摘要:隨著變配電系統(tǒng)中6kV~35kV中低壓開關(guān)柜的廣泛應(yīng)用,由開關(guān)柜內(nèi)因弧光短路故障而引發(fā)供配電設(shè)備損壞事故目益增多。本文根據(jù)在新疆油田電網(wǎng)中因弧光短路引發(fā)的停電事故,結(jié)合相關(guān)理論分析了弧光短路故障的成因及特征,介紹了在實(shí)際工程使用電弧光保護(hù)裝置來減少因弧光短路故障引發(fā)停電事故的技術(shù)措施。
關(guān)鍵詞:弧光短路;中低壓開關(guān)柜;供配電設(shè)備;事故;電弧光保護(hù)
0引言
隨著變配電系統(tǒng)中6kV一35kV中低壓開關(guān)柜的廣泛應(yīng)用,由開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生弧光短路故障而引發(fā)的供配電設(shè)備損壞事故Et益增多。中低壓開關(guān)柜在內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí),必然出現(xiàn)電弧光的現(xiàn)象,而電弧光是供電設(shè)備損壞的能量來源。目前電網(wǎng)內(nèi)無人值守的變電站數(shù)量迅速增多,但存在保護(hù)不完善的弱點(diǎn),由于開關(guān)柜的弧光短路故障沒有得到及時(shí)清除,發(fā)展為中低壓母線故障,事故范同擴(kuò)大,弧光短路故障的高溫、高壓、高能通常會(huì)燒毀整段母線設(shè)備,造成變電站供電區(qū)域大面積停電的嚴(yán)重事故,進(jìn)而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,在6kV~35kV中低壓開關(guān)柜內(nèi)安裝快速、可靠的電弧光保護(hù)裝置,快速檢測(cè)并切除開關(guān)柜內(nèi)的弧光短路故障,防止事故擴(kuò)大,提高供電可靠性是十分有必要的。
本文根據(jù)在新疆油田電網(wǎng)中因弧光短路引發(fā)的停電事故,結(jié)合相關(guān)理論分析了弧光短路故障的成因及特征,介紹在實(shí)際工程使用電弧光保護(hù)裝置來減少因弧光短路故障引發(fā)停電事故的技術(shù)措施。
1電弧光短路故障產(chǎn)生的原因及特性、危害
電弧光短路故障是電力系統(tǒng)中比較常見的故障,絕緣損壞、外來物體進(jìn)入、人為操作失誤、設(shè)備老化以及系統(tǒng)方面的原因都可能引起電弧光短路故障。電弧是放電過程中發(fā)生的一種現(xiàn)象,當(dāng)兩點(diǎn)之間的電壓超過其工頻絕緣強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生。當(dāng)兩點(diǎn)之間的電壓升高時(shí),在電近處空氣中的正負(fù)離子被電場(chǎng)加速,在移動(dòng)過程中與其它空氣分子碰撞產(chǎn)生新的離子,這種離子大量增加的現(xiàn)象稱為“電離",空氣被電離的同時(shí),溫度隨之急劇上升產(chǎn)生電弧,這種放電稱為弧光放電?;」夥烹娨话悴恍枰芨叩碾妷?,屬于低電壓大電流放電。只要放電點(diǎn)兩端的電壓提供的能量足以補(bǔ)償熱損耗并維持適當(dāng)?shù)臏囟葪l件,電弧將會(huì)持續(xù)發(fā)生如果電弧被拉長(zhǎng)和冷卻,電弧會(huì)因維持它的必要條件缺,大進(jìn)而熄滅?;」夥烹姲措娀“l(fā)生的不同部分可分為帶電導(dǎo)體問的電弧、帶電導(dǎo)體與地之間的電弧和絕緣表面的爬電。電弧故障的危害程度取決于電弧電流及切除時(shí)間,電弧產(chǎn)生的能量與It成指數(shù)規(guī)律快速上升(如圖1所示)按IEC一62271—200標(biāo)準(zhǔn)和IEEEC37.20.7標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.開關(guān)柜能承受內(nèi)部放電燃弧的時(shí)間僅為lOOms,目前市場(chǎng)上銷售的開關(guān)柜基本是按照IEC標(biāo)準(zhǔn)制造,當(dāng)總切除時(shí)間大于lOOms時(shí).將會(huì)對(duì)設(shè)備造成不同程度的損害。實(shí)際中,當(dāng)中低壓開父柜內(nèi)發(fā)生弧光短路時(shí),南于電弧電阻的原岡,短路電流往往達(dá)不到過流、速斷整定值而不能快速動(dòng)作切斷故障、電弧持續(xù)燃燒的結(jié)果是釋放m巨大的能量。由于沒有得到及時(shí)清除,發(fā)展為中壓母線故障,燒毀開關(guān)柜,造成變電站停電。
