电弧光保护及其在中低压开关柜和母线保护中的应用分析
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作者:胡强 陈德华
摘 要：在实际电力系统运行过程中，由于中低压开关柜以及母线馈线的自身容量有限，对较大电压情况下的电力运行造成极大的限制，从而出现电路短路故障等问题。由于这样的现象往往对电力问题设备造成着较大的阻碍，所以根据电弧光以及中低压开关柜故障问题等方面，对电弧光保护及其在中低压开关柜和母线保护中的应用进行研究分析是十分重要的。
关键词：电弧光保护 中低压开关柜 母线保护 电弧光检测
中图分类号：TM59 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）07（c）-0021-02
1 中低压开关柜故障问题与原因分析
1.1 中低压开关柜电弧光短路故障原因分析
在电力系统运行的过程中，中低压开关柜存在着很多常见的问题，例如，绝缘故障、载流回路不良、外来物体的进入等。首先，是绝缘故障问题。由于中低压开关柜装置的绝缘性能不佳或者由于中低压开关柜长期处于脏污环境，在潮湿情况下很容易出现绝缘故障问题。并且长时间的使用的设备在外界因素下老化，也可能会造成绝缘故障。其次，是载流回路不良问题。在电力系统运行的过程中，很多接头截面不足，例如部分螺丝松动等。而当处于较大电压流的状态时，通常会出现开关柜载流回路发热甚至冒火等现象，进而导致故障问题。除此之外，造成短路故障问题的原因还可能是外来物体的进入。在实际运行时，可能会存在小动物进入开关柜内部或者工作人员不小心把工具忘在开关柜内，从而导致中低压开关柜电弧光短路故障问题[1]。
1.2 中低压开关柜电弧光短路故障特征与危害分析
中低压开关柜电弧光短路故障对工作人员以及配电系统设备等有着巨大的危害。首先，对工作人员来说，当工作人员感应较强电击时，电流会侵害其肌肉和神经;当工作人员接触强光和高温时，会对其眼睛和皮肤造成伤害，当工作人员受到爆破音的冲击时，会对其耳膜和肺脏造成危害。其次，对配电系统设备来说，当配电设备处于高温情况下，不仅会造成铜排和铝排熔毁，还会造成电缆熔毁，并产生一定的有毒气体。当配电设备受到爆破音的危害时，可能会造成零件松动，造成短路故障问题。
2 开关柜弧光短路故障的防护措施
2.1 消极性防护措施
为了解决开关柜弧光短路故障问题，可以采取一系列消极性防护措施，比如加强开关柜的结构，设置释放板和泄压通道等。虽然采取此类措施一定程度上限制电弧光短路故障出现的各种问题，减少电力损害的程度，但是可能会大幅度提高设备的成本，对电力企业的经济效益带来影响。
2.2 积极性防护措施
相比消极性防护措施，积极性防护措施需要从根本上限制故障电弧，从根本上解决开关柜弧光短路故障对工作人员和设备装置的影响和危害。一方面，可以在开关柜耐受燃弧时间内采用高速专用中低压母线保护系统切除故障，这样的方式可以最大程度上地降低开关设备的受损程度。另一方面，降低开关设备的损坏程度能够减少故障问题的各种效应，从而可以有效地防止变压器由于短路电流而损害。因此，积极性防护措施可以保护附近工作人员免受电弧故障效应的伤害并且大大减少开关设备损坏的维修费用，此外，还最大限度地减少用户停电时间，可尽快恢复生产。对于使用年限很长需要进行改造的开关柜，采用电弧光保护可有效延长其使用寿命，从而减少对开关设备的投资费用[2]。
3 现有的中低压母线保护方案及存在的问题
3.1 变压器后备过流保护方案及存在的问题
