目前，電力系統中除了220kV及以上電壓等級變電站的低壓側母線按要求裝設母線保護外,110kV及以下電壓等級變電站的35kV及以下電壓等級的母線并沒有裝設母線保護。由于各種原因,中低壓母線的故障幾率相當高,但是長期以來,一旦母線上有故障,只能由帶有較長延時的后備保護來切除中低壓母線故障,無法快速切除母線故障。所以經常出現因為中低壓母線故障持續時間過長而導致故障擴大,開關柜內的母排及其他設備燒毀,甚至發生爆炸的情況,危及臨近設備及人員的。統計數據顯示,主變外部斷路器故障產生的電動力易使主變繞組變形而損壞,造成巨大的經濟損失并嚴重威脅電力系統的穩定運行。為保護變壓器及母線設備的穩定運行,降低母線故障時設備的受損程度,電力系統迫切需要一個經濟、可靠的中低壓母線保護解決方案。而在眾多的備選方案中,電弧光保護系統是一個理想的解決方案。

1電弧光保護工作原理

       母線設備發生故障時將出現大電流并產生高達數萬勒克斯的弧光,電弧光保護根據故障時產生的弧光及大電流來實現保護功能。電弧光保護通過弧光探頭或者弧光傳感器來檢測弧光,同時通過一個過流元件來檢測電流,當檢測到弧光信號且過流元件動作時,保護動作并發出跳閘命令切除其所保護母線的電源進線和該母線上的母聯斷路器,隔離故障點,同時發出保護動作信號并對故障點進行定位,原理見圖1。

2電弧光保護系統的構成

       電弧光保護系統由單元、擴展單元、弧光傳感器和弧光探頭通過光纖或網線相互連接構成,電弧光保護系統結構見圖2。一套電弧光保護系統保護一段母線,每套電弧光保護系統由一個單元、若干個擴展單元和若干個弧光探頭組成。兩段母線的電弧光保護系統之間通過光纖相互連接各自的單元進行通訊,相互傳遞光信號、過流信號及跳閘信號。單元與擴展單元之間通過網線連接,單元通過網線向擴展單元提供工作電源并接受來自于擴展單元的信號。擴展單元通過光纖與安裝在各個斷路器間隔內的弧光探頭連接。同一段母線上的多個擴展單元之間通過網線鏈接，由此實現通訊并獲取工作電源。

2.1單元

       單元是電弧光保護系統的核心元件,主要實現保護及通訊功能,其主要由電流監視元件和光信號檢測元件組成。電流監視元件可選擇使用三相過流判據或兩相過流判據和零序過流判據來實現過流保護,當電流大于過流定值時過流元件瞬時動作。光信號檢測元件檢測擴展單元上傳的弧光動作信號,收到該信號就判定為出現弧光。

2.2擴展單元

       擴展單元主要用于增加弧光探頭的接口數量,其內部的光檢測元件對弧光探頭捕獲的光經放大后與預選參考電平比較,如果光電平超過預設參考電平時,就判定為出現弧光,然后向單元發出弧光動作信號。擴展單元通過光纖與弧光探頭連接,確保弧光信號在傳輸過程中弧光強度的衰耗。

3應用實例

       在某110kV變電站10kV兩段母線各裝設一套電弧光保護系統,兩段10kV母線通過母聯斷路器連接,10kV電氣主接線及安裝的兩套電弧光保護系統結構見圖3。

3.1保護判據的采集

       為實現電弧光保護系統的功能,過流元件采集主變10kV側電流,且采用的電流繞組與主變10kV側后備保護所用電流繞組為同組;弧光信號由擴展單元向單元提供,擴展單元通過光纖采集安裝于空氣絕緣鎧裝開關柜的每個斷路器間隔母線室內的弧光探頭傳來的弧光信號。

3.2電弧光保護系統定值設置

       1)對保護動作條件進行整定,保護動作條件可選擇只要光信號而不需要過流信號或者同時需要光信號和過流信號。因電弧光保護系統動作將使一段母線失電,為防止保護誤動,保護動作條件設置為同時需要光信號和過流信號。

       2)選擇光參考電平,選擇光補償方式,按廠家建議設置為自動背景光補償。

       3)對過流定值進行整定,過流可選擇過電流為相電流或零序電流。考慮到對各種故障的適應性,選擇相電流且過流定值參照主變后備保護過流Ⅰ段定值進行整定。

       4)對光纖通道進行整定,設定每個光纖接口的工作方式(輸入或輸出)及接收或者發送信號的種類(光信號、過流信號跳閘信號)。圖3為例,為確保一臺主變退出運行,由另一臺主變通過母聯向兩段母線供電時,兩個單元中有一個檢測到過流,保護也能正確動作,應將信號種類設定為過流信號。

3.3電弧光保護系統動作邏輯

       1）在檢測到弧光信號且過流條件滿足時,保護動作并經兩個高速跳閘出口跳相應母線進線斷路器及該母線的母聯斷路器。

       2)電弧光保護動作應閉鎖10kV備用電源自投裝置,防止在兩段母線各自獨立運行時,10kV母線發生故障,電弧光保護動作切除主變10kV側斷路器后,10kV備自投裝置動作將10kV母聯合閘于10kV故障母線。(要求電弧光保護系統至少提供2個高速跳閘出口用于跳運行斷路器,及兩副常規繼電器接點用于發信及閉鎖備自投。)

3.4電弧光保護系統的調試

       根據現場對該保護的設計要求,在安裝調試過程中進行如下調試項目:

       1)用強光源照射每個斷路器柜的弧光探頭,檢查弧光傳感器動作情況,記下各個間隔的弧光探頭所對應的信號燈編號,用斷路器編號標識對應的信號燈,便于日后進行故障定位。

       2)檢驗動作邏輯是否符合要求,一種是要光信號而不需要過流信號,另一種是在同時需要光信號和過流信,兩種動作條件下的保護。

       3)檢驗過流元件的動作值、返回值、返回系數是否符合規程要求。

       4)核對上傳的信號是否正確。

       5)帶斷路器做傳動試驗,保護動作邏輯正確,斷路器動作行為正確,正確動作率100,同時正確閉鎖10kV備自投,保護動作時間不大于3ms。由此可知,電弧光保護在動作時間上比其他中低壓母線保護有巨大的*性,見表1。設備損壞見表2。

4安科瑞ARB5-M弧光保護產品選型說明

ARB5-弧光主控單元

（1）＊表示可選附件，需要另外增加費用1500元。

（2）主控板和采集板數量之和不能大于4。

（3）弧光探頭到采集板的長度不能超過20米。

（4）如有特殊要求，請特別注明。

5安科瑞ARB5-M弧光保護產品功能和技術參數

6安科瑞ARB5-M弧光保護產品現場安裝

弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下。

7結束語

       綜上所述,將母線短路故障時間控制在100ms甚至更短的時間以內,可在很大程度上降低故障對母線設備及主變的損害程度見表2,同時降低設備受損程度還可以減少開關柜停電檢修的時間,針對中低壓開關柜故障特性開發,原理簡單,動作迅速可靠,對現有設備無特殊要求的電弧光保護系統是一種實現這個目標的較為理想的保護解決方案。