智能电弧光保护系统配置方案探讨

沈海泓，曹新宇，冯任卿，张 郁，李云玲

（1.国网河北省电力公司，河北 石家庄 071000；2.河北省电力勘测设计研究院，河北 石家庄 071000；3.国网石家庄供电公司，河北 石家庄 071000）

0 引 言

2014年2 月以国网石家庄供电公司申报河北省电力公司《新型配网开关设备防护技术的研究和应用》科研项目作为背景，通过对新型配网开关设备防护技术进行研究，并在石家庄奥北公元小区主配电站开关柜进行弧光监测保护的应用，探讨了在各种主接线方式下电弧光保护系统的配置方案，力求用最小的成本和最简单的接线达到保护配电装置安全运行的最大要求，以期得到更广泛的应用。

目前国内电力系统的中低压母线没有全面配置专门的母线保护，母线故障的切除均靠上一级配电设备保护装置的后备保护来切除，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，导致在故障发生时任其自由发展成为更大的故障。这种发展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是很大的，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。以往的母线保护基本上基于电流差动原理而设计，接线方式复杂，成本较高，运行维护工作量大，其原因是在中低压系统中没有大范围配置母线保护。随着中低压配电装置柜式化的普及应用，开关柜体越来越小型化，配电装置之间的间距也越来越小，在柜体内产生短路故障的因素也更加复杂，因此快速切除开关柜体内的故障以缩小故障范围已迫在眉睫。电弧光保护系统正是基于开关柜内故障时产生弧光这个思路而设计的一套母线保护系统，我国国内目前应用中仅三、四种产品，并没有引起电力生产、传输及使用单位的重视，所以在技术规范上没有统一标准，在针对各种中低压母线接线方法做出的各种配置方案也都不同，甚至很多配置方案并不能满足中低压母线运行方式改变的需要，在一定的条件下根本不能快速切除母线上的故障，安装的系统形同虚设。本文以保定市尤耐特电气有限公司的UNT－EAP智能电弧光保护系统为例，探讨一种能满足各种运行方式下的配置思路，使电弧光保护能达到最大应用效应。

1 智能电弧光保护的原理

智能电弧光保护的原理如图1所示，主要动作依据为故障时产生的两个不同因素：弧光和电流增量。当同时检测到特定强度的弧光和电流增量时系统发出跳闸指令，并可显示发生故障的位置。

图1 智能电弧光保护逻辑原理示意图

2 电弧光保护系统的基本构成

2.1 主控单元

主控单元负责管理和控制整个电弧光保护系统，它通过检测故障电流和来自弧光采集单元的动作的光信号，对它们进行处理、判断，在满足跳闸条件时发出指令以切除故障。主控单元有3路光信号输入和A、B、C三相保护电流采集。光输入口用来接收弧光采集单元的光信号，电流采集需要接入进线柜保护电流回路。装置有两路快速继电器跳闸出口，一路报警信号输出，一路装置异常检测出口，一路断路器失灵出口。另外主控单元通过RS485接口与上位监控系统通讯。

2.2 弧光采集单元

现场安装过程中需要使用采集单元和主控单元配合使用，每个弧光采集单元具有8个弧光检测接口用于连接弧光探头，采集单元之间通过光纤集联，无限扩展弧光探头采集数目。所接弧光探头的感光强度可以在1Klux到499Klux之间调节，当它感受到过弧光后向主控单元发送弧光动作光信号。

2.3 弧光探头

专用于母线保护的无源弧光探头安装在开关柜的母线室内，是探测弧光的感应元件。330°大角度采集弧光信号，保证了弧光动作的可靠性。

3 智能电弧光保护系统配置方案要求

智能电弧光保护系统由弧光保护主单元和采集单元配合完成保护系统，根据电力一次系统配置要求，弧光保护主单元与采集单元所需要的数量不同。

以下是最常见的主接线系统，对于不同的主接线系统的配置方案均达到完善的保护功能。

3.1 单母线进线系统

单母线进线系统在工厂配电系统和热电厂变电所很常见，由一条进线和数条出线组成，只有一台变压器的终端变电所多采用这种方式，接线和运行方式都很简单。常用单母线系统正常运行时由工作电源进线供电，典型接线如图2所示。

