一起弧光保护装置误动导致电气事故扩大的事件分析

张 力

(广州发展电力集团有限公司，广东 广州 510623)

施耐德电气生产的VAMP系列弧光保护被广泛应用于电网和发电厂中压配电系统，改进前的VAMP221型弧光保护由于其探头在配电柜的安装位置，并不能真实反映配电系统发生的电气故障，容易造成保护误动。以下通过一起发电厂6 kV中压配电系统因弧光保护误动导致电气事故扩大事件的分析，论述对VAMP221型弧光保护进行整改升级的必要性。

1 设备概况

佛山恒益电厂6 kV厂用配电系统有厂用6 kV 1A、1B、2A、2B段，6 kV脱硫A、B段，6 kV输煤A、B段，共8段厂用分支母线。母线上6 kV/380 V厂用变压器配置的电气综保装置为金智科技(WDZ-5242)型综保装置。其针对变压器出现的接地、短路等电气故障，投入了“过流一段”保护。该保护的动作逻辑是根据故障发生时的电流大小与作用时间来设置的，属于电量型保护。其动作时间为0.9 s[1]，动作二次电流为4.16 A[1]。

另外，每段分支母线均配置有VAMP221型弧光保护[2]装置。该套装置是一个模块化系统，包括主单元、 I/O 单元(VAM4C)、弧光传感器，主单元安装在工作电源进线开关柜，I/O 单元安装在备用电源进线开关柜，主单元可显示、查询开关柜运行和故障信息。恒益电厂6 kV系统安装的是配套ABB VD4型真空断路器的UniGear-Zs1型中压配电柜。上述8段厂用分支母线的每个UniGear-Zs1型配电柜均装设了弧光传感器。传感器通过 I/O 单元连接到主单元上，每个I/O单元最多接 10 个弧光传感器。当6 kV母线电流大于弧光保护整定电流，且弧光传感器探头检测到有足够亮度的弧光时，弧光保护动作会发出跳闸信号，跳开母线电源进线开关，避免事故扩大。弧光保护主机显示屏上会显示该段母线产生弧光的开关柜编号，便于快速定位故障位置。6 kV输煤A、B段只有工作电源进线开关，没有备用电源进线开关，通过输煤母联开关进行联络，因此只在母线工作电源进线开关柜安装了弧光保护主单元。恒益电厂输煤电气一次系统图如图1所示。

图1 恒益电厂输煤电气一次系统图

2 弧光保护介绍

电弧产生的现象原因及特点：电弧属于气体放电的一种形式，气体放电又分为自持放电与非自持放电两大类。电弧属于气体自持放电中的弧光放电，弧光由发生相间短路或接地短路时的空气电离形成。弧光能通过绝缘物传播，空气会在3 000 ℃时成为导体，而电弧光中的温度能瞬间达20 000 ℃；弧光产生时瞬时功率可达40 MW，电弧光光强度是普通照明光的2 000倍。高温电弧会烧坏设备，从而造成严重事故，所以必须采取措施，迅速熄灭电弧。

VAMP221型弧光保护主要依据配电柜内电气设备发生短路时，产生的短路电流大小及电弧光光照强度，来实现快速故障切除。该保护启动时间为7 ms ；启动二次电流为1 A；电弧光照度定值为6 000～7 000 lx。因此，从弧光保护启动到开关跳闸所用的时间为7 ms(光信号1 ms+过流判断1 ms+输出节点闭合5 ms)+35 ms(VD4型断路器跳闸机械特性所需时间)=42 ms。而综保装置“过流保护”从启动到开关跳闸所用的时间为900 ms(采样判断时间20 ms+输出节点闭合时间5 ms+延时设定875 ms)+35 ms=935 ms。据研究分析，中压配电柜出现电气故障产生电弧后，开关跳闸时间≥100 ms时动力电缆便会燃烧，开关跳闸时间≥200 ms时会导致柜体燃烧及爆炸。因此当中压配电装置出现电弧后，开关跳闸时间必须控制在100 ms以内。

由于弧光传感器能够快速捕捉故障时产生的电弧光，因此动作时间比“过流保护”要快，动作电流比“过流保护”要小。但是弧光传感器的安装位置及弧光探头对光照敏感程度的差异，导致故障切除的准确性存在误差。以下通过一起中压配电柜电气事故，对存在的问题进行深入分析。

3 故障现象

2022年3月2日19:00，恒益电厂1#机组停运检修，6 kV厂用电由启备变供电，6 kV 输煤A段母线正常运行，1#输煤变挂 6 kV 输煤A段母线运行，6 kV 输煤B段母线正常运行，2#输煤变挂 6 kV 输煤 B 段母线运行(见图 1 )。6 kV 输煤A、B段上动力负荷此时均处在备用状态。

19:07发生以下事件：输煤6 kV A段进线开关61SM11弧光保护动作跳闸；输煤6 kV A段母线PT低电压一、二段报警；1#输煤变高压侧开关6SA11过流一段动作跳闸，开关柜下方有烧焦痕迹；1#输煤变高压侧开关6SA11及电缆接线室冒烟。同一时间1#机组主机盘车、EH油备用油泵、主油箱排烟风机电机B、密封油防爆风机B跳闸，化环水处理系统1#除盐水泵A、1#二级清水泵、1#除碳风机跳闸。

