浅析电弧光保护在火力发电厂用电高压系统中的应用
安科瑞 陈聪
摘要：介绍了电弧光保护装置的组成,对火力发电厂高压厂用电系统保护的现状及存在的不足进行了分析,以一个典型的2×300MW火力发电厂工程为例,讨论了高压厂用电系统电弧光保护装置的设计应用方案,对电弧光保护装置的应用前景进行了展望。
关键词：电弧光保护；高压厂用电系统；应用
0引言
随着我国电网特高压、大电网发展的不断深化,对于发电厂安全、可靠运行的要求不断提高。作为电网中的主要电源,火力发电厂的安全可靠性直接影响电网的安全可靠性。高压厂用电系统的安全运行直接关系到整个电厂的安全可靠性,因此,高压厂用电系统的保护显得至关重要。
按照我国现行的厂用电和继电保护设计规程规范,高压厂用电系统一般不配置快速母线保护,而是由上元件的后备保护来切除母线短路故障。此种配置导致故障切除时间延长,加大了设备的损害。近年来,随着系统短路电流的不断增长,由于厂用电系统短路故障切除不及时引起的电弧光对设备及人员造成伤害的事故时有发生,为防止该问题而设计的电弧光保护系统在火电厂中也有了应用。本文主要从电弧光保护的原理、构成及其在火电厂高压系统应用的典型方案出发,对该保护系统的应用进行探讨。
1火力发电厂高压厂用电系统的保护现状
根据GB/T14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》和DL/T5153—2002《火力发电厂厂用电设计技术规定》,针对高压厂用电源及母线故障的保护配置一般为:
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相间短路故障保护。厂用变压器装设过电流保护,用于保护变压器及相邻元件的相间短路故障,保护装于变压器电源侧;在二次侧(3kV,6kV,10kV)母线断路器上装设电流限速断保护,带时限动作于该分支断路器。
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单相接地故障保护。300MW机组高压厂用电源多为低电阻接地系统,其厂用母线和厂用电源回路的单相接地保护由接于电源变压器中性点的电阻取得零序电流来实现,保护动作后带时限切除该回路断路器。
综上所述,高压厂用母线不配置快速母线保护,而是由上元件的后备保护来切除母线短路故障,故障切除时间延长。
2电弧危害和电弧光保护的原理
2.1电弧造成的危害
高压开关柜内断路器设备发生短路时产生的电弧使开关柜内的温度、压力迅速上升,从而造成重大危害。
(1)电弧温度高,由于过热造成母线铜排、铝排熔毁,电缆熔毁,电缆绝缘层着火,严重时引发配电室或电缆沟火灾。
(2)压力、温度剧增造成开关设备爆炸。
(3)碎片飞射、高温、强光、有害气体、爆炸音等造成人员伤害。
(4)由于弧光引起事故扩大,会造成更大面积的停电和火灾事故,导致停机或全厂停电。
2.2电弧光保护的原理
电弧光保护系统主要是基于弧光增量动作判据,并辅以电流增量动作判据,当2个判据均发出跳闸令时,动作跳闸。电弧光保护系统主要由2部分组成:弧光传感器和控制保护主单元。弧光传感器分散布置在高压开关柜内的母线室和断路器室内;控制保护单元集中布置在电源柜内,采集弧光传感器及电流传感器的动作数据,实现控制保护逻辑及跳闸输出。电弧光保护系统的故障切除总时间为80～100ms,可避免设备受电弧危害而损坏。
2.3电弧光保护的特点
电弧光保护采用弧光作为故障主判据并采用过电流作为闭锁条件,原理简单,同时也保证了可靠性。另外,该整套保护系统具有较好的速动性,可快速切除高压厂用母线的短路故障,防止设备损坏和人员损伤。由于弧光传感器定值的整定无成熟的规范依据,因此,该保护系统需要更多的运行经验,弧光传感器的元件质量也直接影响保护系统的性能。
3电弧光保护系统的构成
电弧光保护系统的构成如图1所示,该系统一般包含4个部分。
图1电弧光保护系统构成示意图
(1)控制保护主单元。主单元包含电流检测和控制保护功能,通过分析处理电流检测数据和来自弧光传感器的动作信息,在满足跳闸条件时,发跳闸令切除故障。主单元一般具有断路器失灵保护功能,在进线断路器不能切除故障时,启动失灵保护逻辑,跳上断路器。此外,主单元还应具有数据传输、故障信息上传、就地显示等功能。
(2)弧光传感器。弧光传感器分散安装于开关柜母线室和断路器室内,作为光感应元件,应检测在故障中增强的光强并将光信号转换为电信号传送给辅助单元。
(3)辅助单元。辅助单元分散安装在开关柜内,收集来自弧光传感器的故障动作信息并汇总上传给主单元。每个辅助单元可接入多个弧光传感器。
(4)辅助元件有通信电缆等,主要用于联结以上3部分设备,共同组成完整的电弧光保护系统。
4高压厂用电系统电弧光保护典型方案
在典型的2×300MW火力发电厂工程中,每台机组设1台高压厂用工作变压器和2段高压厂用母线。高压厂用工作变压器低压侧采用双分裂绕组,2个绕组分别接入对应的高压母线段,高压母线备用电源引自全厂公用的启动备用变压器。下面介绍一种应用于上述工程条件的高压厂用电系统电弧光保护的典型设计方案。
