中低压母线及馈线电弧光保护解决方案

电弧光保护及其在中低压开关柜和母线保护中的应用分析【摘要】本文主要介绍了电弧光保护及其在中低压开关柜和母线保护中的应用分析。

在文章从背景介绍、研究意义和研究目的三个方面入手，引出电弧光保护的研究背景和意义。

接着在详细介绍了电弧光保护的原理，以及在中低压开关柜和母线保护中的具体应用情况。

之后从优势分析和案例分析两个角度对电弧光保护进行了深入探讨。

结论部分分析了电弧光保护的应用前景，并进行了总结和展望。

通过本文的阐述，读者可以更加全面深入地了解电弧光保护技术在中低压开关柜和母线保护中的重要性和应用情况，为相关领域的研究和实践提供参考。

【关键词】关键词：电弧光保护、中低压开关柜、母线保护、原理、应用、优势分析、案例分析、应用前景、总结、展望。

1. 引言1.1 背景介绍在传统的电弧故障保护技术中，主要采用电流和电压等参数进行检测并进行干预，但是这种方法存在着响应速度慢、误报率高等问题。

而电弧光保护技术则是一种基于检测电弧光的光谱特征来实现故障检测和保护的新技术。

它通过检测电弧光的频谱特征来实时判断电弧故障的发生，并迅速断开故障电路，有效避免了事故的扩大。

电弧光保护技术具有响应速度快、误报率低、保护效果好等优点，在工业生产和电力系统中具有广阔的应用前景。

1.2 研究意义电弧光保护技术是一种新型的电气安全保护技术，可以有效地对电气设备中的电弧故障进行监测和保护。

在现代工业生产中，电气设备的电弧故障不仅会造成设备的损坏，还可能引发火灾和安全事故，对生产和人员造成巨大的危害和损失。

研究和应用电弧光保护技术具有重要的意义。

电弧光保护技术可以提高电气设备的安全性和可靠性，有效地减少因电弧故障引发的事故。

采用电弧光保护技术可以提高电气设备的运行效率和稳定性，减少设备的维护和维修成本，延长设备的使用寿命。

电弧光保护技术还可以提高生产效率，降低生产成本，提高企业的竞争力。

研究和应用电弧光保护技术对促进工业生产的安全、高效、可持续发展具有重要的意义。

什么是电弧光保护？如何实现有效的厂用中、低压母线保护1 目前存在的问题目前，380伏/1千伏/3千伏/6千伏/10千伏/35千伏开关柜中没有专用的母线保护，但在国外电力行业已经普及95%以上；国内采用变压器过流保护用于母线后备保护，理论上必须延时300～500毫秒，实际上动作时间可能长达1.5～2秒，起不到对母线的真正保护，并且使变压器低压侧绝缘有较大的结构性损坏，所以目前的母线后备保护是有缺陷的。

开关设备内电弧光产生的人为原因有误入带电间隔、隔离开关误操作、带接地线合闸、忘记测量工作区内的电压。

技术原因有设备故障和带电设备的误操作，设备正常检修后，遗漏工具在开关设备内，错误的接线和母线连接，绝缘老化和机械磨损、过电压、小动物（尤其是老鼠）、灰尘、温度、湿度、腐蚀等环境因素。

如果在开关柜内发生电弧光故障，由于开关柜中的空气压力和温度迅速增加，如果不及时切除，将造成人员伤亡、设备损坏等重大损失。

中、低压开关柜是供电系统的供电枢纽。

在发生内部故障时，是否能迅速地切除故障，对配电系统的安全运行至关重要。

但是，按目前的保护方案，中压母线尚没有配置任何专门的保护，而是由进线开关的相关后备保护来兼顾的；但是进线开关与出线开关的保护需要相互配合；一般速断保护延时的级差至少为300毫秒，甚至500毫秒或更长；而过流保护的配合级差更是长达1～2秒。

