浙能阿克苏热电6 kV 母线弧光保护定值整定计算

厉海斌

（浙能阿克苏热电有限公司，新疆 阿克苏 843000）

运行中的电气设备，如产生故障电弧是非常危险的。在实际工作中，很大一部分电气设备运行时故障电弧的产生是由于操作人员的误操作引起的，还有一部分是由设备本身出现严重缺陷或外来物体侵入导致的。弧光保护主要保护范围是开关仓或母线柜内部的电弧短路故障，当故障电弧产生时，短时间内电弧的能量大，且传播速度快，尤其是高压电弧能摧毁其扩展途中的任何阻障物质，只要没有彻底切断提供能量的电源，电弧就会持续存在。电弧故障可能致使设备受到严重损毁、操作人员受到伤害等后果，严重时甚至会危及人员生命[1-2]。为了能最大限度地减少故障电弧的危害，迫切需要一种能快速高效切除故障电弧的保护装置[3]，电弧光保护装置因此应运而生。其能在故障电弧发生时通过快速判别，迅速切除故障点电弧。目前最快的电弧光保护装置能在4 ms 以内切除故障电流熄灭电弧，明显减少了故障电弧的持续时间，可有效降低设备损坏及人员受伤害程度[4]。

1 弧光产生的原因及其危害

1.1 故障电弧产生的原因

有很多原因可能引起开关柜弧光短路故障，主要可以概括为人为误操作、外部物体影响、载流回路故障、绝缘故障及系统原因等5 个方面。

（1）人为误操作。主要指由于操作人员操作失误，如走错间隔、带地线或接地闸刀合闸、未对工作设备进行验电而造成带电合接地闸刀或挂接地线等。

（2）外部物体影响。主要指外部的其他物体进入开关柜，影响其正常运行。如操作人员将维修工具遗落在开关柜内，开关试验后试验接线没有拆除，或者有老鼠等动物进入开关柜内部等。

（3）载流回路故障。主要指发生在载流回路中大电流流过时引起的发热、冒火，从而引起相间或相对地击穿等。这主要是由一些接头的通流截面不够、手车式开关触头接触不良或者紧固螺栓发生松动导致的。

（4）绝缘故障。在强磁场作用下开关柜中绝缘材料自身缺陷，且运行使用年限较长，柜中绝缘可能会发生老化甚至损毁，从而导致故障。此外，开关柜中绝缘材料劣化，绝缘距离不够，未能满足加强绝缘要求，或处在脏污或湿度较高的环境下使用等情况，均有可能导致绝缘故障的发生。

（5）系统原因。系统问题产生的原因比较复杂，电气系统设备运行方式或设备容量的变化，如系统接地方式变化产生的影响，随着设备增加系统应用电缆亦随之增多后的影响，保护配置不当如保护选型、参数设置、级差配合不合理等影响，系统操作过电压，设备选型或系统配置不合理产生的谐振过电压影响等，都会有导致开关柜内产生弧光短路故障的可能。

1.2 故障电弧的特性与危害

中性点不接地的电气系统发生弧光放电方式接地时往往伴随产生弧光过电压，弧光接地经常发生在电气系统或电气设备的绝缘相对薄弱环节，当其中某一相对地产生弧光放电时，导致其他两相的对地电容不断通过电源电感对其进行充放电，因此产生过电压。事实上，当其中某一相导体发生弧光放电时，故障点通过的电流仅仅是其他两相导体的对地电容电流，通过实际测量和试验，维持弧光放电所需电流最大不超过几十A，所以很大可能不会导致保护装置动作切断电源。弧光放电使得电气系统中的参数如容抗、感抗和阻抗因此发生明显变化，很可能造成电气系统某个局部或整个电气系统产生过电压，因而引发事故。实际上受到整个电气回路参数的制约，部分弧光放电事故并不一定就能造成较大的危害。因为，由于自然灭弧条件不足，电弧不一定会在通过高频电流零点时熄灭，发弧未必都会在高频波的幅值发生，此外，线路各相导线间还存在相互电容，系统中也还会有损耗使振荡衰减及电弧中会有压降等，在这些因素的作用下，过电压在多数情况下小于3Uxg，这是供电设施一般都能够承受的。甚至可能，这种故障都不会被察觉，比如，如果是充油电缆发生故障，其在第1 次放弧后即可恢复绝缘，止住放弧。