4.1主单元的配置
电弧光保护系统及主单元按高压厂用电母线段配置,即每段高压厂用母线配置1套电弧光保护系统。在工作电源进线开关柜配置1台主单元,用于工作进线的电流检测和整个系统的控制保护;同时,在备用电源进线柜配置1台电流辅助单元,用于备用电源进线的电流检测。
4.2弧光传感器的配置
在每面高压开关柜的母线室和断路器室分别配置弧光传感器,用于检测开关柜在故障时的增强光强。也可根据技术经济分析,仅在母线室配置弧光传感器。
4.3辅助单元的配置
单台辅助单元可接入多台弧光传感器,因此,辅助单元的配置数量根据实际选用的弧光保护装置辅助单元的接入能力确定。应保证电弧光传感器的接线距离短,8～10面开关柜设置1台辅助单元。
4.4保护跳闸出口
按母线段配置的电弧光保护系统,当弧光判据和电流判据均满足动作条件时,应发跳闸令动作于该母线段工作电源进线断路器和备用电源进线断路器跳闸。是否投入断路器失灵功能,需根据系统条件和电弧光故障情况综合分析确定。
5安科瑞ARB5-M弧光保护产品选型说明
ARB5-弧光主控单元
| 技术参数代码 | 代码说明 |
| 弧光主控板数 | |
| 0 | 0块主控板，可接0块采集板信号 |
| 1 | 1块主控板，可接6块采集板信号 |
| 2 | 2块主控板，可接12块采集板信号 |
| 3 | 3块主控板，可接18块采集板信号 |
| 4 | 4块主控板，可接24块采集板信号 |
| 弧光采集板数 | |
| 0 | 0块采集板，可直接采集0个弧光探头信号 |
| 1 | 1块采集板，可直接采集5个弧光探头信号 |
| 2 | 2块采集板，可直接采集10个弧光探头信号 |
| 3 | 3块采集板，可直接采集15个弧光探头信号 |
| 4 | 4块采集板，可直接采集20个弧光探头信号 |
| 电流输入 | |
| 1 | 1A |
| 5 | |
| 电源 | |
| 1 | 装置电源为DC110V，开入电源DC110V |
| 2 | 装置电源为DC220V，开入电源DC220V |
| 3 | 装置电源为AC110V，开入电源DC24V（装置自带） |
| 4 | 装置电源为AC220V，开入电源DC24V（装置自带） |
| 电源 | |
| 0 | 不需要 |
| 1 | 支持MMS |
| 2 | 支持MMS，GOOSE |
（1）＊表示可选附件，需要另外增加费用1500元。
（2）主控板和采集板数量之和不能大于4。
（3）弧光探头到采集板的长度不能超过20米。
（4）如有特殊要求，请特别注明。
6安科瑞ARB5-M弧光保护产品功能和技术参数
| 型号 | 主要功能 | 技术参数 |
|
ARB5-M弧光保护主控单元 | 8组弧光保护 | 可选配4块采集板，1块采集板可采集5路探头，共支持20路弧光探头直接采集。 亦可选配4块主控板（即可接入4台ARB5-E扩展单元）1块主控板可接收6块采集板的探头，共支持120路弧光探头采集。 |
| 4组失灵保护 | ||
| 4组电流回路TA监测 | ||
| 4组三相电流采集 | ||
| 11路可编程跳闸出口 | ||
| 非电量保护 | ||
| 装置故障告警 | ||
| 2路RS485 | ||
| 2路以太网 | ||
| 1路打印接口 | ||
| 1路IRIG-B码对时接口 | ||
| 支持IEC61850、modbusRTU、modbusTCP、IEC103 | ||
| 支持GOOSE输入输出（选配） | ||
|
ARB5-E弧光保护扩展单元 | 弧光信号采集 | 可选配6块采集板，1块采集板可采集5路探头，共支持30路弧光探头直接采集。 |
| 模拟状态传输 | ||
| 需要配合ARB5-M主控单元使用 | ||
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ARB5-S弧光探头 | 弧光信号监测 | 点式弧光传感器，可安装于 母线室、电缆室或断路器室。 |
| 现场调试及工程服务费 | 视项目情况核价 |
7安科瑞ARB5-M弧光保护产品现场安装
弧光保护主控单元、探头安装图如下。
8结束语
电弧光保护作为一种原理简单、速动性好的新型保护系统,为火力发电厂高压厂用电系统母线故障保护,减少设备损坏和人员损伤,提供了一种良好的途径。目前,在渭河电厂2×300MW工程、灞桥电厂2×300MW工程等项目的高压厂用电系统中,电弧光保护系统已得到了应用,至今运行情况良好。今后的工程项目中,电弧光保护系统在火力发电厂厂用电系统中的应用必将更加广泛,随着应用实例的不断增加,其运行整定也将更加完善和成熟。
参考文献：
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邹瑄.电弧光保护在火电厂高压厂用电系统中的应用．
[2] 安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5（版）.