新疆AK水电站弧光保护技术探讨及应用

新疆AK水电站弧光保护技术探讨及应用

金亮

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司)

摘要：中低压母线短路故障仅依靠上一级保护装置的后备保护，无法在电弧燃烧危害扩大前切断故障，造成严重损失。弧光保护系统(Arc Protectiong system)通过弧光检测和过电流检测双判据原理，为开关柜、母线和各种变流设备提供全面、快速的保护。

关键词：弧光保护(Arc Protectiong system)；中低压母线；快速保护；弧光传感器

0 引言

随着水电站装机容量的不断扩大，中低压配电系统的规模也随之变大，中压母线短路容量愈来愈高，而中低压系统多使用封闭式的中置柜以电缆引出，操作频繁，运行电流大，故障过电压高，设备制造质量和安全距离比高压设备差，容易发生绝缘事故。近几年常有开关柜或母线因绝缘损坏、操作失误、设备老化等原因产生弧光而被烧毁的事故发生，甚至造成重大的经济损失和人员伤害。

继电保护领域微机保护技术的飞跃发展，使得110kV及以上电压等级的供电系统已有比较成熟的保护措施，对于中低压(35kV及以下电压等级)配电系统，因母线不存在稳定问题，一般不装设差动保护，在目前的保护方案中，中低压母线母线故障均靠上一级保护装置的后备保护来切除。而弧光短路作为中、低压开关柜内部最严重的故障之一，由于电弧电阻的原因，短路电流往往达不到过流、速断整定值而不能快速动作切断故障，导致电弧持续燃烧释放出巨大的能量，造成严重的损失。因此，一种中压母线的快速保护方案非常必要。

为解决这个问题，国内外一些专家学者根据弧光短路时产生的大电流和高强度弧光两个

特性，提出了电弧光保护（Arc Protectiong system）。弧光保护系统采用弧光检测和过电流检测双判据原理，综合弧光保护和高速通信网络技术，吸收弧光保护、失灵保护、电流保护的特点，从弧光传感器检测到故障电弧光到出口报警跳闸的时间远远快于传统的继电保护装置 [1,2]。

1工程概括

AK水利枢纽工程多年平均年径流量18.91亿m3，多年平均流量59.92m3/s。水库正常蓄水位2465m，相应库容7.17亿m3；死水位2410m，死库容0.41亿m3；调节库容6.77亿m3。

新疆托什干河干流采用“2库4级”开发方案。AK水利枢纽为规划第一级，下游电站分别为AKTL水电站（150MW）、BDL水电站（248MW）、YMS水电站（244MW）。其中BDL水电站和YMS水电站已建成发电，AKTL水电站尚未开始建设。AK水利枢纽电站装机容量为100MW，装机方案为2×15MW +2×35MW，多年平均发电量3.11亿kW·h，年利用小时数3110h。

AK水利工程220千伏侧电气主接线采用双母线接线，规划出线2回，本期建设1回至220千伏阿合奇变，预留1回，发电机电压侧接线为扩大单元接线，2台35兆瓦发电机组采用扩大单元接线通过90兆伏安升压变接入站220千伏母线，2台15兆瓦发电机采用扩大单元接线通过40兆伏安升压变接入升压站220千伏母线，220kV侧接线采用双母线接线。

