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电弧光保护装置发展状况

文字:[大][中][小] 2017-3-31  浏览次数:694

     摘要:本文阐述了开关柜内部电弧故障的起因、危害、相关标准的具体要求以及电弧光保护在母线保护中的地位和积极作用,同时还介绍了国内外电弧光保护产品的基本状况,给出了电弧光保护产品的分类,分析了电弧光保护产品所涉及的关键技术,系统总结了电弧光保护产品自身及其市场推进中存在的问题,以期为相关部门制订产品标准提供参考、为电力同行全面了解这类产品提供帮助。

      1 概述
  目前国内40.5kV及以下电压等级的配电系统大多为中性点高阻接地系统,开关柜内部或外部单相弧光接地虽不会出现短路电流,但由此引发的弧光接地过电压可达3.5倍相电压,甚至更高[1],由此引发开关柜内部其它相的薄弱环节对地放电从而发展成相间电弧光短路事故的概率很大。在国外,52kV及以下电压等级的配电系统也有中性点低阻接地或直接接地的,那么单相弧光接地直接就是单相短路,若在开关柜内,瞬间就会发展为相间短路或三相短路事故。由于配电系统成本控制及继电保护配置的原因,在开关柜内部发生电弧短路这种小概率事件时往往需要1s以上才能完成故障识别及开断,这已经超出绝大多数开关柜内部电弧故障承受能力的极限。在高能电弧及故障电流长时间的作用下,开关柜自身会损毁,变压器会受到严重冲击或损坏[2],相关的金属材料及绝缘材料会汽化,相邻开关柜也会被火烧连营,高温有毒气体、高亮度弧光或柜体高压燃爆会威胁到邻近人员的身体健康甚至生命安全,给企业带来重大的经济损失并可能造成不良的社会影响。电弧光保护装置也称电弧光母线保护装置,就是针对开关柜内部电弧故障设计的,目的是实现对故障电流及内部电弧的快速识别,以便在最短时间内直接触发电源侧断路器动作从而切除故障,达到保护电力设备及人身安全、降低恢复供电的成本投入、缩短恢复供电的时间的效果,并由此给电力企业或电力用户带来安全效益、经济效益和社会效益。但到目前为止,并没有关于电弧光保护装置的标准公布,所以这类产品呈现出千姿百态、五花八门的现象,其性能的确认还缺乏权威性,没有规范性的型式试验作为依据,一些性能指标都是厂家自我宣传,用户有些无所适从。本文着重归纳和展现目前产品的类别及性能差异,期望为相关部门制定产品标准提供参考,也期望为电力同行全面了解内部电弧故障及电弧光保护产品提供帮助。
  2 开关柜内部电弧故障
  GB3906-19913-35kV交流金属封闭开关设备》参照采用IEC298(1990)1kV以上52kV及以下交流金属封闭开关设备和控制设备》在其设计和结构章节(6.16)对开关柜的内部电弧故障性能作出了规定:当引燃内部电弧时,不应伤及人,同时也不应该影响相邻的金属封闭开关设备的运行。要采取必要的防护措施,保证人身安全,但最重要的是应该避免上述电弧的发生,就是万一发生也能够限制它的持续时间和后果。在其型式试验章节(7.15)将内部故障电弧效应的试验列入了根据供需双方协议进行的试验项目[3]。在其附录A中,规定了试验持续时间:电弧持续时间的选择与保护装置确定的电弧可能的持续时间有关,一般取0.8~1s。在试验具有压力释放帘板的金属封闭开关设备时,仅就验证它对压力的释放阻力而论,电弧持续时间为0.1s一般已足够。
  GB3906-20063.6kV-40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》,修改采用IEC62271-2002003《额定电压1kV以上52kV及以下交流金属封闭开关设备和控制设备》(第一版、即IEC60298的第四版),取代GB3906-1991。标准定义了内部电弧级开关设备和控制设备(IAC),即经过验证能满足在内部电弧情况下保护人员规定要求的金属封闭开关设备和控制设备(3.132)。在其设计和结构章节(5.101)明确了内部故障性能要求:满足本标准要求设计和制造的金属封闭开关设备和控制设备,原则上能够防止内部故障的出现。至少在其整个使用期间出现内部电弧的概率是很小的,但不应完全忽视。因产品缺陷、异常的使用条件或者误操作引起的外壳内部的故障可能导致内部电弧,如果现场有人,会造成伤害。并在其型式试验章节(6.106)将内部电弧试验列入IAC级开关设备和控制设备强制试验项目。标准还列出了内部故障的部位、原因及降低内部故障概率的措施,具体如下:
  表内部故障的部位、原因及降低内部故障概率的措施举例
  
