安(ān)科(kē)瑞(ruì) 陳聰(cōng)

摘要(yào)：近年(nián)來(lái)，中低(dī)壓開(kāi)關(guān)櫃的使(shǐ)用(yòng)越(yuè)來越普遍(biàn)。在此(cǐ)過程中，確保開關櫃(guì)平穩(wěn)運(yùn)行(háng)至關重要。並在(zài)此(cǐ)基礎(chǔ)上(shàng)，闡述(shù)了由(yóu)此產(chǎn)生(shēng)的弧(hú)光和電(diàn)弧事故的危(wēi)險(xiǎn)性，引入(rù)弧光保護及母(mǔ)綫保(bǎo)護(hù)的(dí)特點必要性分(fēn)析，闡述(shù)了弧光保護係(xì)統的(dí)原(yuán)理和(hé)結(jié)構。工程(chéng)實例證(zhèng)明，弧光(guāng)保護在(zài)中(zhōng)弧光中低壓開(kāi)關櫃(guì)占(zhān)重(zhòng)要(yào)地位(wèi)。

關(guān)鍵(jiàn)詞(cí)：弧光保護;開關櫃;過流保(bǎo)護;光傳感(gǎn)器(qì)

0引(yǐn)言

低(dī)壓和(hé)中壓開關櫃是一(yī)種(zhǒng)配(pèi)電基礎(chǔ)設施(shī)，每年消耗(hào)大量電(diàn)力。中低(dī)壓開關櫃中(zhōng)弧(hú)光放(fàng)電是(shì)非常嚴重(zhòng)的事故。由於(yú)電弧(hú)電阻過高(gāo)，故(gù)障電流(liú)無法達到(dào)固(gù)定(dìng)保護(hù)值，無(wú)法(fǎ)快(kuài)速關閉(bì)電(diàn)源。在某些(xiē)情(qíng)況下，延(yán)遲可(kě)能導致(zhì)無法快速(sù)切(qiē)斷故(gù)障(zhàng)，弧光故障電(diàn)流即(jí)使達(dá)到(dào)保(bǎo)護起始值也(yě)是如(rú)此(cǐ)。弧光(guāng)放電不僅會(huì)導(dǎo)致斷電，而且(qiě)還會對許多(duō)設備(bèi)造(zào)成不可(kě)逆(nì)的傷(shāng)害和人身傷害，可(kě)能(néng)導(dǎo)致(zhì)無法(fǎ)估量的損(sǔn)壞。

1. 電(diàn)弧的(dí)產生(shēng)機理

中低壓(yā)開關櫃是(shì)電力和(hé)配(pèi)電(diàn)的(dí)重要(yào)基(jī)礎(chǔ)設施。近年來(lái)，他們的(dí)使(shǐ)用逐(zhú)漸增加。這對(duì)於確保中低(dī)壓(yā)開關櫃的可(kě)靠性和安(ān)全運(yùn)行以及減(jiǎn)少(shǎo)電氣事(shì)故的損(sǔn)壞至(zhì)關(guān)重要(yào)。對(duì)於許多類(lèi)型的(dí)弧光放電來(lái)說，電氣事(shì)故是中(zhōng)低壓(yā)開關櫃(guì)的(dí)嚴重事故。如(rú)果使(shǐ)用了(liǎo)電(diàn)弧電阻，則不(bù)需要調整限(xiàn)製(zhì)電流來(lái)設(shè)置保(bǎo)護值，這是(shì)無(wú)法(fǎ)停切(qiē)斷故(gù)障。在某些(xiē)情(qíng)況(kuàng)下(xià)，即使(shǐ)弧光(guāng)法的電流與保(bǎo)護的初始值(zhí)相符(fú)，延遲也(yě)會妨礙及(jí)時消除幹擾，因此可能會(huì)弧(hú)光放電問(wèn)題(tí)，在(zài)這種(zhǒng)情況下，不僅會導致停(tíng)電，而且(qiě)還會對(duì)設備(bèi)和員工造(zào)成嚴重影響，這可(kě)能會(huì)對(duì)企(qǐ)業(yè)造成嚴重(zhòng)影響。由於(yú)放電(diàn)過程(chéng)中(zhōng)兩(liǎng)點之間的電(diàn)壓(yā)大於(yú)介(jiè)質的電(diàn)阻(zǔ)電壓，因(yīn)此隻要(yào)有足夠的能量(liáng)補償(cháng)熱量(liáng)損失(shī)和溫(wēn)度(dù)合(hé)適，電弧(hú)就會(huì)保(bǎo)持(chí)不變(biàn)。例如，10kvV係(xì)統(tǒng)的(dí)弧光(guāng)放電(diàn)過程如圖(tú)1所示。當(dāng)導體之(zhī)間(jiān)的絕緣不足(zú)時，產生弧光是分子和原子(zǐ)在特定(dìng)環(huán)境中遊離(lí)的過(guò)程。附近(jìn)的(dí)正負(fù)電子加速運動，並與其(qí)他(tā)空氣(qì)分子和原子(zǐ)碰(pèng)撞(zhuàng)，同(tóng)時(shí)產(chǎn)生(shēng)電弧(hú)光和(hé)高熱(rè)量。

