TYDHG智能电弧光保护系统

概述

       在电力系统中，35kV及以下电压等级的母线，一般未装设母线保护。然而，由于中低压母线上的出线多，操作频繁，三相导体线间距离与大地的距离比较近，容易受小动物危害，设备制造质量比高压设备差，设备绝缘老化和机械磨损，运行条件恶劣，系统运行条件改变，人为和操作错误等原因，中低压母线的故障几率比高压、超高压母线高得多。但长期以来，人们对中低压母线的保护一直不够重视，大多采用带有较大延时的后备保护来切除母线上的故障，往往使故障被发展、扩大，从而造成巨大的经济损失。

       近年来,由于各种原因开关设备被严重烧毁，有的甚至发展成“火烧连营”的事故时有发生。而主变压器由于遭受外部短路电流冲击损坏的事故也逐年增加，这些配网事故处理不当甚至被扩大发展为输电网事故，造成重大的经济损失，已引起电力部门的广泛关注。究其原因大多是因为没有装设中低压母线保护，未能快速切除故障造成的。所以，为了保证变压器及母线开关设备的安全运行，根据继电保护快速性的要求，迫切需要配置专用中低压母线保护。

电弧光的危害

电弧的产生

       电弧是放电过程中产生的一种现象，当两点之间的电压超过其空气中的绝缘强度极限就会发生。当适当的条件出现时，一个携带电流的等离子产生，直到电源侧的保护设备断开才会消失。空气在通常条件下是很好的绝缘体，但由于温度身高或其他外部因素的作用，其化学和物理特性发生变化时，它可能变成通电的导体。

       只要两段的电压提供的能量足以补偿热损耗并维持适当的温度条件，电弧将会持续发生。如果电弧被拉长或冷却，维持他的必要条件将缺失进而熄灭。类似地，如果电路两相发生短路也可能产生电弧。短路是两个不同电压的导体发生低阻抗的连接，形成低阻抗的导电体，例如金属工具遗忘在柜子的母排上、错误的连接或小动物闯入柜子内，这些都是各种潜在的可能。一旦形成短路，会引起很大的短路电流值，其大小取决于电路的特性。

       高故障电流的通过造成电缆或电路母排过热，直至熔化低端的导体。一旦导体熔化，类似于电路断开的条件将会出现。在这种情况下，电弧将会出现，直至保护装置介入或稳定电弧的必要条件消失。

       电弧的特性讲导致气体发生激烈的电离，使阳极和阴极间的电压降低（分别为10v和40v），在其间产生很高的电流密度（从102-103至107A/cm2）.也在其间形成非常高的温度（数千℃）阳极和阴极的间距为数微米至几厘米。

开关柜和控制柜内的电弧

       主配电柜或大型电气设备（如变压器发电机）附件短路能量高而且由故障产生的电弧能量也高。

在柜内形成的电弧过程可分为四个阶段：

    1、压缩阶段：电弧占据了整个空气空间，由于持续释放能量产生过热，导致对流和辐射，保留柜内的空气被加热，在这个初始阶段不同区域的压力和温度值不一样。

    2、扩展阶段：从这一瞬间开始，内部压力增加，一个空洞由于过热的空气开始流动二形成。在这个阶段压力达到其最大值，并因为热空气释放而开始减弱。

    3、发射阶段：由于电弧能力的持续释放，几乎所有的空气均被一个缓和但恒定的压力挤压出去。

    4、发热阶段：在驱逐出空气后，柜内温度几乎达到电弧的温度。在这个最后阶段就由此开始，直至电弧被熄灭。此时，所有金属和绝缘物体在经历所产生的气体、烟雾和溶蚀物质颗粒的侵蚀后，已融为一体。

       当电弧出现在非封闭的设备环境时，可能不会出现上述某些阶段或只有较小的影响；然而，在电弧环绕的周围，会形成压力波和温度的上升。

以下数据表明一个电弧所具有的危害性：

    压力：以估测，在一个相距60cm的20ka故障电弧，一个人所受到的压力为225kg；然后这种突如其来的的压力会对耳朵造成永久性的伤害。

    温度：电弧可达到的温度为7000~8000℃

    声音：电弧发出的声音强度高达160db；而枪发出的爆破声仅为130db。

开关设备内部间隔发生故障而产生的电弧光会造成开关设备中的压力和温度迅速增加，如不及时切除，将会造成以下重大危害：

1、电弧中心温度（相当于太阳表面温度的2倍，约为20000℃）过高导致铜排、铝排熔毁气化；

2、电缆熔毁，电缆护套着火；

3、开关设备剧烈震动，使固定元件松脱

4、过热导致压力上升，使开关设备爆炸；

5、使上一级变压器承受近距离短路故障冲击，故障电流产生的电动力可能导致变压器绕组变形形成匝间短路。

6、故障产生的弧光冲击波以300m/s的速度爆发，可摧毁途中的任何物质，若被波及站内直流系统将导致全站直流失电，将造成无法弥补的重大损失；

7、燃烧产生的有毒气体被人吸入产生生命危险

8、高温灼伤皮肤，强光刺伤眼睛

9、爆破音振伤耳膜，肺脏

10、爆炸碎片飞射，造成人员伤亡

电弧光的保护

目前国内用于中、低压母线的保护及其局限性

    1） 变压器后备过流保护,典型的保护动作时间1.2s～2.0s；

    2） 采用馈线速断保护闭锁的变压器后备过流保护，典型的保护动作时间为300ms～500ms；

    3） 母线差动保护，典型的保护动作时间为15ms。

变压器后备过流保护动作时间过长，不能起到有效的保护作用，馈线速断保护闭锁的变压器后备过流保护虽然时间缩短，但是仍然不能在设备受到严重损害前将故障切除，母线差动保护范围受CT安装位置的限制，接线复杂，CT要求高，且总体造价昂贵。