变压器后备过流保护方案是我国现有的中低压母线保护方案中应用最广泛的方案，但是仍然存在着一些问题。在中低压母线保护过程中有着一个典型的保护动作，就是在馈线和母线分段开关的配合时，对跳闸进行保护。而变压器后备过流保护方案中保护跳闸时间一般整定为1～1.4s，部分甚至会达到2s，而这种保护动作远远超出了快速切除中低压母线故障的时间要求。因此，需要新型的中低压母线保护系统来满足快速切除中低压母线故障的时间要求，从而大幅度减低故障的发生几率。
3.2 馈线过流保护闭锁变压器过流保护方案及存在的问题
近几年来，馈线过流保护闭锁变压器过流保护方案逐渐受到广泛的关注，而这一方案与变压器后备过流保护方案相比，其保护动作的时间变为300～1400ms，虽然时间上有了大幅度的提升，但是对于快速切除中低压母线故障的100ms的时间要求仍存在一定的距离。与变压器后备过流保护方案相同，馈线过流保护闭锁变压器过流保护方案也需要一种新型保护系统来满足快速切除故障的要求，来解决实际电力运行过程中由于中低压母线发生故障，从而造成经济损失的问题。
3.3 采用环流原理的高阻抗母线保护方案及存在的问题
采用环流原理的高阻抗母线保护方案将以往的典型保护动作的时间提升到了35～60ms，虽然保护动作时间在100ms之内，但是算入断路器的分闸时间，仍然超出了快速切除故障的要求。除此之外，采用环流原理的高阻抗母线保护方案不仅对CT方面的要求程度高，还需要较高的费用来实现，所以对中低压母线保护方面并不适用。从各种应用情况分析，为了能够更好的对中低压开关柜和母线保护，需要新型的电弧光保护系统进行保护，不仅能够降低故障发生的概率，减少由于故障发生带来的危害，还可以有效保障企业的经济效益[3]。
4 電弧光保护系统的应用分析
4.1 电弧光保护系统结构
电弧光保护系统主要由主单元结构部分、电弧光检测辅助单位部分、电弧光传感器以及过流检测辅助单元部分组成的。首先，作为电弧光保护系统的控制中心，主单元的主要是通过收集动作信号并将收集的信号进行处理和转发为跳闸信号，以此来切除故障。其次，弧光采集单元与主控单元配合使用，是弧光保护系统的重要组成部分，主要用于采集故障弧光，并将判断后的结果通过光信号传递给主控单元。最后，弧光传感器专门用于故障弧光采集，此外弧光传感器起着开关柜的母线室内或馈线柜内电气元件的连接作用。
4.2 电弧光保护系统的应用
电弧光保护系统保护动作具有快速性，一般控制故障的实践可以控制在100ms以内。因此，在电力系统运行时发生弧光故障等问题时，电弧光保护系统就可以发出跳闸指令切除供给的短路电流，进而有效降低设备的损坏程度。电弧光保护系统应用于中低压开关柜和母线的保护中，其作用主要是保护主变压器受损严重，避免事故扩大而造成经济损失。
5 结语
在实际应用电弧光保护系统的过程中，由于其作用比较明显，因而具有一定的应用优势。在电力系统运行中，由于自身电容量等因素的限制，需要对中低压开关柜与母线馈线进行有效地保护，因此，需要从中低压开关柜电弧光短路故障原因和现有的中低压母线保护方案存在的问题进行分析，明确故障问题带了的严重危害，最后通过应用电弧光保护系统，有效处理故障问题，从而更好地保护实现开关柜与母线的保护。
参考文献
[1] 周林，曹天怡.电弧光保护作为母线主保护在中低压开关柜的应用和讨论[J].供用电，2016（12）：47-53，57.
[2] 张申，赵东亮，李红梅.电容柜在低压配电系统中的应用分析[J].科技创新导报， 2018， 15（18）：56-58.
[3] 怀全，候小虎，何良策， 等. 一种含分布式电源的中低压配电网状态估计方法研究[J]. 电力系统保护与控制， 2018， 46（21）：75-83.
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