  除采取上表中的措施之外,也可采取其它措施来提高内部电弧情况下对人员更高的防护,这些措施是为了限制此类事件的外部影响。下面是这些措施的例子:
  (1)通过光传感器、压力传感器、热传感器或母线差动保护触发的快速故障排除;
  (2)选用适当的熔断器与开关装置组合来限制允通电流和故障持续时间;
  (3)通过快速传感器及快速合闸装置(灭弧器)把电弧转移到金属短接回路上来消除电弧;
  (4)遥控;
  (5)压力释放装置;
  (6)仅当前门关闭时才允许可抽出部件移入和退出运行位置。
  目前的情况是,第(5)和第(6)条已经在开关柜中普遍采用,第(2)条在熔断器-负荷开关组合电器中普遍采用,第(1)及第(3)条有少量采用。
  在标准的附录A(规范性附录)中还给出了开关柜台内部故障试验方法,并规定了试验持续时间:制造厂应规定试验持续时间,标准推荐1s0.5s0.1s
  目前国内使用的开关柜一般都满足GB3906-1991,新上的变电站在设备采购时要求满足GB3906-2006,例如国家电网公司在设备招标技术条件上直接列出内部燃弧试验持续时间大于或等于0.5s的要求,有少数厂家按1s进行试验。按GB3906-1991型式试验的产品基本未做内部燃弧试验,而按GB3906-2006型式试验的产品必须强制进行内部燃弧试验,由此可见时代发展对开关柜产品安全性提出了更高的要求。但即便如此,型式试验是否按标准严格进行,厂家提供给用户的产品是否是型式试验确认的产品,我们有理由对此持怀疑态度。理由是,在国内过度竞争的环境下用户要求厂家提供的产品价格足够低廉,而燃弧持续时间由0.1s提高到0.2s,设备成本将上升10%,提高到1s设备成本将上升100%[4],这显然存在矛盾。另外,现场事故已经暴露了开关柜在内部故障方面的实际性能[5][6]。用户不得不面对现实:仅依靠开关柜自身能力难以抵抗内部电弧故障破坏性的威胁,必须采取GB3906-2006给出的其它措施来提高内部电弧情况下对人员和设备更高的防护。图1是开关柜内部燃弧试验的现场效果,可见即使是通过燃弧试验的开关柜,在现场运行过程中一旦出现长时间内部燃弧故障,破坏力将是不可估量的。
             
