弧光保護在中低壓開關柜中的應用

摘要:近年來，中低壓開關柜的使用越來越普遍。在此過程中，確保開關柜平穩運行至關重要。并在此基礎上，闡述了由此產生的弧光和電弧事故的危險性，引入弧光保護及母線保護的特點必要性分析，闡述了弧光保護系統的原理和結構。工程實例證明，弧光保護在中低壓開關柜占主導地位。

關鍵詞:弧光保護;開關柜;過流保護;光傳感器

低壓和中壓開關柜是一種配電基礎設施，每年消耗大量電力。中低壓開關柜中弧光放電是最嚴重的事故。由于電弧電阻過高，故障電流無法達到固定保護值，無法快速關閉電源。在某些情況下，延遲可能導致無法快速切斷故障，弧光故障電流即使達到保護起始值也是如此。弧光放電不僅會導致斷電，而且還會對許多設備造成人身傷害，可能導致無法估量的損壞。

一、電弧的產生機理

中低壓開關柜是電力和配電的重要基礎設施。近年來，他們的使用逐漸增加。這對于確保中低壓開關柜的可靠性和安全運行以及減少電氣事故的損壞至關重要。對于許多類型的弧光放電來說，電氣事故是中低壓開關柜的嚴重事故。如果使用了電弧電阻，則不需要調整限制電流來設置保護值，這是無法停切斷故障。在某些情況下，即使弧光法的電流與保護的初始值相符，延遲也會妨礙及時消除干擾，因此可能會弧光放電問題，在這種情況下，不僅會導致停電，而且還會對設備和員工造成嚴重影響，這可能會對企業造成嚴重影響。由于放電過程中兩點之間的電壓大于介質的電阻電壓，因此只要有足夠的能量補償熱量損失和溫度合適，電弧就會保持不變。例如，10kvV系統的弧光放電過程如圖1所示。當導體之間的絕緣不足時，產生弧光是分子和原子在強力場中游離的過程。附近的正負電子加速運動，并與其他空氣分子和原子碰撞，同時產生電弧光和高熱量。

圖1 10kV弧光放電的物理機理圖

二、電弧事故危害

弧光最高可達4500℃溫度，內部最高可達10000-20000℃。空氣弧光功率為40mW，弧的強照明強度2000多倍以上。因此，不及時對電弧產生采取措施可能會造成損害。

1.人身危險。電弧造成的傷害主要體現在以下幾個方面:第一，熔化金屬粒子進入人體皮膚，導致皮膚金屬化；第二，弧光強度高可能導致眼睛損傷和角膜脫落。第三，高溫下粉塵和有毒氣體可能會損害身體的呼吸道。第四，當弧光電流人體有一定影響時，肌肉意外收縮，損害皮膚、血管和神經。

2.設備的危險。產生電弧時會產生大量高溫條件氣體，且變形或破碎開關柜。此外，燃燒振動波會導致其劇烈振動，緊固件松動或脫落。此外，在高溫下可能會出現電纜燃燒等問題，在較大的情況下，開關柜外殼中的金屬可能會熔化，從而導致火災事故。

三、設置弧光保護的必要性

我國開關柜有幾種母線保護方法。

1.變壓器過流保護:低成本，保護開關IEC 298不能滿足100 ms的低壓1-2s時，母線故障切除。

2.饋線過流保護閉鎖:使用高性能工程微米芯片進行分析、數據采集和命令執行，運行速度為300-400ms，不符合IEC298中低壓電母線源100ms故障的要求。

3.母差保護:典型動作為35.60ms時間，一般故障響應時間隨100ms和基本快速性要求而變化，但也存在一些問題，如保護能力較小，復雜接線，較高要求電流互感器，無法提供關鍵故障點。母線的保護要求未得到滿足，實際上電流互感器飽和會造成保護干擾，不符合裝置范圍的要求，限制了保護的應用。開關柜發生弧光故障瞬間時，弧形保護系統可以快速檢測并輸出跳閘信號。瞬間脫扣(斷路器)，切斷電源，使電弧消失，并減少因弧光故障而造成的損壞。電弧持續時間小于100ms，無論是弧光+電流雙判據。傳統電源保護的運行時間超過100ms。為此，在開關柜母線保護中促進弧光保護很重要。