现场查看保护动作情况如下：

1)1#输煤变高压侧开关 6SA11 “过流一段”保护动作，动作电流A相为16.65 A(对应一次电流3 300 A)，B相为28.44 A(对应一次电流5 668 A)，C相电流为16.16 A(对应一次电流为3 232 A)，AB 相线电压为9.2 V(对应一次电压0.552 kV)，BC 相线电压为8.53 V(对应一次电压0.53 kV)，AC相线电压为16.83 V(对应一次电压1.01 kV)。根据1#机组故障录波装置录波信息显示，故障发生时最大故障电流A相为21.8 kA，B相为20.8 kA，C相为21.5 kA。由故障录波及保护动作的信息显示，1#输煤变高压侧开关6SA11 出线发生了三相短路，继电保护动作正确。

2)6 kV输煤A段进线开关61SM11弧光保护动作。由于故障点位于1#输煤变高压侧开关6SA11出线部位，不在6 kV母线上，推测弧光保护探头必然感应到了出线部位短路产生的弧光，且事件发生时电流已超过动作值，因此弧光保护动作。

3)6 kV输煤A段母线PT报“低电压告警”，保护动作正确。

4 案例分析

恒益电厂6 kV系统UniGear-Zs1型配电柜中，一次设备主要分布在柜内3个位置：1)电缆出线室(位于配电柜下部)，主要为设备出线动力电缆；2)开关室(位于配电柜中部)，主要为VD4型断路器本体；3)6 kV母线室(位于配电柜中部),主要为6 kV三相母线排。母线室与开关室及电缆出线室有隔板进行分隔，但开关室与电缆出线室是连通的。VAMP221型弧光保护的弧光传感器安装在配电柜上部的母线室与出线室分隔的挡板部位，采用壁挂嵌入式固定，感光部位主要是弧光探头。

从保护动作信息及现场检查情况发现，事件发生的直接原因是6SA11 开关柜封堵不严，老鼠进入电气设备内，从而导致1#输煤变高压侧开关 6SA11 电缆出线部位发生了三相短路。继续进行深入分析后发现，开关室和母线室的隔板并非密封分隔，存在漏光现象。因此，当电缆出线室发生三相短路故障时，产生的电弧光照会通过隔板间隙映射进入母线室，若光照度足够强，便有可能被弧光传感器探头检测到，从而使弧光保护动作。

因此，弧光保护动作的原因：1#输煤变高压侧开关 6SA11 出线短路产生的电弧光通过电缆出线室孔隙及较透明的探头固定支架外罩被弧光探头感应，事件发生时电流已超过动作值，故弧光保护动作跳闸6 kV 输煤A段进线开关 61SM11。6 kV 输煤A段母线失电后，启备变供电电压发生波动，导致部分运行中的380 V负荷(接触器控制)跳闸。

事件暴露了1#输煤变6 kV配电柜弧光保护装置存在问题：弧光探头安装位置不合理，固定探头处存在透光。由于故障点位于1#输煤变高压侧开关 6SA11 出线部位，不在 6 kV 母线上，从原理上分析弧光保护不应该动作，但由于固定探头处透光，探头安装位置又位于母线室与开关室接壤处，因此弧光保护才动作。举一反三，恒益电厂6 kV其余分支母线同类型配电柜弧光保护装置探头安装也存在同样问题。

5 解决途径

事件发生后，从配电柜生产厂家(施耐德电气)了解到，VAMP221型弧光保护目前已进行相应改进[3]。新型号产品分为开关柜内单监视点方案(见图2)及三监视点方案(见图3)。单监视点方案改变了原来弧光传感器在母线室的安装位置，新位置为在6 kV母排的正对面，杜绝了感应漏光现象导致保护误动。三监视点方案是在配电柜内3个不同位置(母线室、开关室、出线电缆室)分别安装弧光传感器，再通过设定相关逻辑来优化弧光保护动作的范围，使弧光保护动作更为准确。恒益电厂受限于目前的生产及设备状况，故单点监视方案比较适合，改进费用及工作量相对合理。

图2 单监视点方案

图3 三监视点方案

根据配电柜生产厂家(施耐德电气)及广东电科院专家建议，采取如下临时措施进行防范整改，避免弧光保护产生误动：1)使用黑色机械密封胶对全部6 kV配电柜母线室的漏光间隙进行遮黑封堵；2)采用黑色电工胶布对弧光传感器透光外壳进行包裹，仅漏出弧光探头嵌入母线室内；3)若分支母线装有快切装置，弧光保护动作信号必须接入快切闭锁，在一次短路故障没有排除的情况下，避免电气设备继续发生二次短路故障；4)对于母线分段联络开关不接入弧光保护动作跳闸的逻辑，更正为弧光保护动作，跳闸母线进线电源开关或备用电源开关，同时跳闸母线分段联络开关。

6 小结

弧光保护测控装置具有非常快的动作速度，对各单元故障清除时间可控制在100 ms以内。配置作用于开关柜内母线接地或短路故障跳闸。因此，在发生配电柜电气故障，以及柜内压力和温度急剧增加前[4]，弧光保护系统就可以发出跳闸指令切除供给的短路电流，使设备损坏及人员伤害的程度减到最小。但恒益电厂发生的1#输煤变过流跳闸事件却反映出其存在的问题：当小动物进入中压配电柜造成出线电缆单相接地后，情况进一步发展为三相短路，本该由变压器配置的继电保护动作跳闸变压器高压侧开关来切除的电气故障，却由于弧光保护误动，使母线工作电源进线开关跳闸，进而造成6 kV母线失电，事故由此扩大。同时还暴露出VAMP221型弧光保护在早期实际使用过程中存在的问题。因此，必须合理配置及安装弧光传感器[5]，完善弧光保护相关动作逻辑及电气闭锁功能，这样才能真正使弧光保护发挥最大作用，切实提高弧光保护的整体稳定性和动作可靠性。