1.3 故障电弧的危害及防护措施

间歇性电弧的主要危害，其一方面会导致金属性接地，开关跳闸；另一方面，会诱发谐振，进而酿成更大的事故。电弧燃烧是中压母线故障的直接表现形式，造成设备的破坏表现有：故障电弧发生时肯定会有大量高温高压的气体伴随产生，高温高压的气体压力波在有限空间的开关柜内传播时就会产生严重破坏，可造成开关柜的柜体发生强烈震动、固定元件松动脱落，严重时还会造成开关柜变形、甚至炸裂破碎；高温环境下，短时间内就能造成电缆和所有绝缘材料的燃烧，燃烧产生的高温能使导电铜排或铝排烧熔、气化，电缆和绝缘材料燃烧肯定会产生大量有毒有害的浓黑烟气，燃烧后含有大量碳黑甚至气化金属的烟气将以极快的速度在开关柜内迅速扩散，甚至扩散到整段母线，在相关一、二次设备表面造成严重污染，使得设备绝缘大幅度降低，严重时可能造成短路，绝缘值为0。对人员的伤害上来说，电弧光产生的强光会灼伤人的眼睛，其伴随的高温会对人的皮肤产生灼伤，感应电流会对人的肌肉和神经产生损害，同时，高温高压气体产生的压力波造成的爆破压力可能会致使人员坠落或被碎片击伤，爆破时产生的强大声响会使人体耳膜甚至内脏因为巨大震动产生损害，而燃烧中产生的有毒气体还会对人体呼吸系统造成伤害。

设备生产厂家为了降低开关柜弧光短路故障时产生的危害程度，一般选择采取加强开关柜整体结构，或通过设置专门的释放孔板和泄压通道等措施进行防护。这些措施的采用一定程度上能够起到减少电弧短路故障时造成的损害程度，但增加了设备生产厂家的制造成本，使得电力企业采购和使用成本也随之增加。

除了上述这些防护性措施，如果要从根本上解决开关柜弧光短路故障，从而减少其对工作人员和设备装置产生的不良影响和危害，可以考虑从以下2 方面入手，采取更为积极的防护措施。一是在故障电弧产生时应设法降低开关柜内设备的损坏程度，有效减少连锁效应，防止其他设备受到大的牵累损坏；二是在开关柜内故障电弧产生时能有专用的保护快速有效切除故障，可使开关设备最大程度上降低损坏，减少损失。这种积极性防护措施不但极大地减少开关设备损坏而产生的维修费用，并且可以保护附近工作人员免受电弧故障效应的伤害，此外还能降低设备维修难度和减少维修时间，可尽快恢复正常生产，最大限度地减少设备停电时间，降低影响。另外对一些投运时间较长，可能急需更新改造的开关柜，在其开关柜内采用电弧光保护配置后，可以进一步延长其有效使用寿命，降低改造成本，节约费用。

2 浙能阿克苏热电6 kV 母线电弧光保护系统简介

浙能阿克苏热电有限公司是浙江省迄今为止最大的产业援疆项目，位于新疆维吾尔自治区阿克苏市纺织工业城东北部，项目总投资34 亿元，于2017 年5 月24 日全面建成2 台35 万kW 超临界热电联产机组并投入商业运行。每台机组分别配有2 段6 kV 母线，2台机组共配有2 段公用6 kV 输煤段母线。

阿电公司6 kV 母线电弧光保护采用的是杭州瑞胜生产的RIZNER APSII 型电弧光保护装置，为确保保护装置动作的正确可靠，电弧光保护动作由电弧光强度判据和电流判据2 个条件组成，当这2 个条件同时均满足时才会触发保护动作，快速切除对应电源开关或母联开关。6 kV 1A/1B 段、2A/2B 段母线分别配置1 套电弧光保护，出口跳对应段的电源开关且闭锁对应段的快切功能；6 kV 输煤A/B 段母线共用1 套电弧光保护，内部逻辑及跳闸出口是分开的，出口分别跳对应段的电源开关或母联开关。电弧光保护主控单元安装在电源开关柜面板上，每个开关柜及电缆仓内均安装有弧光传感器单元。