圖(tú)1 10kV弧(hú)光(guāng)放電的(dí)物理機理圖

1. 電(diàn)弧(hú)事故危害

弧(hú)光可高(gāo)達4500℃溫度，內(nèi)部(bù)可(kě)高(gāo)達10000-20000℃。空氣(qì)弧光(guāng)功率(shuài)為40mW，弧的強照明強(qiáng)度2000多倍(bèi)以(yǐ)上。因(yīn)此，不及(jí)時對電弧(hú)產生采取(qǔ)措(cuò)施可能(néng)會造成(chéng)損(sǔn)害(hài)。

1.人身(shēn)危險(xiǎn)。電弧造成(chéng)的傷害主(zhǔ)要(yào)體現(xiàn)在(zài)以(yǐ)下(xià)幾個(gè)方(fāng)麵:1.熔(róng)化(huà)金(jīn)屬粒子進(jìn)入人體皮膚，導(dǎo)致皮(pí)膚金(jīn)屬化；2.弧(hú)光(guāng)強度(dù)高(gāo)可(kě)能(néng)導(dǎo)致眼(yǎn)睛損傷和角(jiǎo)膜脫落。；3.高(gāo)溫下粉塵和有(yǒu)毒(dú)氣體可能會損害身(shēn)體(tǐ)的呼(hū)吸道；4.當(dāng)弧光(guāng)電(diàn)流(liú)人體(tǐ)有一(yī)定影響(xiǎng)時，肌肉意(yì)外(wài)收(shōu)縮(suō)，損(sǔn)害皮膚(fū)，血管和(hé)神經。

2.設備的危險(xiǎn)。產生(shēng)電(diàn)弧時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量(liáng)高(gāo)溫條(tiáo)件(jiàn)氣體(tǐ)，且變形(xíng)或(huò)破碎(suì)開關櫃。此外，燃燒(shāo)振(zhèn)動(dòng)波會導(dǎo)致其劇烈振(zhèn)動，緊固件(jiàn)鬆(sōng)動或脫落。此外，在高溫下(xià)可(kě)能會(huì)出(chū)現(xiàn)電纜燃燒等問題，在較(jiào)大(dà)的情(qíng)況下(xià)，開關(guān)櫃外殼中(zhōng)的(dí)金屬(shǔ)可(kě)能會(huì)熔化，從而(ér)導致(zhì)火(huǒ)災(zāi)事故(gù)。

3設(shè)置(zhì)弧光保(bǎo)護(hù)的(dí)必要(yào)性

我國(guó)開(kāi)關(guān)櫃有幾(jī)種母綫保(bǎo)護方法(fǎ)。

1.變(biàn)壓(yā)器過流(liú)保護(hù):：低(dī)成本，保(bǎo)護開關IEC 298不能(néng)滿(mǎn)足100 ms的低壓(yā)1-2sS時，母(mǔ)綫故(gù)障切除(chú)。