中低壓殲關(guān)柜柜體內(nèi)形成電弧的過程可分為4個(gè)階段。1)壓縮階段:電弧占據(jù)了整個(gè)空氣空間.柜內(nèi)的空氣被加熱;2)擴(kuò)展階段:柜體內(nèi)壓力增加,在這個(gè)階段其壓力達(dá)到大值.并因?yàn)闊峥諝獾尼尫哦_始減弱;3)發(fā)射階段:由于電弧能量的持續(xù)釋放.幾乎所有的柜內(nèi)空氣被壓力擠壓出去;4)發(fā)熱階段:在驅(qū)逐出空氣后,柜內(nèi)的溫度幾乎達(dá)到電弧的溫度,直至熄滅。此時(shí),所有金屬和絕緣體在受到產(chǎn)生的氣體、炯霧和溶蝕物質(zhì)顆粒的侵蝕后融為一體。
發(fā)生電弧的故障點(diǎn)局部高溫達(dá)2000℃一3000℃,可輕易引燃周邊可燃物質(zhì),不僅可能燒毀開關(guān)設(shè)備、導(dǎo)線、電纜,更甚者可能引起惡性電氣短路,引發(fā)火災(zāi)。在有人值守運(yùn)行的場(chǎng)所,電弧光還可能會(huì)對(duì)運(yùn)行人員產(chǎn)生強(qiáng)光、燒傷、輻射、有毒氣體等人身傷害。
2對(duì)油田電網(wǎng)中弧光短路故障分析
近年來.新疆油田電網(wǎng)發(fā)生多起無人值守變電站內(nèi)弧光短路故障引發(fā)火災(zāi),燒毀電氣設(shè)備,造成變電站停電的事故。以新疆油田電網(wǎng)中發(fā)生的近一次弧光短路引發(fā)變電站火災(zāi)事故為例,負(fù)責(zé)新疆油田供電的陸梁35kV變電站內(nèi)35kV電壓互感器發(fā)生c相接地,導(dǎo)致非接地相相電樂升高,擊穿電壓互感器B相絕緣薄弱點(diǎn)后.發(fā)生BC相短路,上級(jí)l10kV變電站線路保護(hù)動(dòng)作,35kV線路停電,BC相短路消除,隨后線路重合閘動(dòng)作,開關(guān)重合后,35kV變電站恢復(fù)送電,但站內(nèi)存在單相接地故障持續(xù)約20min,再次發(fā)生BC相短路,上級(jí)110kV變電站保護(hù)動(dòng)作,斷路器斷開故障電流,重合閘起動(dòng),母線保護(hù)動(dòng)作,斷開故障電流。由于該35kV變電站是無人值守變電站,運(yùn)行人員趕到現(xiàn)場(chǎng)時(shí),變電站內(nèi)35kV配電室已經(jīng)發(fā)生火災(zāi).35kVI段母線上開關(guān)柜大部分被燒毀,變電站供電區(qū)域內(nèi)的油田生產(chǎn)設(shè)施全部因停電停運(yùn),給油田生產(chǎn)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。
究其原因,目前新疆油田電網(wǎng)電力系統(tǒng)6kV~35kV中性點(diǎn)采用的是不接地運(yùn)行方式,根據(jù)《電氣事故處理規(guī)程》的規(guī)定,在出現(xiàn)單相金屬性接地時(shí),可以運(yùn)行1h-2h,在出現(xiàn)單相弧光接地時(shí)可以運(yùn)行15min,上述事故變電站在出現(xiàn)單相接地短路后仍然運(yùn)行20min左右.沒有及時(shí)切除弧光短路故障,直到相問弧光短路燒毀開關(guān)柜設(shè)備,導(dǎo)致上級(jí)變電站保護(hù)動(dòng)作。由此可見在實(shí)際作中一旦產(chǎn)生弧光接地,過電壓以及大的接地電流對(duì)電氣設(shè)備的損壞是十分迅速的。本次事故短路點(diǎn)發(fā)生在連接于35kV時(shí)線的電壓互感器上,故障很快波及到母線.但在目前保護(hù)配置中.中低壓開關(guān)柜內(nèi)母線沒有配置母線保護(hù),母線上儲(chǔ)現(xiàn)短路故障只能依靠上的保護(hù)動(dòng)作(如變壓器的后備過流保護(hù)),動(dòng)作時(shí)間為1.4s~2.0s,無法滿足快速切除母線故障的要求,導(dǎo)致事故擴(kuò)大,開關(guān)設(shè)備損毀。從電網(wǎng)宏觀層面分析,隨著近些年電網(wǎng)內(nèi)電力電纜使用數(shù)量的逐漸增多,在電力電纜與大地之間存在等效電容,其單相接地電容電流已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)大的程度,發(fā)生事故的變電站單相接地電流經(jīng)過計(jì)算約為22A,正好處在及其容易發(fā)生單相弧光接地電流10A~30A的區(qū)間內(nèi),從而引發(fā)弧光短路故障。