RIZNER-APSII 电弧光保护系统由主控单元、电源模块、弧光传感器及光纤等组成。其中主控单元是电弧光保护系统的核心部件。保护装置电流元件和弧光传感器检测到的故障电流和弧光信号通过保护装置的主控单元进行判断、分析和处理，在满足保护逻辑判断时，触发跳闸指令快速启动保护装置动作出口，迅速切除故障。

3 电弧光保护装置定值设定要求和定值设定原则

3.1 电弧光保护装置定值设定要求

电弧光保护装置是近些年来专门针对中压开关弧光短路故障而研发的，我国关于电弧光保护装置主要有以下3 个推荐标准，均是2016 年颁布的，分别为：DL/T1504—2016《弧光保护装置通用技术条件》，NB/T42076—2016《弧光保护装置选用导则》，GB/T14598.302—2016《弧光保护装置技术要求》。在《弧光保护装置选用导则》及《弧光保护装置技术要求》标准中均没有对电流判据作出具体要求。只有在《弧光保护装置通用技术条件》标准的附录D（整定原则建议及运行维护说明）中，对弧光保护整定原则作了推荐性要求，具体描述如下：弧光保护要求必须接入电源开关电流或母联开关电流作为判断依据，弧光保护动作电流整定值应按躲过系统运行中最大负荷电流In来进行计算，建议设置值在1.1 In～1.3 In之间进行选择。

3.2 定值设定原则

弧光强度和电流这2 个判据一般作为电弧光保护动作的必要条件，当这2 个条件同时满足时保护装置才能发出切断对应开关的操作指令，保护装置仅检测到其中任意一个条件时只能发报警信号。其中弧光传感器在每面开关柜内均有安装，弧光传感器监测角度要求大于300°，监测死角尽量要小，光照度整定值可在0.63～22.8 KLux 范围之间调整，要求能可靠躲过柜外强光手电的照度。电流保护电流动作值，一般有以下2种：一是按当时电气回路的系统最大负荷电流来进行整定计算，保护动作整定值要躲过最大负荷电流；二是按当时电气回路的系统最小短路电流来进行整定计算，保护动作整定值应小于两相短路电流或小于单相接地短路电流。

4 阿电公司电弧光保护定值整定

4.1 6 kV 母线参数

4.1.1 机组6 kV 母线

表1 展示了机组6 kV 母线的具体参数。

表1 机组6 kV 母线的具体参数

表2 展示了机组6 kV 母线的短路电流计算。

表2 机组6 kV 母线的短路电流计算 kA

4.1.2 输煤6 kV 母线

表3 展示了输煤6 kV 母线的具体参数。

表3 输煤6 kV 母线的具体参数

表4 展示了输煤6 kV 母线的短路电流计算。

表4 输煤6 kV 母线的短路电流计算 kA

4.2 弧光保护原理及整定原则

4.2.1 弧光保护原理

弧光保护装置作为高压母线的快速保护，采用弧光强度和电流判据，2 个判据同时满足时发出跳闸指令，任何一个满足时仅发出报警信号。

4.2.2 整定原则

依据DL/T 1502-2016《厂用电继电保护整定计算导则》中第8.4 条说明，当火电厂的厂用中压母线采用弧光保护作为母线故障的主保护配置时，其整定计算如下。

（1）弧光保护装置电流定值的设置要求按躲过母线正常运行时电源进线的最大负荷电流来进行整定计算

式中：Krel为可靠系数，取1.1～1.3，本计算取1.2；If为母线正常运行电源进线的最大负荷电流二次值。

（2）弧光保护装置动作时间的定值整定。弧光保护装置的动作时间无需与其他保护的动作时间进行配合，建议在0～20 ms 之间进行选取。

（3）弧光保护装置出口动作方式。保护动作后跳所接母线电源开关或母联开关、有电源快切功能的闭锁其快切功能。

4.3 弧光保护电流整定

4.3.1 机组6 kV 母线

（1）按躲过母线正常运行时电源进线的最大负荷电流整定。

最大负荷电流按与机组6 kV 母线上最大功率电动机启动电流配合计算

式中：IE为高厂变低压侧分支一次额定电流；Kst为电动机起动电流倍数，取6～8，本计算取7；IM.N.max为直接启动最大容量电动机的额定电流，引风机396 A；na为机组6 kV 母线电源进线CT 变比4 000/1。

