1.1概述

在我國，中、低壓母線短路故障中，重點設備和人員傷害主要由電弧光引起，然而，我國的大多數中低壓母線沒有設置快速母線保護，而只是采用了簡單的消弧裝置和變壓器后備保護。這些保護智能化較低，動作速度慢，往往會延長故障切除時間，從而進一步擴大設備損壞程度，甚至會引起“火燒連營”的惡性事故，沖擊變壓器一次運行，影響整個電網的安全運行。

弧光保護系統是我公司根據國內實際情況，吸收國外電弧光保護的特點，結合行業檢測及保護配置相關規程，自主研發出具有獨特創新技術、具有廣泛實用性、高可靠性的新型電弧光保護系統。采用弧光檢測和過電流檢測雙判據原理，具有保護動作速度快、可靠性高等特點。

1.2電弧光產生的原因

引起開關柜弧光短路故障的原因很多，一般分為以下五類

1）絕緣故障：主要是柜中絕緣材料爬距不足，未滿足加強絕緣要求，在臟污環境，天氣潮濕下發生絕緣故障。另外，由于絕緣材料材質缺陷，運行年限較長的開關柜，在強電磁場作用下絕緣老化，也可能造成絕緣損壞而導致故障。

2）載流回路不良：由于一些接頭截面不夠，緊固螺栓松動，手車柜觸頭接觸不良，在大電流流過時引起發熱，冒火進而引起相間，相對地擊穿等等。

3）外來物體的進入：如小動物（老鼠等）進入開關柜內部，或維修人員在工作完成后將工具遺留在開關柜內。

4）認為操作錯誤：如走錯間隔，誤操作，未對工作區域進行接地，未對工作區域進行驗電等。

5）系統方面的原因：如系統容量增大，接地方式改變，電纜應用增多，保護及自控裝置配置不當，系統諧振過電壓等。

1.3電弧光的危害

開關柜內的發生短路弧光的功率可高達100MW，電弧燃燒所產生的能量與電弧的燃燒時間及短路電流變化值呈指數倍增長（如下圖所示），燃燒產生的高溫、高壓將會逐步摧毀元器件、銅排以及成列的開關柜，高明亮的弧光和有毒氣體對人體也有巨大的傷害。

要保障設備不受結構性損傷，必須盡量縮短切除時間。

以下為國外資料介紹的各種燃弧時間長短和對設備造成的損壞程度的評估：

1.4電弧光保護系統作用及應用領域

電弧光保護系統，可以起到以下作用：

減少或降低電弧光對于人體的傷害；

減少或降低電弧光短路故障對于設備的損害；

避免變壓器因近距離母線故障造成動穩定破壞，延長變壓器的使用壽命；

縮短電弧光故障切除時間，避免波及站內直流系統造成重大損失；

減少因電弧光故障造成設備停運的時間，更快地恢復供電；

電弧光保護系統，主要應用于以下場合：

1）電力變電站

2）火電廠電氣段開關柜母線室及饋線柜

3）風電場升壓站集電線路開關柜

4）箱式變電站

5）鋁鎂行業大型直流整流柜

2.1目前國內用于中、低壓系統的保護及其局限性

1）變壓器后備過流保護，典型的保護動作時間為1.2s~2s。

2）采用饋線速斷保護閉鎖變壓器后備過流保護，典型的保護動作時間為300ms~500ms。

3）高阻抗母線差動保護，典型的保護動作時間為30ms~50ms。

上述保護均有致命的弱點就是動作時間太慢，根據電弧光危害示意圖所示，保護裝置動作時間不能超過20ms，否則會產生不可修復的器件損壞，從而延長故障修復時間。

2.2本系統技術優勢

1）、動作迅速可靠：

   采用了可靠的快速算法，可以在短時間內判斷弧光變化信號和電流變化信號并迅速出口，從發現故障到出口跳閘時間間隔優于10ms，保障開關柜內設備的弧光在75ms以內切除。