所以，配电系统中、低压母线上所发生的任何故障都至少要延时切除。

换句话说，现有的厂用中、低压母线能在第一时间切除故障的保护还是个空白。

可是，我们只要稍加注意，就会发现，不论是中、低压（开关柜）母线的上游还是下游的诸多电气设备都配有快速保护。

相比之下，中、低压母线的安全性和可靠性却没有得到足够的重视。

鉴于中、低压母线的重要地位，任何故障的延时切除，都是我们极不愿意看到的状况。

因为开关柜内的各种故障，其短路电流所产生的电弧及其大量的高温，使柜内气体急剧膨胀，可在极短的时间内达到顶峰，严重危及人身和设备安全。

电弧光保护及其在中低压开关柜和母线保护中的应用的开题报告题目：电弧光保护及其在中低压开关柜和母线保护中的应用一、研究背景和意义：电弧现象是电力系统中普遍存在的一种现象，其会给电力系统带来安全隐患，造成生命财产损失。

针对这一问题，人们提出了电弧光保护技术，旨在检测并及时断开电弧的电路，有效地保护人员和设备的安全。

在中低压开关柜中，电弧光保护被广泛应用，其可通过检测电弧的特征信号，唤醒保护装置在毫秒级别内触发开关断路器，切断电流，从而保护电力系统的安全。

电弧光保护还可在母线保护中应用，以检测短路故障的发生和确定故障位置，在第一时间内采取保护措施，避免事故扩大。

二、研究内容和方法：本研究将围绕电弧光保护及其在中低压开关柜和母线保护中的应用展开研究，主要内容包括：（1）电弧光保护技术原理和实现方法的介绍。

（2）中低压开关柜中电弧光保护的应用场景、保护原理、装置选择原则及应用效果等方面的研究。

（3）母线保护中电弧光保护的应用场景、检测原理、位置识别方法及应用效果等方面的研究。

在研究方法方面，本研究将采用文献研究和案例分析相结合的方法，以深入探讨电弧光保护及其应用在电力系统中的具体实现方式和效果。

三、研究进展及预期成果：目前，国内外关于电弧光保护技术的研究已经开始出现，同时，中低压开关柜和母线保护中也开始广泛应用该技术。

通过对相关文献和案例的分析研究，本研究预期得出以下预期成果：（1）掌握电弧光保护技术的原理和实现方法，以及它在电力系统中的应用。

（2）探讨中低压开关柜和母线保护中电弧光保护的应用原理、检测方法、位置识别等问题，提供技术选择和应用建议。

（3）总结电弧光保护技术的应用效果及其对电力系统安全稳定运行的促进作用，为电力系统的智能化、自动化运行提供技术支持。

四、研究时间表：本研究的时间表如下：第一阶段（一个月）：文献调研和数据收集。

第二阶段（两个月）：对电弧光保护技术的原理和实现方法进行研究。

第三阶段（三个月）：对中低压开关柜中电弧光保护的应用进行研究。

弧光保护的应用方案及优势摘要：在变电站、电厂、工业企业等场合的中低压母线及开关柜中产生弧光短路时，弧光保护可以在传感器气的覆盖区域内快速定位动作，切断故障电流，最大限度的降低弧光短路对人员及设备的伤害。

弧光保护具有速动性、可靠性、选择性、灵敏性要求。

关键字：弧光保护、速动、可靠、灵敏、降低危害引言弧光短路在中低压母线及开关柜断路器端常有发生，容易引发设备损坏、爆炸，严重的会导致人员受伤。

在变电站、电厂、工业企业这样的运行环境复杂、运行要求高的场所，弧光保护能带来更快速、可靠、灵敏的安全保障。

一、一般容易引发弧光短路的主要原因有1.操作人员误操作行为：误入带点间隔、误操作隔离开关、带接地线合闸、误将工具遗漏在开关设备内等，人为失误造成的电气不规范操作，此类问题大面积存在。