产品应用目标

我司拥有一批具有丰富电力系统继电保护研发经验的技术团队，在引进国外先进的光传感技术的基础上，面向国内客户的应用需求及习惯，研制出我国具有完全知识产权的弧光保护系统。

选用电弧光保护系统可以实现如下目标：

    4） 减少或降低电弧光对于人体的伤害；

    5） 减少或降低电弧光短路故障对于设备的损害；

    6） 避免变压器因近距离母线故障造成动稳定破坏，延长变压器的使用寿命；

    7） 缩短电弧光故障切除时间，避免波及站内直流系统造成重大损失；

    8） 减少因电弧光故障造成设备停运的时间，更快地恢复供电；

工作原理

       TYDHG智能电弧光保护系统是我司在长期电力自动化产品设计研发的基础上，引进国外先进理念的结合国内的实际使用习惯而研制出来的新一代智能电弧光保护产品。

       TYDHG智能电弧光保护系统可接入若干个弧光传感器传来的电弧光信号和电流信号。弧光传感器可放置在开关设备的任何位置，通常安装在开关柜的各个间隔中，也可沿母线放置。电弧光保护主要动作依据为故障产生的两个不同的因素：弧光和电流增量。

       监测到弧光报警后，只有电流值也超过设定的电流最大值后，才会进行跳闸，（动作后瞬时跳开主变进线断路器，主变中低压侧电流作为辅助判别元件，以防止误动）。电流判别元件采用三相检测方式，整定值应按躲过该主变实际最大负荷电流整定，推荐设置为1.1~1.3H。

TYDHG技术特点

装置主要特点

    1）满足所有电磁兼容（EMC）标准；

    2）符合中国继电保护设计标准要求；

    3）快速跳闸出口（小于5ms）；

    4）采用过流及弧光双重判据；

    5）无源弧光传感器，具有过滤干扰光功能，可靠性高；

    6）7寸触摸大液晶显示，方便直观；

    7）跳闸出口逻辑可编程；

    8）可实现故障定位；

    9）对于不同类型的接线可灵活设置；

10）感光强度可根据实际情况调整。

TYDHG系统组成

    TYDHG智能电弧光保护系统主要由主控单元（集成了电流单元）和弧光单元组成。其中弧光单元分为点式和光纤式。

主控单元

    主控单元用于管理、控制整套电弧光保护系统。它监测弧光信号和故障电流，并对接收到的信号进行判断、处理，若在满足跳闸条件时，发出跳闸指令以切除故障。

    主控单元通常安装在母线系统电源进线柜或电源进线柜旁边开关柜的二次仪表室门板上。

    主控单元可接入24个传感器，它采用RS485总线与计算机通信。

    主控单元中配有24路报警继电器，实现24路传感器的实时报警功能，同时主控单元具有记录故障电流的录波功能。

    主控单元根据弧光传感器的传送信号，能准确的判断并显示出故障点的位置。

    主控单元的逻辑编程操作方便，可根据用户不停的接线方式和运行方式选择跳闸逻辑

弧光单元

       弧光探头（弧光传感器）分为点式传感器和光纤式，主要安装在柜内各间隔中，可实现由简单到复杂、有选择性的保护。弧光探头作为光感应元件，在发生弧光故障时检测突然增加的光强，并通过专用光纤将光信号传送给主单元，光电转换在主单元完成。

安装与订货

一、产品型号及功能定义

注：TYDHG 为电弧光智能保护系统

   D 为低压系统    G 为高压系统

为电压等级

二、安装说明

       主单元为嵌入式安装，主控单元通常安装在母线系统电源进线柜或电源进线柜旁边开关柜的二次仪表室门板上。

       传感器光纤在安装时需要一定的额外空间。传感器光缆的最小的弯曲半径为r>25mm。提供5m，10m，30m，50m的标准光纤，若距离不够可以采用光纤适配器进行中继，光纤适配器损耗<0.5dB，对保护性能基本没有影响。传感器光纤最长不要超过100m。

弧光传感器应安装于开关柜里需要保护的区域。传感器正对对准被保护对象。在开放式的母线间隔仓，为达到所需的保护程度，传感器安装间隔为4－5m。

三、注意：

       弧光传感器不能直接暴露在太阳光直射或任何其它的强光下。不能把弧光传感器安装在光源下。

       在弧光传感器和被保护区域的视野不应受阻挡。

       现场未使用的传感器接口必须将其用专用的堵头将其封闭，同时在参数整定中将其屏蔽。

四、订货说明

订货时请提供以下资料：

    1、配电系统的原理接线图

    2、配电柜的开关柜布置图

    3、项目的招标文件和系统的各种运行方式

    4、交直流电压和电流