母線弧光保護在中低壓開關柜中的應用

更新時間：2022-08-04

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安科瑞陳聰

摘要：電力成套設備快速發展的今天，設備的安全穩定運行至關重要。而隨著電力行業和應用領域的復雜化和深入性,使得中低壓成套開關設備發生故障的可能性也隨之變大。成套開關設備中母線故障產生的弧光將燒壞其他電器元件,從而導致事故擴大,往往造成較大的經濟損失,而母線弧光保護正好解決了這個難題，能夠很好的保護開關設備并降低損失。

關鍵詞：中低壓開關柜；母線弧光保護

0引言

中低壓成套開關柜作為電能生產與分配的基礎設施之一，使用量逐年增加，并且使用場合的復雜性也在增加，使用遵循的規范標準要求也隨著社會的發展而提高。如何保證中低壓開關柜安全可靠運行、降低電氣事故損失越來越多地受到重視。

弧光放電事故是中低壓開關柜內嚴重的事故之一，由于電弧電阻的原因，故障電流往往達不到保護定值而不能迅速切斷故障，或者弧光故障電流達到了保護啟動值，動作時間不能快速切斷故障。

弧光放電不僅會造成停電事故，還會造成設備嚴重損壞和人身傷害事故，帶來不可估量的損失。

1弧光故障事故危害

弧光產生時溫度可達到4500℃，內部溫度可達到10000～20000℃。弧光產生時瞬時功率可達到40MW，弧光光強可超過正常照明光強2000多倍。因此中低壓開關柜內因故障而產生電弧時若不能及時采取合理措施，則會產生諸多危害。

（1）對設備的危害：電弧發生時產生大量高溫高壓氣體，氣體瞬時沖擊波可造成開關柜體變形、破碎；沖擊波爆破震動可造成開關柜劇烈震動，使各連接處緊固件松脫；產生的高溫可引起電纜燃燒、銅排融化、鋁排氣化，甚至將開關柜外殼金屬融化、元器件嚴重損壞并引起火災。

（2）對人的危害：高溫灼傷皮膚；熔化的金屬蒸發并滲入人的皮膚表層造成皮膚金屬化；高強度弧光傷害眼睛，甚至造成角膜脫落；高溫燃燒產生的粉塵和有毒有害氣體損傷呼吸系統；弧光電流作用于人體可使肌肉產生非自主劇烈收縮，也可損傷肌腱、皮膚、血管、神經組織等。

電弧產生的能量與I 2t成指數規律快速上升，其不僅與故障電流的大小有關，還與燃弧時間有關。根據故障點的不同，通常情況下故障短路電流會在幾千安至幾十安，故障若不能及時切除以熄滅電弧，則會產生巨大能量。總之，開關柜發生內部電弧故障，不論是對開發設備還是對附近的工作人員，其危險性都很大。

圖1 電弧能量-時間曲線

因此，很有必要引入快速切除弧光故障的保護系統。安科瑞ARB5系列弧光保護裝置通過弧光+電流雙重判據或弧光單判據啟動保護，其弧光單判據動作時間≤7ms；弧光+電流雙判據動作時間≤20ms，為快速切除中低壓弧光故障提供了技術支持。

2中低壓開關柜弧光保護必要性

國家標準相關規定，110kV及以上的電壓級別的變壓器的熱穩定允許時間和動穩定時間分別是2s和0.25s。一般，在低壓側出口出現短路故障時時間往往超過2s，不能滿足變壓器動穩定時間要求，這樣就會導致變壓器損壞。

為了解決開關柜弧光短路故障問題，可以采取一些常規性防護措施，比如加強開關柜的結構，設置釋放板和泄壓通道將氣流等輸出柜體。但此類措施會提高設備成本，對電力企業的經濟效益帶來影響。

弧光保護相比這些防護措施，可以從根本上限制故障電弧，從而解決開關柜弧光短路故障對工作人員和開關設備的影響和危害。一方面，可以在開關柜耐受燃弧時間內采用中低壓母線保護快速切除故障；另一方面，能減少用戶停電時間，可盡快恢復生產。此外，對于使用年限很長需要進行改造的開關柜，采用弧光保護可合理延長其使用壽命，從而減少對開關設備的投資費用。

3安科瑞ARB5系列弧光保護

安科瑞ARB5系列弧光保護裝置主要由ARB5-M主控單元、ARB5-S弧光探頭及光纖組成。

（1） ARB5-M主控單元特點

1）啟動條件可選弧光單判據或弧光+電流雙判據。其中電流突變量啟動系數可整定范圍為0.05~10In，電流常量啟動系數可整定范圍為0.05~10In。

2）11路可編程跳閘出口。

3）4組3相電流采集。

4）支持20路弧光探頭信號采集。

5）弧光故障點定位。

6）弧光光纖鏈路自檢及裝置異常自檢。

7）4組失靈保護。

8）支持IEC61850，便于組建數字化智能變電站。

（2） ARB5-S弧光探頭特點