2.饋綫過(guò)流(liú)保護閉(bì)鎖:：使用高性能工(gōng)程(chéng)微米芯片(piàn)進行(háng)分析，數據(jù)采集和命令(líng)執行，運行(háng)速度為300-400ms，不(bù)符合IEC298中低壓電母綫源100ms故障的要求。

3.母(mǔ)差(chà)保護:：典(diǎn)型動作為35.60ms時(shí)間，一般(bān)故障(zhàng)響(xiǎng)應(yīng)時間(jiān)隨100ms和(hé)基(jī)本快速性要(yào)求而(ér)變化(huà)，但(dàn)也存(cún)在一(yī)些問題(tí)，如保(bǎo)護能(néng)力較小(xiǎo)，復雜(zá)接綫，較高要求(qiú)電流(liú)互(hù)感器，無法(fǎ)提(tí)供關鍵故障點(diǎn)。母綫(xiàn)的保護(hù)要求未得到滿(mǎn)足，實際上電(diàn)流(liú)互感(gǎn)器飽和(hé)會(huì)造(zào)成保護幹(gān)擾，不符合裝(zhuāng)置範(fàn)圍(wéi)的要(yào)求，限(xiàn)製了保護(hù)的(dí)應(yīng)用。開關(guān)櫃(guì)發(fā)生(shēng)弧光故障瞬間(jiān)時(shí)，弧(hú)形(xíng)保(bǎo)護(hù)係統可(kě)以(yǐ)快速(sù)檢測並輸(shū)出跳閘信號。瞬(shùn)間脫扣(（斷(duàn)路器(qì))），切斷(duàn)電(diàn)源(yuán)，使電弧消失(shī)，並減少(shǎo)因弧光(guāng)故(gù)障而(ér)造成的(dí)損壞(huài)。電(diàn)弧(hú)持(chí)續時間小(xiǎo)於100ms，無(wú)論(lùn)是弧(hú)光+電(diàn)流雙判據。傳統電(diàn)源保護的(dí)運(yùn)行時間超過100ms。為(wéi)此，在開(kāi)關(guān)櫃(guì)母綫保護中促進弧光(guāng)保(bǎo)護(hù)很(hěn)重(zhòng)要(yào)。

4弧(hú)光保護原理及(jí)係(xì)統構成

1.弧光保(bǎo)護(hù)原理(lǐ)。是由一(yī)個(gè)有缺陷的弓引起的弧光，但(dàn)從弧光故障(zhàng)到弧光(guāng)檢測(cè)，速度非(fēi)常快(kuài)，不(bù)足(zú)1ms。電流保(bǎo)護(hù)為了(liǎo)提高(gāo)可靠性(xìng)，增加故(gù)障電(diàn)流通(tōng)常還應(yīng)考(kǎo)慮，發(fā)出跳閘命令。

2.係統(tǒng)結構。如圖2所(suǒ)示(shì)，弧光係(xì)統(tǒng)主(zhǔ)要由(yóu)輔助單(dān)位(wèi)組成(chéng)，如主(zhǔ)控(kòng)單(dān)元，弧光檢(jiǎn)測和連(lián)接(jiē)I/oO。弧(hú)光傳感(gǎn)器(qì)位於開關中的任何位(wèi)置，根(gēn)據(jù)實際物理位置進(jìn)行(háng)保護調(tiáo)節，要查(chá)看主單元弧(hú)光的誤差位置，請執行(háng)操(cāo)作，從而縮短斷電時(shí)間，實現(xiàn)電流的(dí)快速恢(huī)復。弧光傳(chuán)感器(qì)可以用(yòng)一種(zhǒng)或(huò)多(duō)種(zhǒng)方式(shì)弧光(guāng)傳感(gǎn)器(qì)沿(yán)開(kāi)關(guān)設備(bèi)的不同(tóng)室(shì)分布(bù)。電(diàn)弧(hú)傳感(gǎn)器(qì)覆蓋(gài)一個(gè)或(huò)多個室(shì)傳(chuán)感(gǎn)器為單(dān)點或(huò)光(guāng)纖綫式(shì)。