2、全數字化設計：

本裝置采用全數字化設計，配置靈活，動作精度高，而且排除了由于旋鈕或其他機械設計導致的誤差隱患。

3、保護原理簡單、合理

   根據弧光產生時的特點，裝置采用弧光和電流雙重判據，判據簡單且可以有效的保障動作的準確性。

4、強大的電氣性能：

弧光探頭設計、連接線等全部采用耐高溫、阻燃的高分子材料，具有強力的電氣隔離效果。裝置完全滿足EMC的標準，保障了弧光保護系統的整體穩定性和動作的可靠性。

5、故障信息記錄整體

在故障弧光發生并引起裝置跳閘后，主控單元或饋線保護單元可以準確的記錄弧光探頭檢測到故障弧光的位置信息，且可以詳細記錄動作時刻的三相電流值。

2.3弧光保護系統組成

弧光保護系統主要由主控單元、弧光采集單元和弧光傳感器組成，為了適應現場的應用需求，分為了母線型弧光保護系統和饋線型弧光保護系統。如下圖所示：

圖2  弧光保護系統結構示意圖

2.3.1 主控單元

主控單元是母線型弧光保護系統的核心。它檢測分析故障信號、接收分析采集單元的弧光故障信號，并對兩種信號進行綜合分析判斷。在滿足跳閘條件時，發出跳閘指令以切除故障。

   主控單元一般安裝在進線柜或緊鄰進線柜的開關柜的二次控制門板上。主控單元有：

1）16個弧光信號檢測接口，用于接收來自弧光傳感器的弧光故障信號；

2）2路RS485；

3）4路快速跳閘輸出接口，符合IEC255-23繼電器標準。

4）2路報警出口，其中一路為裝置故障出口。

5）12路電流輸入，檢測4組三相電流信號，用于判斷故障電流。

6）主控單元可以根據客戶需要擴展弧光采集單元、或者電流單元

2.3.2 弧光擴展采集單元

弧光擴展采集單元與主控單元配合使用，是弧光保護系統的重要組成部分，主要用于采集故障弧光，并將判斷后的結果通過高速總線傳遞給主控單元。單個弧光采集單元可以安裝16路弧光探頭，根據系統的大小可以任意增減弧光采集單元的數量。弧光采集單元通常安裝在選定的開關柜內中。弧光采集單元具有

1）16個弧光信號檢測接口，用于接收來自弧光傳感器的弧光故障信號；

2）2個數據通訊接口，1路RS485，1路CAN總線；

2.3.3 弧光傳感器

弧光傳感器中的探頭安裝在柜內各間隔中，可實現由簡單到復雜、有選擇性的保護。弧光探頭作為光感應元件，在發生弧光故障時檢測突然增加的光強。主流應用分為光纖式弧光傳感器和電纜式弧光傳感器兩種。

1）光纖式弧光傳感器

光纖式弧光傳感器，前置探頭采集弧光信號中的特有光譜信息，并通過專用光纖將光信號傳送給弧光采集單元或主控單元，弧光單元或主控單元完成光信號的分析處理與采集。

2）電纜式弧光傳感器

電纜式弧光傳感器，前置探頭采集弧光信號中的特有光譜信息，并在探頭處完成光信號與電信號的轉換，輸出4-20mA的電流信號傳送給弧光單元或弧光保護主控單元。

2.4 技術特點

本系統具有以下技術特點：

滿足電磁兼容（EMC）標準；

符合中國繼電保護設計標準要求；

采用過流及弧光雙重判據，可靠性高；

新型光纖連接傳輸，光電轉換在裝置內完成，抗電磁干擾能力強；

采用過濾干擾光的新型弧光傳感器，具有過濾干擾光的功能，避免可見光傳感器受環境光照影響引起誤動；

出口跳閘時間小于10ms，遠快于傳統的母線保護，對開關柜的內部弧光故障總切除時間可以控制在75ms以內；

全漢字顯示，操作習慣和傳統數字式保護完全一致；

跳閘出口邏輯可編程；

弧光傳感器動作值三檔可調；

2.5.裝置原理說明

1）電弧光保護功能

電弧光保護以電流單元為基礎分組，弧光探頭可以整定關聯到任意一組電流信號上。

當弧光單元把光信號從弧光傳感器傳輸到主控單元時，并且同時電流啟動元件動作，電弧光保護動作；裝置可選擇弧光信號動作單判據作為動作邏輯判斷。

圖3 電弧光保護邏輯圖

2) 裝置自檢

當裝置檢測到本身硬件故障時，發出告警信號，同時閉鎖整套保護。硬件故障包括：采樣回路故障、RAM出錯、定值出錯等。

3.1 主控單元結構尺寸

主控單元采用全封閉5U 1/3標準機箱，嵌入式安裝于屏(柜)上。插件為后插導軌式，插緊后上下有鎖緊螺絲。機箱安裝開孔尺寸圖如下:

3.2主控單元端子圖及定義

3.5 弧光傳感器尺寸圖及安裝說明

在開放空間，例如母線室，弧光傳感器的安裝間隔最大可以達到4 米。傳感器可以安裝在開關柜分隔板上或框架上。面向開關柜中要保護的部分。弧光傳感器也可用安裝板安裝在保護區域內。