在这种接线方式下，需要一个主控单元，采集单元的数量由现场开关柜间隔的数量决定，当间隔数量≤8个，仅需要一个采集单元即可。由于采集单元最多支持8路弧光采集输入，所以采集单元的配置数目为间隔数量／8，如有余数路，采集单元数量增加一个。弧光探头的配置数目与开关柜间隔数量一致即可。

图2 单母线系统接线示意图

在老挝HONGSA3X626MW电站项目1#机公用段的实际应用中，现场有28面高压开关柜，一路工作电源进线。现场配置方案如下：工作电源进线安装一台弧光主控单元；4台采集单元均匀分布在其余27面开关柜中的3面上；每个间隔单元的母线室均配备一个弧光探头共28个。主控单元数据通过IEC103通讯协议上传到厂用电监控系统。

3.2 单母线系统（一工一备）

单母线系统在工厂配电系统和终端变电所很常见，由两路工作电源进线、多路出线及用电设备组成，只有一台主变压器的终端变电所多采用这种方式，接线和运行方式都很简单。在火电厂中高压厂用电系统也常用单母线系统，正常运行时由发电机通电高压厂变供电，起备变给厂用电系统提供另一路电源。典型接线如图3所示。

图3 一工一备单母线系统接线示意图

在这种运行方式下，需要两个弧光保护主单元，采集单元的数量由现场开关柜间隔的数量决定，当间隔数量≤8个，仅需要一个采集单元即可。由于采集单元最多支持8路弧光采集输入，所以采集单元的配置数目为间隔数量／8，如有余数路，采集单元数量增加一个。弧光探头的配置数目与开关柜间隔数量一致即可。

在酒钢集团宏兴钢铁选烧厂265 m2烧结机烟气脱硫项目的实际应用中，现场有21面高压开关柜，一路工作电源进线，一路备用电源进线。现场配置方案如下：工作电源进线和备用电源进线分别安装一台弧光主控单元；3台采集单元均匀分布在其余19面开关柜中的3面上；每个间隔单元的母线室均配备一个弧光探头共21个。两台主控单元数据通过MODBUS通讯协议上传到集控PLC。

3.3 两段母线带母联运行系统

此运行系统由联络开关（母联）联接两段母线，大多数终端变电所都采用这种运行方式，母联断路器合闸，然后由一台主变带两段母线并列运行，另一台主变备用，只有在负荷高峰期一台主变不满足现场的负荷要求，才会投入另一台主变分列运行。在这种运行方式下可以灵活调整供电功率以满足用户侧的用电要求。典型接线如图4所示。

图4 两段母线带母联系统示意图

在这种接线方式下，主要有两种运行模式，一是两台主变全部投入运行，母联开关在分闸位置，当故障发生在母线某一位置时弧光保护跳开故障母线的进线开关，系统配备备用电源自投功能时还应闭锁备自投动作，防止作用于故障母线；二是母联开关位于合闸位置，一条进线带两段母线并列运行，当故障发生在母线某一位置时弧光保护选择性跳开故障母线的进线开关或者母联开关，以达到最小的断电范围，缩小用户由于大面积停电造成的经济损失。

在这种接线方式下，需要两个主控单元，采集单元的数量由现场开关柜间隔的数量决定，当间隔数量≤8个，仅需要一个采集单元即可。由于采集单元最多支持8路弧光采集输入，所以采集单元的配置数目为间隔数量／8，如有余数路，采集单元数量增加一个。弧光探头的配置数目与开关柜间隔数量一致即可。

广西南丹南冶220 kV变电站三期项目，现场共有33个间隔。2013年10月配置了一套电弧光保护，两路工作电源进线上分别配备一台弧光保护主单元，5台采集单元均匀分布在其余31面开关柜中的四面上；每个间隔单元的母线室均配备一个弧光探头共33个。两台主控单元数据通过IEC103通讯协议上传到厂用电监控系统。

4 结 论

以上总结了电弧光保护系统在各种常用接线方式下弧光保护装置的最优配置方案，弧光保护装置在动作的同时也记录了动作时间、动作值、故障点位置等信息，对于无人值守的变电站提供全面信息，保证系统正确可靠的运行。在不同的现场投入运行过程中，弧光保护系统会发挥越来越大的经济效益和安全保障。

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［3］ 杨建红，张认成，房怀英.Lyapunov指数法在故障电弧早期探测中的应用［J］.电工电能新技术，2008，（2）：55－58.

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