故Iop=1.2If=1.2×1.28=1.53 A，取1.5 A，对应一次值为6 000 A。

（2）弧光保护中的设定值是以开关CT 二次额定值的倍数来设定的，主机6 kV 段进线电源开关CT 变比为4 000/1，CT 二次变比为1 A，故弧光保护中电流整定倍数为1.5。

（3）动作时间：采用弧光保护快速出口接点，无延时。

（4）动作出口：

6 kV 1A 段母线弧光保护动作跳6 kV 1A 段工作电源开关（6 kV 1A 段备用电源开关），并闭锁6 kV 1A 段厂用电快切装置；

6 kV 1B 段母线弧光保护动作跳6 kV 1B 段工作电源开关（6 kV 1B 段备用电源开关），并闭锁6 kV 1B段厂用电快切装置；

6 kV 2A 段母线弧光保护动作跳6 kV 2A 段工作电源开关（6 kV 2A 段备用电源开关），并闭锁6 kV 2A 段厂用电快切装置；

6 kV 2B 段母线弧光保护动作跳6 kV 2B 段工作电源开关（6 kV 2B 段备用电源开关），并闭锁6 kV 2B段厂用电快切装置。

4.3.2 输煤6 kV 母线

（1）按躲过母线正常运行时电源进线的最大负荷电流整定。

最大负荷电流按与输煤6 kV 母线上最大功率电动机启动电流配合计算

式中：IE为输煤6 kV 电源进线一次额定电流；Kst为电动机起动电流倍数，取6～8，本计算取7；IM.N.max为直接启动最大容量电动机的额定电流，考虑2 号皮带机与碎煤机同时启动，总额定电流为57.6+34.5=92.1 A；na为输煤6 kV 电源进线CT 变比800/1。

故Iop=1.2If=1.2×1.44=1.73 A，取1.7 A，对应一次值为1 360 A。

（2）弧光保护中的设定值是以开关CT 二次额定值的倍数来设定的，输煤6 kV 段进线电源开关CT 变比为800/1，CT 二次变比为1 A，故弧光保护中电流整定倍数为1.7。

（3）动作时间：采用弧光保护快速出口接点，无延时。

（4）动作出口：

6 kV 输煤A 段母线弧光保护动作跳6 kV 输煤A段电源开关及6 kV 输煤A 段、B 段联络开关；

6 kV 输煤B 段母线弧光保护动作跳6 kV 输煤B段电源开关及6 kV 输煤A 段、B 段联络开关。

5 结束语

火电厂一般配有较多的中压开关设备，近些年来，中压开关及中压母线一般均要求配置弧光保护装置作为其故障的主保护，保护动作对象就是短时内有较大能量产生、爆发速度极快及破坏力惊人的电弧短路故障，只要故障点电源没有切断，弧光破坏就会持续存在。其释放的破坏能量与电弧持续时间成正比，因此要想最大程度降低损失，时间是最主要的因素。因此对弧光保护装置而言，其保护动作出口至故障点电源切除的动作时间越短越好，不应采用延时方式。电流是弧光保护2 个条件的组成之一，是弧光保护装置最主要的判据，对其可靠性要求非常高。按电气回路中系统最小短路电流来对弧光保护的电流设定进行整定计算时，经常因为电气系统各回路阻抗计算较为复杂，要非常精准计算最小短路电流值来进行整定相对比较困难。但是如果按电气回路中系统最大负荷来进行整定计算电流，只需按整定标准规定的系数上限值来进行整定计算就能满足规范要求，相对还是一种比较简单、可靠且稳妥的方法。