新疆油田電網(wǎng)中近年來發(fā)生35kV變電站因?yàn)榛」舛搪饭收弦l(fā)停電事故.經(jīng)分析都是南單相弧光接地引起過電壓,弧光接地在接地點(diǎn)造成弧光間隙性反復(fù)燃燒,而產(chǎn)生的過電壓倍數(shù)可達(dá)到正常相電壓幅值的3倍~3.5倍,其電壓幅值大大超過了電壓互感器絕緣層和對(duì)地空氣絕緣間隙所能耐受的電壓幅值.并在絕緣薄弱環(huán)節(jié)擊穿,造成相間短路,形成相間弧光短路,終引起火災(zāi).燒毀配電開關(guān)設(shè)備。
綜上所述,變電站弧光短路故障通常開始于單相接地,因?yàn)橹行渣c(diǎn)不接地運(yùn)行方式,允許出現(xiàn)單相接地后短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)運(yùn)行,在這段時(shí)間內(nèi),接地點(diǎn)處其易形成不穩(wěn)定的間隙性弧光接地。從而產(chǎn)生過電壓.擊穿系統(tǒng)中絕緣薄弱地方。同時(shí)強(qiáng)烈的電弧將引起兩相或相短路,形成相間弧光短路,造成電氣設(shè)備嚴(yán)重破壞,危及供電。
3電弧光保護(hù)的應(yīng)用
3.1弧光保護(hù)原理
電弧光保護(hù)主要是通過對(duì)檢測(cè)弧光與故障電流,將總故障切除時(shí)間控制在開關(guān)柜可承受的燃弧時(shí)間內(nèi),將弧光短路的危害降到低。電弧光保護(hù)系統(tǒng)測(cè)量的光和電擁有不同的物理性質(zhì)的參數(shù),系統(tǒng)利用光與電相與的判據(jù)原理,當(dāng)個(gè)判據(jù)均滿足動(dòng)作要求時(shí),發(fā)出跳閘命令動(dòng)作于斷路器跳閘(如圖2所示)。目前的電弧光保護(hù)響應(yīng)速度,從檢測(cè)電弧光到繼電器跳閘輸出僅需要5ms~7ms的時(shí)間。
3.2電弧光保護(hù)在油田電網(wǎng)的應(yīng)用
國(guó)外在20世紀(jì)90年代初開始將弧光保護(hù)用于中低壓開關(guān)柜內(nèi)部故障保護(hù),目前電弧光保護(hù)在歐美得到廣泛的應(yīng)用。中國(guó)于2000年后開始使用進(jìn)口專用母線電弧保護(hù),2010年后國(guó)產(chǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品也已投入市場(chǎng)。
目前在新疆油田電網(wǎng)實(shí)際建設(shè)運(yùn)行中.對(duì)供電可靠性要求較高、停電后會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重?fù)p失的變電站(如新疆油田公司數(shù)據(jù)中~35kV變電站、克拉瑪依石化公司1#llOkV變電站)內(nèi)的6kV~35kV開關(guān)柜均安裝了電弧光保護(hù)裝置。項(xiàng)目中采用了電弧光保護(hù)裝置(如圖3所示),在變電站內(nèi)每段10kV高壓開關(guān)柜內(nèi)裝設(shè)一套電弧光保護(hù)裝置,完成在弧光短路故障下對(duì)母線和電纜頭的快速保護(hù),可以避免弧光故障時(shí)產(chǎn)生的電弧光對(duì)設(shè)備及人員造成的嚴(yán)重傷害。在各回路的母線室、電纜頭室分別配置弧光點(diǎn)傳感器,當(dāng)母線室內(nèi)發(fā)生弧光故障時(shí),快速斷開本段母線的進(jìn)線斷路器和母聯(lián)斷路器;電纜頭室發(fā)生弧光故障時(shí),快速斷開出線回路斷路器而不影響母線及其他回路,故障擴(kuò)大,減少停電范圍。