圖(tú)2弧(hú)光(guāng)保護係(xì)統示意圖

單(dān)個(gè)傳(chuán)感(gǎn)器隻能捕(bǔ)獲小(xiǎo)區域中(zhōng)的光，有光(guāng)電(diàn)和光單(dān)點(diǎn)傳(chuán)感(gǎn)器。傳感(gǎn)器光(guāng)電單點於光(guāng)電(diàn)管中進行(háng)光學(xué)轉換。使用這(zhè)些傳(chuán)感(gǎn)器時，應(yīng)考(kǎo)慮(lǜ)放置傳感(gǎn)器時的EMI和ESD問題(tí)。光單點(diǎn)傳(chuán)感(gǎn)器(qì)根(gēn)據透(tòu)明(míng)材(cái)料捕(bǔ)獲光源，並使(shǐ)用光纖(xiān)將其傳遞(dì)給(gěi)光接(jiē)收(shōu)器。傳(chuán)感器單點(diǎn)式也得(dé)激活脈(mài)搏(bó)。脈搏信(xìn)號是(shì)發(fā)射機(jī)發送給光接收機(jī)的光(guāng)脈衝信(xìn)號。脈搏信號用於(yú)確(què)定(dìng)光(guāng)學(xué)接(jiē)收(shōu)機(jī)是否(fǒu)工作正常(cháng)，光(guāng)纖傳(chuán)感器通常由(yóu)環(huán)形組成(chéng)。捕(bǔ)獲光(guāng)源(yuán)並將其(qí)傳(chuán)遞(dì)給接收器。光纖(xiān)通(tōng)道傳感(gǎn)器(qì)與(yǔ)單(dān)點式相(xiāng)比，在光(guāng)纖綫(xiàn)式傳感器較(jiào)大區域采(cǎi)集光。此(cǐ)傳(chuán)感器還具有脈搏(bó)功能(néng)。理(lǐ)想的光學傳感器具(jù)有(yǒu)較(jiào)低的傳輸速(sù)度(dù)和(hé)較高的捕獲(huò)效(xiào)率，通(tōng)常采用POF或玻(bō)璃(lí)光纖。對(duì)於POF和PCS，外層是(shì)透明(míng)的或被(bèi)移除的(dí)。由(yóu)於光纖(xiān)通(tōng)道(dào)傳感器(qì)可以(yǐ)檢(jiǎn)測單(dān)個設備(bèi)或多個設備中(zhōng)的(dí)多個(gè)單元(yuán)，因(yīn)此(cǐ)可(kě)以(yǐ)通過(guò)減少光纖電纜長度(dù)的傳(chuán)感器(qì)數(shù)量(liáng)來降低(dī)係(xì)統保護(hù)成(chéng)本。但(dàn)是光纖(xiān)產(chǎn)品(pǐn)的長度(dù)取決於接(jiē)收機的靈敏(mǐn)度。由於(yú)單點傳感(gǎn)器的主(zhǔ)要特點，這(zhè)兩(liǎng)種傳(chuán)感器(qì)都有缺點，並(bìng)應(yīng)用(yòng)於(yú)弧光檢測(cè)。“被遮(zhē)擋風(fēng)險(xiǎn)"表示(shì)光傳感(gǎn)器(qì)是否可能位於開(kāi)關(guān)設(shè)備的(dí)“被遮(zhē)擋風(fēng)險"，從而存(cún)在傳感(gǎn)器能(néng)夠捕獲光(guāng)的風(fēng)險。由(yóu)於(yú)光纖通(tōng)道傳(chuán)感器的範(fàn)圍很廣(guǎng)，傳感器(qì)沒有被被遮(zhē)擋危(wēi)險。單(dān)點(diǎn)傳感器用於(yú)弧光檢測，比光(guāng)纖傳(chuán)感(gǎn)器(qì)敏感得(dé)多(duō)。但是，光纖綫(xiàn)式傳感(gǎn)器的靈敏(mǐn)度(dù)部(bù)分取(qǔ)決於(yú)光(guāng)纖的物理特性。此(cǐ)外，光(guāng)纖傳感(gǎn)器可以從(cóng)單個或多(duō)個開關(guān)中的多個光(guāng)纖識別，而不(bù)能實(shí)現(xiàn)到(dào)單(dān)點傳感(gǎn)器。

