿越性故障电流造成的越级跳闸、最大负荷电流及冲击负荷对时限级差的影响、寄生电流对微机保护的干扰方面，起到了至关重要的作用。而弧光保护是独立组成系统，无需考虑相关此类问题，可做到无选择地保护要保护的设备，能快速切除故障、稳定系统。在这方面，弧光保护显示出它的突出优势。

7.3 使继电保护的整定计算趋于简单

继电保护的整定计算是一项复杂的任务，这是由电力系统的结构变化、运行情况的复杂性和多样化决定的。传统保护的故障参数是依据系统实际可能的最不利运行方式和故障类型来计算的，而对于不同作用的保护装置和被保护设备，要求是不同的，这就很难做到满足系统的要求。尤其是发生在中低压开关柜内部的弧光短路故障，由于电弧电阻的原因，短路电流达不到过流、速断整定的动作值而保证正确切除故障，这是很危险的状态，也是传统保护不能解决的矛盾之一。而弧光保护基本上可以不考虑上述因素，弧光采集系统和电流增长率基本上是两个恒定的参数，故参数的选取与系统的诸多因素无关，因此可做到最简洁化。

7.4 改变了不同原理保护装置之间的配合关系

保护装置之间的配合一直是继电保护的老大难问题，它们的配合受工况的限制和制约，在企业用电部门，各种不同的负载特性(如大的冲击性负荷、大型电机、变压器启动)常造成保护的误动和拒动。而弧光保护因自成系统，可无需考虑配合独立完成保护任务。

7.5 缩小了系统时限级差

系统时限级差△t在辐射性网络接线和分散式接线时，一直是难以配合，特别是在馈线保护时限级差上取舍时，各级之间的配合难以满足选择性的要求，而弧光保护用于馈线保护时，此问题迎刃而解，这也是弧光保护带给继电保护的又一贡献。

8 结语

综上所述，新能源发电是我国电力系统的主要发展趋势，因此，为了能够保证我国电力行业的健康、稳定发展，必须要大力推广弧光保护系统，从而降低电力系统出现故障的概率，为我国电力系统的安全运行奠定坚实的基础。

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