  
  图开关柜进行内部燃弧试验
  中低压配电系统的母线保护方案
  开关柜内部电弧故障发生在开关柜内,等同于母线故障,所以也属于母线保护范畴。而母线故障基本都表现为开关柜内部电弧故障的形式,所以两者的实质内容基本相同。电弧光保护属于母线保护方案之一。
  3.1 变压器后备过流保护方案
  这是目前国内应用最广泛的开关柜母线保护方案,由于考虑到与馈线和母线分段开关的阶梯时差配合原则,以致到进线开关时延已达1.0s~1.4s,甚至更长[4][7]。显然,这个保护方案的突出问题就是快速性严重不够,不能达到开关柜内部电弧故障的有效保护。不仅如此,持续的故障电流对变压器绕组将造成强大的热效应冲击,使配电系统的设备安全面临巨大风险。
  3.2 简易母线保护方案(馈线电流闭锁式母线保护)
  利用微机继电保护采用传统方法识别进线故障电流及馈线故障电流,两者同时存在,则通过馈线继电保护输出信号闭锁进线继电保护,否则开放进线继电保护[8],这是近年来国内外应用较广泛的方案。其典型动作时间300ms以上[4],与变压器后备过流保护方案相比有了很大进步。
  3.3 基于GOOSE的母线保护方案
  智能数字化变电站是建立在一次设备智能化,二次设备网络化,符合IEC61850标准基础上的变电站[9] [10]。基于GOOSE(通用面向变电站事件对象)网络[11],可以获得变电站包括开关量在内的所有信息,通过接口配置、光纤传输及逻辑运算就可以实现母线电流差动保护或简易母线保护方案的功能。由于传统的故障电流识别技术、中间环节的时延,在网络通信正常的前提下此方案的典型动作时间在100ms以上。
  3.4 电弧光母线保护方案
  利用电弧的光特性、热特性、超声波特性或周围气体压力特性来识别内部电弧的存在,作为第一判据;利用母线进线故障电流快速识别技术来判别故障电流的存在,作为第二判据。将上述两个判据进行逻辑组合后直接触发进线开关或母线快速短接开关,达到快速切除或转移内部电弧故障的目的。此方案不与其它继电保护装置发生关联,具有相对独立性,工程量小,典型动作时间约80ms~100ms,特殊的可以达到20ms以内。
  3.5 其它母线保护方案
 包括电流差动保护、电流相位比较式母线保护、方向过流比较式母线保护,高阻抗保护等等[12],这些方案接线复杂、对CT要求高,对馈线较多的中压配电系统来说施工量很大,成本也很高。这类方案的典型动作时间在100ms附近。
 综上所述,从典型动作时间、成本投入及实施效果方面来看,电弧光母线保护方案在目前母线保护方案中占有一定的优势。
  4 国内外电弧光保护产品基本状况
  4.1 国外状况
  上世纪60年代,欧美就开始了对电弧光短路故障的研究,80~90年代已经对这类故障有了深入了解,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保护措施在欧美国家的一些电力系统和工矿企业应用已有近20年的历史。90年代ABB公司研发出REA10系列电弧光保护产品,芬兰UTU公司开发出UTU-Falcon电弧光保护产品,澳大利亚RIZNER公司开发出RIZNER-EagleEye电弧光保护产品。2000年后芬兰VAMP公司推出VAMP220系列电弧光保护产品,ABB公司推出UFES+QRU1基于超快速接地开关的电弧光保护产品,德国TYSEN公司推出AP电弧光保护产品,德国Moeller公司推出Arcon电弧光保护产品。电弧光保护在欧美国家得到了比较广泛的应用,在一些国家甚至已成为中低压开关柜的标准配置[13]
  4.2 国内状况
  我国的第一套电弧光保护装置于1995年配套引进并投入运行2008年南京公司开发出DPR电弧光保护系统,2010年耐特电气公司开发出EAP电弧光保护系统,天威公司开发出APS电弧光保护系统,南瑞电气开发出PCS-9656电弧光保护系统。随后西安等地都有电弧光保护装置出现。值得一提的是国内有厂家的电弧光保护系统,其保护除了触发常规断路器外还可驱动高速限流开断器或快速真空开关,使电弧光故障在10ms内切除成为可能。
  国内电弧光保护装置应用方面,正从发电企业逐步扩展到供电企业。2010年云南电网公司发文关于中低压开关柜加装电弧光保护的通知2011年江苏省电力公司农电工作部发文关于推广使用电弧光保护产品的通知等,正是这种转变的例证。不过由于产品标准及规程的缺失,在供电企业内部该产品应该归口到传统继电保护装置还是开关柜本体保护设备,目前仍需进一步明确。而且在一些用户中仅投运电弧光保护装置而不投其保护输出的现象也不在少数,说明这些用户当心电弧光保护装置一旦误动而导致整段母线失电,责任重大难以担当。