3.關鍵性能(néng)和特(tè)點。（1）電磁(cí)兼容(róng)符(fú)合(hé)國(guó)家繼電器質量(liáng)監(jiān)督(EMC)標(biāo)準。（2）符合繼電(diàn)保護建(jiàn)設準則(zé)。（3）通(tōng)過(guò)弧光和(hé)過流雙判可(kě)靠運行。（4）無源(yuán)弧(hú)光探(tàn)頭直(zhí)接(jiē)連接到光纖(xiān)端(duān)口，幹擾能力(lì)強抗(kàng)電(diàn)磁(cí)。（5）基於(yú)實際電路(lù)的可編程性和可擴展性。(6)可根(gēn)據需要(yào)調整(zhěng)弧光(guāng)感光度(dù)和(hé)過流(liú)值(zhí)。(7)故障原因，準確其位置。

5安科瑞 ARB5係(xì)列(liè)弧(hú)光(guāng)保(bǎo)護的(dí)原理及係統組成

弧(hú)光保(bǎo)護裝(zhuāng)置通過弧光+電流(liú)突變量(liáng)雙(shuāng)重判據或(huò)弧(hú)光單判據(jù)啟動(dòng)保(bǎo)護(hù)，其動作(zuò)時(shí)間(jiān)為

弧光(guāng)單(dān)判據動(dòng)作時(shí)間≤7ms；

弧光(guāng)+電(diàn)流(liú)雙判(pàn)據(jù)時間(jiān)≤20ms。

ARB5係列弧光(guāng)保護(hù)裝置由(yóu)ARB5-M主控單(dān)元(yuán)，ARB5-E擴展單元(yuán)，ARB5-S弧(hú)光探(tàn)頭，弧光(guāng)光纖(xiān)以及尾纖等配件構成(chéng)。

6，弧光(guāng)保護應用案(àn)例

A化(huà)工廠(chǎng)110/10kV變(biàn)電站10kvV I類具有(yǒu)與Ⅱ段相同(tóng)的弧光保護，I段母綫L1，N綫(xiàn)組(zǔ)發(fā)生接地(dì)故障，逐漸(jiàn)發展(zhǎn)為L1和(hé)L2之(zhī)間的(dí)短路(lù)。如果確(què)定(dìng)了弧(hú)光保護並且(qiě)確定(dìng)了故障電(diàn)流(liú)，則I段母綫10kV的綫(xiàn)路斷(duàn)路(lù)器將被切(qiē)斷。當故(gù)障(zhàng)得到糾(jiū)正和驗(yàn)證時(shí)，弧(hú)光保護(hù)裝置的決(jué)定(dìng)和(hé)保護是正確(què)的，其保護(hù)操作(zuò)及時(shí)執(zhí)行，供(gōng)電會盡(jìn)快(kuài)重新恢(huī)復。

弧光(guāng)保護既(jì)簡單又(yòu)及時，它(tā)對於防(fáng)止停電(diàn)和盡(jìn)量(liáng)減(jiǎn)少(shǎo)傷害和(hé)設(shè)備損(sǔn)壞以確保(bǎo)電(diàn)力設備(bèi)安(ān)全可(kě)靠(kào)地(dì)運行至關(guān)重(zhòng)要(yào)。為(wéi)此(cǐ)，有(yǒu)關技(jì)術(shù)人(rén)員應(yīng)加(jiā)強技術研究，使他們(mén)能夠(gòu)在(zài)更多(duō)領域發(fā)揮重(zhòng)要(yào)作用。

參考文獻：

[1] 雷(léi)晉(jìn)，弧光保護(hù)在中(zhōng)低(dī)壓開(kāi)關(guān)櫃(guì)中(zhōng)的(dí)應用

[2] 周怡(yí)．電弧光(guāng)保(bǎo)護作為母綫(xiàn)主保護(hù)在中低(dī)壓開(kāi)關(guān)櫃的(dí)應(yīng)用(yòng)和(hé)討論(lùn)［J]供用電(diàn)，2019(12).

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