2.电气因素：在施工接线或者后期维护的时候，电气连接错误、设备故障，引起的母线误接或者电气短路问题。

3.环境因素：随着设备运行时间的增加，绝缘老化、机械磨损、灰尘、温度、湿度及腐蚀，使得开关本体及辅助机械失去了原有的电气可靠性。

二、电弧光的危害1.弧光产生的瞬间，容易造成温度急升，导致铜牌等金属器件气化；严重的会导致压力上升过快，开关设备发生爆炸。

2.孤光故障出现后，瞬间提升的短路电流使上一级变压器承受近距离短路冲击，可能造成变压器绕组变形，进而造成变压器绕组的匝间短路。

3.并且瞬间高温、强光及爆炸会灼伤作业人员的皮肤、刺伤眼睛，泄露出有害气体也能直接对人体造成伤害。

三、传统方案及弧光保护方案的对比（一）传统的保护方案是采用中低压侧主变后备保护，线路保护设备的元件过流保护，有部分地区配置简易母差保护来实现。

1.各类元件保护动作的时间较长，主变后备一般在1S以上，线路间隔一般在200MS，母差保护在30~45ms。

当出现弧光短路时，主变后备和线路间隔动作明显缓慢，而母差保护在电网的10kV~35kV侧一般都不进行配置。

2.使用常规元件保护，施工接线复杂，需要接入模拟量、开入、开出，并且要配置公用设备采集设备信号。

水电工程Һ㊀在中低压开关柜中弧光保护的应用分析李小晖摘㊀要:中低压开关柜作为电能生产与分配的基础设施之一ꎬ使用量逐年增加ꎬ如何保证中低压开关柜安全可靠运行ꎬ降低电气事故损失越来越多地受到重视ꎮ同时ꎬ怎样确保中低压开关柜的运行可靠性与安全性ꎬ减少电气事故的损失是更需重视且急需解决的问题ꎮ基于此ꎬ文章首先将阐述弧光产生的机理与电弧的危害ꎬ然后分析故障保护的原理与系统构成ꎬ最后使用实际的工程案例说明弧光保护在中低压开关柜保护过程中的应用价值ꎬ希望能够提供一定的参考价值ꎮ关键词:弧光保护ꎻ中低压ꎻ开关柜一㊁电弧的产生机理的分析在放电的过程当中ꎬ经常会因为两点之间的电压比介质的绝缘强度高而出现电弧的问题ꎬ只要有充足的能量弥补热损耗ꎬ并始终处在一种适宜的温度下ꎬ电弧就会一直存在ꎮ例如ꎬ１０ｋＶ系统弧光放电的发生过程ꎬ如图１所示ꎮ电弧的形成是当导体之间的绝缘强度不足时ꎬ受强电场的作用而出现分子与原子游离的过程ꎮ在这种情况下ꎬ最接近电极位置空气中的正负电子会加速ꎬ在移动的过程中和其他的空气分子原子产生碰撞并形成新的离子ꎬ同时也会造成弧光与大量热能的产生ꎮ弧光同时也展现出特殊的时间特性行为ꎬ如电网中电压和电流以５０Ｈｚ运行时ꎬ弧光脉冲的光功变化频率为１００Ｈｚꎮ峰值的幅度或许会随着弧光事件的不同而变化ꎬ但是１００Ｈｚ的脉动在所有时间中是固定不变的ꎮ图１㊀１０ｋＶ弧光放电的物理机理图二㊁电弧危害的分析(一)电弧光爆炸电弧光不仅能引起绝缘物质燃烧ꎬ而且可以引起金属熔化㊁飞溅ꎬ构成火灾㊁爆炸的火源ꎻ电气设备本身除多油断路器㊁电力电容器㊁电力变压器㊁充油套管等充油设备可能炸裂外ꎬ一般不会出现爆炸事故ꎮ但是ꎬ以下情况可能引起空间爆炸:周围空气有爆炸性混合物ꎬ在危险温度或电火花作用下引起空间爆炸ꎻ充油设备的绝缘油在电弧作用下分解或气化ꎬ喷出大量油雾和可燃气体ꎬ引起爆炸ꎻ发电机氢冷却装置漏气ꎬ酸性蓄电池排出氢气等ꎬ形成爆炸性混合物ꎬ引起空间爆炸ꎮ(二)对人的危害电弧事故对人的危害主要体现在以下几点:第一ꎬ熔化的金属会渗到人的皮肤中ꎬ导致皮肤金属化ꎻ在高温燃烧的过程中ꎬ产生的粉尘与有毒气体会损害人