2电弧产生的原因及危害

2.1 电弧产生的原因

电弧光产生的原因主要有以下几方面：

1)误入带电间隔，隔离开关误操作，母线接线错误，设备正常检修后，遗漏工器具在开关设备内等人为原因；

2)中低压开关柜无母线保护，出线多，操作频繁，绝缘材料爬距不足，达不到加强绝缘要求，设备故障，绝缘老化，机械磨损；

3)小动物(尤其是老鼠)、灰尘、温度、湿度及腐蚀等环境因素；

4)系统容量增大，接地方式改变，雷电袭击，装置配置不当引起谐振过电压。

2.2 电弧产生的危害

电弧的产生通常伴随着巨大的光能和热能释放，造成开关设备中压力和温度迅速增加，如不及时切除、将造成重大危害。

电弧温度相当太阳温度的2倍，大约为10000℃；电弧光的瞬时功率可以达到40MW，直接导致铜排、铝排熔毁，气化；弧光电压可以达到500-1000V；高温导致电缆熔毁，电缆护套着火，铜排、铝排等器件迅速气化；空气过热膨胀，产生巨大压力，其压力波使设备变形、破碎、爆炸，若冲击波波及站内直流系统将造成全站直流失电；爆破带来开关设备的剧烈振动，使固定元件松脱；开关柜内电弧持续燃烧，产生大量高温金属气体会造成两相短路和三相短路；没有灭弧保护的情况下，往往熔毁开关柜或一整套机组，使其无法修复，损失巨大。

2.3 中压母线保护现状

变压器后备过电流保护、馈线电流保护闭锁式母线保护、母线差动保护动作时间过长或接线复杂。

传统弧光保护，典型保护动作时间为8-15ms，但只检测母线室的弧光信号，回避了最常发生故障的开关柜开关室和电缆室，不能形成对开关柜的全覆盖保护[3,4]。

3弧光保护系统

3.1 弧光保护系统组成

弧光保护系统是一个模块化系统，包括主控单元、电流单元、弧光单元和弧光传感器。

(1)主控单元：系统核心部件，负责输入量的采集、计算，实现系统的各项功能。主控单元包含电流检测和断路器失灵保护，对短路电流和弧光传感器动作信息进行处理、判断。主控单元还根据辅助单元传送的弧光传感器动作信息和温度传感器测量的温度，提供弧光故障点的定位信息。

(2)电流单元：用于检测三相电流信号，安装在进线电源开关柜中，可就地采集3路电流信息，配置2路快速继电器、3路常规继电器用于系统就地跳闸或就近跳闸。每个主控单元最多可以连接6个电流单元，提高了系统的扩展性和适用性。

(3)弧光单元：安装在需要保护的位置附近，收集弧光探头的动作信息并传送给主控单元，。

(4)弧光传感器：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弧光单元或主控单元。

4在本工程中的应用

本工程中压（10kV侧）采用2条电源进线、2台变压器、两段母线、单母线分段结构。主控单元采集2路进线电流、母联开关电流共3组电流；每个馈出开关的电缆室、开关室各装1个弧光传感器接至主控单元，根据馈出开关所属母线，在主控单元中分别配置关联至至两路进线电流，母联开关电流关联所有弧光继电器。

弧光继电器动作出口时跳本开关，若开关跳开后弧光继电器关联的电流模块故障电流仍然存在，则启动主控单元的失灵保护逻辑，跳开弧光继电器关联的电流模块的开关。跳闸时可以选择使用主控单元中6组出口继电器，也可选择各个开关处的电流单元上的出口继电器就近跳开关。

由于弧光传感器关联至与传感器安装位置设备直接关联的电流采集模块，所以无论在系统分列运行或者系统合环运行，均能够保证发生故障时主控单元有选择性的切除进线开关和母联开关，提高系统运行的可靠性。

5总结

弧光保护作为中低压母线及开关柜开关室、电缆室的主保护，可以全面保护母线及开关，做到整个系统无保护死区，同时采用了保护选择性技术，实现馈线中置柜的电缆室、开关室、母线室等不同位置发生弧光故障时的选择性跳闸，避免停电范围的扩大化，缩小停电范围，避免不必要的设备损毁和人身安全事故。

参考文献

[1]张喜玲,杨慧霞,蒋冠前. 弧光保护关键技术研究[J].电力系统保护与控制, 2013.7, 41(14):130-135.

[2]张大勇. 电弧光保护的应用及其整定[J]. 贵州电力技术, 2015.11, 18(11):44-46.

[3]李从飞,陈凡,鲁雅斌,田伟. DPR360ARC弧光保护系统设计[J]. 电力系统保护与控制, 2010, 38 (12):125-128.

[4]吴英俊,陈琳灿,章广清,陈成优,范宏. 应用于中低压母线侧的弧光保护系统[J]. 上海电力学院学报, 2013.2, 29(1):25-29.

作者简介：金亮（1991-）男，工程师，长期从事水电站的电气设计工作。