1）電纜式弧光傳感器安裝

4.1單母線供電典型示例說明

該方案配置一臺主控單元和一臺（或多臺）弧光采集單元（依據監測點來確定）。母線上有故障分別跳QF1、QF2斷路器，QF1、QF2斷路器失靈，跳QF3和QF4。

4.2母線分段供電典型示例說明

該方案配置兩臺主單元和一臺（或多臺）弧光采集單元。母線上有故障分別跳QF1、QF2斷路器，并閉鎖（或跳開）母聯開關K1；QF1、QF2斷路器失靈，跳QF3和QF4。

5.1主控單元面板布置圖和說明

本裝置采用人性化面板設計：

配置全中文液晶顯示器，按級操作各菜單頁面，根據菜單提示可對裝置采集的各種數據、及各種事件進行監視、記錄，可直接對裝置進行參數修改、保護調試等操作；配置裝置運行指示燈，運行人員可直觀地了解電源工作狀態、裝置的運行狀態，通訊的運行狀態等；該裝置還配置九個輕觸式按鍵和一個復位按鈕。

5.2信號燈說明

a)“運行”燈為綠燈，裝置正常運行時，每秒閃爍1次，如果閃爍不正常說明運行處于不正常運行狀態；

b)“告警”燈為紅燈，正常運行時熄滅，任一保護功能告警或裝置自檢出錯時點亮；

c)“跳閘”燈為紅燈，正常運行時熄滅，任一保護功能跳閘時點亮；

d)“跳位”燈為綠燈，當斷路器處于合閘位置時熄滅，當斷路器處于跳閘位置時點亮；

e)“合位”燈為紅燈，當斷路器處于跳閘位置時熄滅，當斷路器處于合閘位置時點亮；

5.3按鍵說明

按鍵說明：

l ▲：根據液晶屏所顯示的菜單項標號向上選擇相應的功能；

l ▼：根據液晶屏所顯示的菜單項標號向下選擇相應的功能；

l +：所要調整的參數值加1。

l -：所要調整的參數值減1。

l 確認：根據液晶屏所顯示的菜單項標號選擇相應的功能。

l 返回：確認更改設置；返回上一級菜單。

l 復歸：消除界面指示報警與接點輸出報警。

l 復位：單片機重啟。

5.4液晶說明

1. 在裝置顯示開機界面時，按下面板上的確認鍵，進入主菜單，如上圖。按一次返回鍵可返回開機界面。主菜單共有八個菜單項，按▲▼菜單選擇相應的菜單項按確認即可進入相應菜單項。

2. 開出測試：測試各跳閘出口、報警出口是否正常輸出。在主菜單上選擇“開出測試”如下圖所示，按返回鍵返回主菜單，按確認輸出相應的出口

3.測量數據：在主菜單上選擇“測量數據”功能查看系統電流采樣值和弧光傳感器實時值。按返回鍵返回主菜單。按▲▼菜單選擇查看。

4.站號設置：裝置出廠默認站號為01。如需更改，在主菜單界面選擇進入，按裝置面板上的按+-鍵加減，進入如下圖的設置界面。設置完畢后按確認鍵保存并返回主菜單。注意：在通信過程中請勿更改站號。

5. 系統設置：裝置可根據現場情況實時調整判據的關鍵項，按▲▼選擇要 修改的定值項，按確定鍵進入修改。如下圖：備注：按確定顯示◆表示進入已定值修改界面，按+-修改定值。按確定保存進入下一設置。

在進入設置前先要輸入密碼，出廠初始密碼：1234.

傳感器數量：指裝置所接入傳感器數量。

電流元件：投入表示執行雙判據，退出表示只選擇有弧光發出告警功能。

電流越限：指雙判據時或過流報警時動作值。

動作延時：指雙判據成立時跳閘動作延時時間。

6. 傳感器設置：裝置可根據現場情況實時調整判據的關鍵項，按▲▼選擇要 修改的定值項，按確定鍵進入修改。如下圖：備注：按確定顯示◆表示進入已定值修改界面，按+-修改定值。按確定保存進入下一設置。

在進入設置前先要輸入密碼，出廠初始密碼：1234.

跳閘口：指傳感器1對應的跳閘出口繼電器。

對應電流：指傳感器1動作判據對應的電流

7.日期時間設置：如需更改裝置日期時間，在主菜單界面上選擇“時間設置”功能，進入如下圖的設置界面。首先進行年份設置，按+-鍵加減。

8.故障記錄：本裝置內部Flash存儲器可以記下最近發生的10次故障記錄，包括故障類型和發生時間，以及實時數據。在主菜單界面上，按裝置面板上的▲▼鍵，進入“故障記錄”，如下圖。然后再按▲▼鍵可進行上下翻頁，逐條查詢記錄。按確認鍵可返回主菜單。注意：如裝置出廠前所做的模擬實驗的記錄保留在Flash存儲器里。

9. 記錄擦除：選擇菜單項，按確認鍵擦除，按取消鍵返回。如下圖：