的呼吸系统ꎻ第二ꎬ高强度的弧光会对眼睛造成伤害ꎬ严重时会导致眼角膜的脱落ꎻ第三ꎬ在弧光电流对人体产生一定作用的时候ꎬ肌肉会不自主的收缩ꎬ也可能会导致皮肤㊁血管以及神经等受到损伤ꎮ(三)对设备的危害在电弧出现的过程当中ꎬ也会伴随有大量的高温高压气体ꎬ并导致开关柜变形或破碎ꎮ此外ꎬ燃烧震动波也会使得开关柜发生剧烈震动ꎬ并让紧固件变松与脱落ꎮ而且高温还会导致电缆燃烧等问题ꎬ严重的时候也会把开关柜外壳的金属融化ꎬ并造成火灾事故ꎮ三㊁弧光保护原理与系统构成的分析(一)弧光保护原理由故障所导致的弧光是弧光保护的关键动作依据ꎬ从弧光故障出现到检测到这一故障总共花费的时间小于ｌｍｓꎮ而且ꎬ想要提高弧光保护的有效性ꎬ也应该要充分考虑故障电流与故障电流增加的量ꎮ具体来讲ꎬ就是对弧光与电流增加时发出的跳闸指令进行检测ꎮ(二)弧光保护系统构成弧光保护的系统包含了弧光主控单元㊁弧光检测等辅助单元及弧光传感器等多个部分ꎮ其中ꎬ弧光传感器可以被安装在开关设备的任意位置ꎬ按照它所处的实际位置对分区进行保护ꎬ并能够通过弧光保护主单元清楚地找到出现故障问题的部位ꎮ这一功能能够缩短断电处理所需的时间ꎬ并在最短的时间内再次恢复供电ꎮ通常ꎬ弧光传感器包括两种布置方法:第一ꎬ一个或是多个弧光传感器按照开光装置的不同分布ꎻ第二ꎬ单一的弧光传感器分布在一个或者是几个室ꎮ第一种方法是单点式传感器ꎬ第二种方法是光纤线式传感器ꎮ四㊁弧光保护应用案例的分析当前ꎬ某化工企业的１１０/１０ｋＶ变电站１０ｋＶＩ段与ｎ段安装了同一台弧光保护装置ꎮ在运行的过程当中ꎬＩ段母线的Ｎ号馈线柜Ｌ１相中发生了单相接地故障ꎬ并逐渐演变成为Ｌ１与Ｌ２相之间的弧光短路故障ꎮ在这种情况下ꎬ当弧光保护装置检测到故障弧光与故障过电流的时候ꎬ立刻断开了Ｉ段母线１０ｋＶ进线断路器ꎮ在故障得到解决并对其进行核查的时候发现ꎬ弧光保护装置所作出的判断与保护措施准确无误ꎬ而且ꎬ相关的保护操作执行得非常及时ꎬ在最短的时间内恢复了供电ꎮ五㊁结语总之ꎬ弧光保护的原理较简便ꎬ动作执行也非常及时ꎬ在预防弧光放电事故方面具有重要的作用ꎬ而且能最大化地防止人员伤亡与设备损伤问题的产生ꎬ确保电力设备的安全与可靠运行ꎮ因此ꎬ未来应该加大对于这一技术的研究力度ꎬ以促进其重要作用的有效发挥ꎮ参考文献:[１]周林ꎬ曹天怡.电弧光保护作为母线主保护在中低压开关柜的应用和讨论[Ｊ].供用电ꎬ２０１６ꎬ３３(１２).[２]李爽.电弧光保护在中低压开关柜和母线保护中的应用[Ｊ].商品与质量ꎬ２０１９(４).[３]姜洪松.弧光保护在中低压开关柜中的应用[Ｊ].电工技术ꎬ２０１７(２).作者简介:李小晖ꎬ国网海北供电公司ꎮ９９１。

由于配置模块化，可组成只有一个主控单元的简单弧光保护系统，到包含多个功能单元的复杂弧光保护系统。

系统采用光纤星型连接方式，主控单元和电流单元、主控单元和弧光单元、主控单元和弧光扩展单元、弧光扩展单元和弧光单元之间采用单模通信光缆连接；主控单元和弧光探头、弧光单元和弧光探头之间采用专用光缆连接。

本系统通过主控单元和站内监控系统通信，主控单元可选配2路以太网或2路CAN网，通信规约支持部颁IEC60870-5-103标准，可方便地接入站内综自系统，系统构成示意图如下图所示：DPR360ARC弧光保护系统配置案例一：系统组成：2条电源进线，2台主变，2段母线，单母分段结构，I 母、II母均为5个间隔单元。