  5 电弧光保护装置分类及关键技术
  电弧光保护装置的基本特点就是快速识别,这包括故障电流的快速识别,也包括电弧光的快速识别。另外一个特点就是快速转移或快速开断,统称为快速处理。于是我们可以将这类产品分为两类:其一是仅注重快速识别的类型,其二是不仅注重快速识别,而且注重快速处理的类型。
  5.1 快速识别类型
  快速识别类型的电弧光保护产品,保护出口作用于常规断路器,即依靠常规断路器来完成故障电弧电流的开断,表2列出了具有代表性的产品。由于常规断路器的全开断时间通常在40ms以上,所以厂家声明的几个毫秒的故障响应时间显得无足轻重。故障响应时间在1ms以下的通常需要采用小波算法或电流变化率算法,在这个时间内,一般无法知道故障电流的稳态值,只能确定有无故障发生。若故障响应时间在2.5ms以上,一般可以采用特殊算法推算出故障电流的稳态值[16]。另外,也有利用电弧电流中三次谐波明显增加的特点或工频变化量突变来识别电弧故障的[14][17]。电弧光保护出口一般可以采用光纤输出或采用固态继电器和常规继电器并联出口的方式。
  从表2可以看出,电弧光传感器的类型比较丰富,具体包括:(1)有源光电传感器,最大感光范围达到50kLux以上,识别弧光的门槛可以大范围调节,以此排除环境光的影响;(2)无源光传感器,包括可见光聚光透镜型传感器+光纤、紫外光纤型传感器、长光纤环路型传感器及长光纤放射型传感器,其优点是避免了有源电路可能受到的电磁干扰,缺点是采光及光传输环节损耗很大,有降低感应灵敏度之嫌,同时传感器价格昂贵;(3)气体压力型传感器,利用了发生电弧故障的隔室气体压力急剧上升的特点。除此之外,目前还有将电弧放电的超声波或弧声监测作为第三判据溶入电弧光保护产品的趋势,这里涉及到超声波传感器
  表具有代表性的快速识别型电弧光保护产品
  
  由于电弧光强度远超过室内普通环境光的强度(办公室日光灯在桌面的照度约为300Lux),电子装置应该有足够的技术手段来排除环境光的干扰,所以传感器本身的滤光不是必须的,除非需要监测比较微弱的弧光现象。
  5.2 快速识别+快速处理类型
  这种类型的电弧光保护产品不仅可以触发常规断路器,而且可以触发特制的快速处理设备,使故障电弧能够在更短的时间内熄灭,见表3
  表具有快速处理能力的电弧光保护产品 

  图2  ABB公司的UFES+QRU1电弧光保护原理示意图及产品照片
  国内某公司的电弧光保护产品改进了ABB的思路,取消UFES,在图2中进线开关CB1及母线之间串联接入故障电流限制器(FCLFault Current Limiter)或直接将CB1更换为专用快速真空断路器。FCL可以在10ms内开断故障电流,快速真空断路器分闸时间约5ms、全开断时间约20ms,产品的电子装置通过专用接口触发FCL或快速真空断路器以达到快速开断故障电弧的目的。这里,快速真空断路器在故障电流暂态过程的初期开断,考虑到直流分量对灭弧室可靠开断的不利影响,需要采用暂态选相分闸技术以保证灭弧室断口内的燃弧时间最短。
  5.3电弧光保护装置关键技术
  经过上述介绍,不难看出电弧光保护装置关键技术主要包括:
  (1)传感器及相关的信号处理技术; (2)故障电流快速识别技术及相应的软件算法; (3)故障电流快速开断设备及相关技术; (4)另外,就是在早期单相弧光接地状态时的预警技术及处理措施; (5)电子电路稳定性设计及抗干扰技术。
  6 结束语
  自从上世纪90年代后期电弧光保护装置引入我国,国内电气工作者就开始对关注此项技术,并逐步完成了自主创新自主开发的历程,目前为止已经形成了一定的市场规模,发挥了积极作用。但存在的问题也很明显,主要表现在:
  (1)缺乏产品标准及规程的支撑,导致用户有些无所适从,已经影响到这类产品的市场前景;
  (2)绝大部分产品的电子装置过于复杂,应根据实际功能的需要尽可能简化,这样才有利于产品可靠性的提高;
  (3)国内外厂家虽然很多,但故障切除目标基本都确定为100ms的时限,关注故障快速开断及故障预警的厂家很少;
  (4)部分用户将保护装置通电运行而不投入保护输出,这种谨慎态度是可以理解的,说明此类产品在技术层面和市场接受度层面还将面临考验。
  总的来看,电弧光保护装置作为中低压母线保护的重要手段,具有不可替代的技术优势及成本优势。同时针对目前存在的问题,不难看出这类产品在技术层面还具有一定的提升空间。(节选来源:《电力设备》)。