電弧光裝置由控制主單元、I/O單元、弧光傳感器以及通訊連接電纜組成。其中主控單元主要功能為接收直接弧光擴(kuò)展單元的弧光信號(hào),對(duì)兩組三相電流、零序電流、零序電壓檢測(cè)。通過對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,通過電流過流和弧光雙重判據(jù),進(jìn)行編程,發(fā)出跳閘指令。同時(shí)對(duì)所有單元持續(xù)自檢,具有斷路器失靈保護(hù)和弧光故障定位功能;弧光擴(kuò)展單元功能主要為接人多個(gè)弧光傳感器(可多接人12個(gè)弧光傳感器)解決了主控單元弧光傳感器接入接口少的問題,接收弧光信號(hào)后將弧光信號(hào)傳輸給主控單元、完成電纜頭弧光保護(hù)的跳閘輸出?;」鈧鞲衅骶哂?70°的檢測(cè)范圍,直接連接至弧光擴(kuò)展單元,用于弧光的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通訊電纜:在主控單元與擴(kuò)展單元和弧光傳感器之間傳輸電源、監(jiān)控信號(hào)和跳閘信號(hào)。目前弧光保護(hù)裝置的整定值應(yīng)小于主變后備保護(hù)過流I段定值,保護(hù)動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于5ms。
裝置安裝運(yùn)行至今已近半年時(shí)間,運(yùn)行穩(wěn)定.未發(fā)生誤動(dòng)、拒動(dòng)等現(xiàn)象。
4安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)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(fèi)用1500元。
(2)主控板和采集板數(shù)量之和不能大于4。
(3)弧光探頭到采集板的長(zhǎng)度不能超過20米。
(4)如有特殊要求,請(qǐng)?zhí)貏e注明。
5安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品功能和技術(shù)參數(shù)
6安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)安裝
弧光保護(hù)主控單元、探頭安裝圖如下。
7結(jié)論
隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展,中低壓開關(guān)設(shè)備在電網(wǎng)與用戶之間的“樞紐"作用越來越顯著,而弧光短路故障對(duì)中低壓開關(guān)設(shè)備的損壞以及對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來了嚴(yán)重影響。電弧光保護(hù)作為一種可以快速切除中低壓開關(guān)柜內(nèi)弧光短路故障的技術(shù)手段,具有原理簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠迅速等優(yōu)點(diǎn)。因此,隨著人們對(duì)電弧光保護(hù)認(rèn)識(shí)的深入,其運(yùn)行和整定也將更加成熟和完善,在丁程實(shí)踐中推廣使用電弧光保護(hù)。消除弧光短路故障對(duì)中低壓開關(guān)設(shè)備的影響,保證用戶用電可靠性要求,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
參考文獻(xiàn):
[I]馬曉煒,孫亮.淺談電弧光保護(hù)在新疆油田電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].2017.
[2]吳志勇.電弧光保護(hù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用I.四川電力技術(shù),2009,32(4).
[3]王德志,張愛萍l電弧光保護(hù)在應(yīng)用實(shí)踐中的改進(jìn)I.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,24.
[4]閻相環(huán).單相弧光接地故障分析和防范Ⅱ清源化工,2008,5(12).
[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5(版).