配置方案为主控单元模式，系统结构如下：系统配置说明：弧光保护系统配置1台DPR361ARC主控模块，主控模块配置3组电流采集模块，配置14个弧光传感器，其中包括Q2，Q4处各1个传感器，Q5处各2个传感器，Ⅰ母、Ⅱ母间隔单元各5个传感器，配置5路跳闸出口。

Q2处1个传感器，Q5处1个传感器，Ⅰ母间隔单元5个传感器接至装置4X位置弧光扩展插件的1～7号传感器接口。

Q4处1个传感器，Q5处1个传感器，Ⅱ母间隔单元5个传感器接至装置2X位置弧光扩展插件的1～7号传感器接口。

Q2处TA接至装置L1三相电流，Q4处TA接至装置L2三相电流，Q5处TA接至装置L3三相电流。

装置出口1跳Q1，出口2跳Q2，出口3跳Q3，出口4跳Q4，出口5跳Q5，出口6作为失灵启动。

DPR360ARC弧光保护系统配置案例二：系统组成：2条电源进线，2台主变，2段母线，单母分段结构，I 母、II母均为10个间隔单元。

配置方案为扩展单元模式，系统结构如下：保护护配置表：由于配置模块化，系统适合不同规模大小的整体电弧光保护方案, 可组成只有一个主控单元的简单母线保护系统，也可以组成包含多个功能单元的具备选择性保护的复杂电弧光保护系统。

系统采用光纤星型连接方式，主控单元和电流单元、主控单元和电压单元、主控单元和弧光单元、主控单元和弧光扩展单元、弧光单元和弧光扩展单元之间采用单模通信光缆连接。

1 引言近年来，电力系统屡次发生开关柜恶性事故，不仅造成电网设备的严重损坏，还造成了人员伤亡，事故原因大多由于中低压母线上的出线多，操作频繁，导体相间及相地间距离比较近，容易受小动物、设备制造质量、设备绝缘老化和机械磨损、运行条件以及操作错误等因素的影响而发生弧光短路现象造成的。

此外，开关柜内部弧光短路故障还可能波及站用直流系统发展为系统故障。

案例1：湖北某变电站10kV开关柜型号为XGN2-12型，由于10kV 开关柜内螺栓、垫片等部件脱落，引发相间短路，且开关柜未按要求设置压力释放通道，柜内发生三相短路时，电弧产生高温高压气浪冲开柜门，造成2名正在开关柜外进行现场检查的运行值班员被电弧灼伤，其中1人死亡。

案例2：江西某变电站10kV开关柜型号为KYN28-12型，事故原因由于10kV手车式母线PT柜内电压互感器和避雷器一次接线与设计图纸不符，直接连接在10kV母线上，导致拉开10kV母线PT间隔小车后，10kV避雷器仍带电，该站改造工程中，施工人员触碰带电避雷器接线头，造成人员触电伤亡。

变电站中低压母线一般未装设专用的快速母线保护，而是依赖上一级元件的后备过流保护来切除母线短路故障。

所以，为最大限度的保护设备和人员免受严重伤害，除了严格保证开关设备的制造质量、按照相关规程进行正确维护和操作以外，还必须配置快速动作的保护装置，一旦发生内部弧光短路故障能快速切除。

本文首先介绍开关柜弧光造成的危害；其次介绍目前中低压母线保护情况；以及一种新型中低压母线保护系统。

2 开关柜电弧光造成的危害开关设备发生短路故障产生的电弧使开关设备中的压力和温度迅速增加，如不及时切除，将造成重大损害。

1）电弧温度相当于太阳温度的2倍，大约为20000℃，由于过热将导致通牌、铝排熔毁、气化；2）电缆熔毁，电缆包覆层着火；3）过热导致压力上升，是开关设备爆炸，如图1所示；图1：开关设备爆炸4）开关设备强烈振动，使固定元件松脱；5）高温灼烧皮肤，强光刺伤眼睛；6）产生大量的有害气体，伤害呼吸系统；7）爆破音震损耳膜、肺脏；8）碎片飞射，造成人员伤害，甚至死亡。