四、弧光保護原理及系統構成

1.弧光保護原理。是由一個有缺陷的弓引起的弧光，但從弧光故障到弧光檢測，速度非常快，不足1ms。電流保護為了提高可靠性，增加故障電流通常還應考慮，發出跳閘命令。

2.系統結構。如圖2所示，弧光系統主要由輔助單位組成，如主控單元、弧光檢測和連接I/o。弧光傳感器位于開關中的任何位置，根據實際物理位置進行保護調節，要查看主單元弧光的誤差位置，請執行操作，從而縮短斷電時間，實現電流的快速恢復。弧光傳感器可以用一種或多種方式弧光傳感器沿開關設備的不同室分布。電弧傳感器覆蓋一個或多個室，傳感器為單點或光纖線式。

圖2弧光保護系統示意圖

單個傳感器只能捕獲小區域中的光，有光電和光單點傳感器。傳感器光電單點于光電管中進行光學轉換。使用這些傳感器時，應考慮放置傳感器時的EMI和ESD問題。光單點傳感器根據透明材料捕獲光源，并使用光纖將其傳遞給光接收器。傳感器單點式也必須激活脈搏。脈搏信號是發射機發送給光接收機的光脈沖信號。脈搏信號用于確定光學接收機是否工作正常，光纖傳感器通常由環形組成。捕獲光源并將其傳遞給接收器。光纖通道傳感器與單點式相比，在光纖線式傳感器較大區域采集光。此傳感器還具有脈搏功能。理想的光學傳感器具有較低的傳輸速度和較高的捕獲效率，通常采用POF或玻璃光纖。對于POF和PCS，最外層是透明的或被移除的。由于光纖通道傳感器可以檢測單個設備或多個設備中的多個單元，因此可以通過減少光纖電纜長度的傳感器數量來降低系統保護成本。但是光纖產品的長度取決于接收機的靈敏度。由于單點傳感器的主要特點，這兩種傳感器都有缺點，并應用于弧光檢測。“被遮擋風險"表示光傳感器是否可能位于開關設備的“被遮擋風險"，從而存在傳感器能夠捕獲光的風險。由于光纖通道傳感器的范圍很廣，傳感器沒有被被遮擋危險。單點傳感器用于弧光檢測，比光纖傳感器敏感得多。但是，光纖線式傳感器的靈敏度部分取決于光纖的物理特性。此外，光纖傳感器可以從單個或多個開關中的多個光纖識別，而不能實現到單點傳感器。

3.關鍵性能和特點。(1)電磁兼容符合國家繼電器質量監督(EMC)標準。(2)符合繼電保護建設準則。(3)通過弧光和過流雙判可靠運行。(4)無源弧光探頭直接連接到光纖端口，干擾能力強抗電磁。(5)基于實際電路的可編程性和可擴展性。(6)可根據需要調整弧光感光度和過流值。(7)故障原因，準確其位置。

五、弧光保護應用案例

A化工廠110/10kV變電站10kv I類具有與Ⅱ段相同的弧光保護，I段母線L1、N線組發生接地故障，逐漸發展為L1和L2之間的短路。如果確定了弧光保護并且確定了故障電流，則I段母線10kV的線路斷路器將被切斷。當故障得到糾正和驗證時，弧光保護裝置的決定和保護是正確的，其保護操作及時執行，供電會盡快重新恢復。

弧光保護既簡單又及時，它對于防止停電和盡量減少傷害和設備損壞以確保電力設備安全可靠地運行至關重要。為此，有關技術人員應加強技術研究，使他們能夠在更多領域發揮重要作用。

六、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。

七、 安科瑞ARB5-M弧光保護產品功能和技術參數

八、 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。