浅谈弧光保护在中低压开关柜中的应用

安科瑞任心怡

摘要：近年来，中低压开关柜的使用越来越普遍。在此过程中，确保开关柜平稳运行至关重要。并在此基础上，阐述了由此产生的弧光和电弧事故的危险性，引入弧光保护及母线保护的特点必要性分析，阐述了弧光保护系统的原理和结构。工程实例证明，弧光保护在中弧光中低压开关柜占重要地位。

关键词：弧光保护;开关柜;过流保护;光传感器

0引言

低压和中压开关柜是一种配电基础设施，每年消耗大量电力。中低压开关柜中弧光放电是非常严重的事故。由于电弧电阻过高，故障电流无法达到固定保护值，无法快速关闭电源。在某些情况下，延迟可能导致无法快速切断故障，弧光故障电流即使达到保护起始值也是如此。弧光放电不仅会导致断电，而且还会对许多设备造成不可逆的伤害和人身伤害，可能导致无法估量的损坏。

电弧的产生机理

中低压开关柜是电力和配电的重要基础设施。近年来，他们的使用逐渐增加。这对于确保中低压开关柜的可靠性和安全运行以及减少电气事故的损坏至关重要。对于许多类型的弧光放电来说，电气事故是中低压开关柜的严重事故。如果使用了电弧电阻，则不需要调整限制电流来设置保护值，这是无法停切断故障。在某些情况下，即使弧光法的电流与保护的初始值相符，延迟也会妨碍及时消除干扰，因此可能会弧光放电问题，在这种情况下，不仅会导致停电，而且还会对设备和员工造成严重影响，这可能会对企业造成严重影响。由于放电过程中两点之间的电压大于介质的电阻电压，因此只要有足够的能量补偿热量损失和温度合适，电弧就会保持不变。例如，10kvV系统的弧光放电过程如图1所示。当导体之间的绝缘不足时，产生弧光是分子和原子在特定环境中游离的过程。附近的正负电子加速运动，并与其他空气分子和原子碰撞，同时产生电弧光和高热量。

图1 10kV弧光放电的物理机理图

电弧事故危害

弧光可高达4500℃温度，内部可高达10000-20000℃。空气弧光功率为40mW，弧的强照明强度2000多倍以上。因此，不及时对电弧产生采取措施可能会造成损害。

1.人身危险。电弧造成的伤害主要体现在以下几个方面:1.熔化金属粒子进入人体皮肤，导致皮肤金属化；2.弧光强度高可能导致眼睛损伤和角膜脱落。；3.高温下粉尘和有毒气体可能会损害身体的呼吸道；4.当弧光电流人体有一定影响时，肌肉意外收缩，损害皮肤、血管和神经。

2.设备的危险。产生电弧时会产生大量高温条件气体，且变形或破碎开关柜。此外，燃烧振动波会导致其剧烈振动，紧固件松动或脱落。此外，在高温下可能会出现电缆燃烧等问题，在较大的情况下，开关柜外壳中的金属可能会熔化，从而导致火灾事故。

3设置弧光保护的必要性

我国开关柜有几种母线保护方法。

1.变压器过流保护:：低成本，保护开关IEC 298不能满足100 ms的低压1-2sS时，母线故障切除。

2.馈线过流保护闭锁:：使用高性能工程微米芯片进行分析、数据采集和命令执行，运行速度为300-400ms，不符合IEC298中低压电母线源100ms故障的要求。

3.母差保护:：典型动作为35.60ms时间，一般故障响应时间随100ms和基本快速性要求而变化，但也存在一些问题，如保护能力较小，复杂接线，较高要求电流互感器，无法提供关键故障点。母线的保护要求未得到满足，实际上电流互感器饱和会造成保护干扰，不符合装置范围的要求，限制了保护的应用。开关柜发生弧光故障瞬间时，弧形保护系统可以快速检测并输出跳闸信号。瞬间脱扣(（断路器)），切断电源，使电弧消失，并减少因弧光故障而造成的损坏。电弧持续时间小于100ms，无论是弧光+电流双判据。传统电源保护的运行时间超过100ms。为此，在开关柜母线保护中促进弧光保护很重要。

4弧光保护原理及系统构成

1.弧光保护原理。是由一个有缺陷的弓引起的弧光，但从弧光故障到弧光检测，速度非常快，不足1ms。电流保护为了提高可靠性，增加故障电流通常还应考虑，发出跳闸命令。

2.系统结构。如图2所示，弧光系统主要由辅助单位组成，如主控单元、弧光检测和连接I/oO。弧光传感器位于开关中的任何位置，根据实际物理位置进行保护调节，要查看主单元弧光的误差位置，请执行操作，从而缩短断电时间，实现电流的快速恢复。弧光传感器可以用一种或多种方式弧光传感器沿开关设备的不同室分布。电弧传感器覆盖一个或多个室传感器为单点或光纤线式。

图2弧光保护系统示意图

单个传感器只能捕获小区域中的光，有光电和光单点传感器。传感器光电单点于光电管中进行光学转换。使用这些传感器时，应考虑放置传感器时的EMI和ESD问题。光单点传感器根据透明材料捕获光源，并使用光纤将其传递给光接收器。传感器单点式也得激活脉搏。脉搏信号是发射机发送给光接收机的光脉冲信号。脉搏信号用于确定光学接收机是否工作正常，光纤传感器通常由环形组成。捕获光源并将其传递给接收器。光纤通道传感器与单点式相比，在光纤线式传感器较大区域采集光。此传感器还具有脉搏功能。理想的光学传感器具有较低的传输速度和较高的捕获效率，通常采用POF或玻璃光纤。对于POF和PCS，外层是透明的或被移除的。由于光纤通道传感器可以检测单个设备或多个设备中的多个单元，因此可以通过减少光纤电缆长度的传感器数量来降低系统保护成本。但是光纤产品的长度取决于接收机的灵敏度。由于单点传感器的主要特点，这两种传感器都有缺点，并应用于弧光检测。“被遮挡风险"表示光传感器是否可能位于开关设备的“被遮挡风险"，从而存在传感器能够捕获光的风险。由于光纤通道传感器的范围很广，传感器没有被被遮挡危险。单点传感器用于弧光检测，比光纤传感器敏感得多。但是，光纤线式传感器的灵敏度部分取决于光纤的物理特性。此外，光纤传感器可以从单个或多个开关中的多个光纤识别，而不能实现到单点传感器。

3.关键性能和特点。（1）电磁兼容符合国家继电器质量监督(EMC)标准。（2）符合继电保护建设准则。（3）通过弧光和过流双判可靠运行。（4）无源弧光探头直接连接到光纤端口，干扰能力强抗电磁。（5）基于实际电路的可编程性和可扩展性。(6)可根据需要调整弧光感光度和过流值。(7)故障原因，准确其位置。

5安科瑞 ARB5系列弧光保护的原理及系统组成

弧光保护装置通过弧光+电流突变量双重判据或弧光单判据启动保护，其动作时间为

弧光单判据动作时间≤7ms；

弧光+电流双判据时间≤20ms。

ARB5系列弧光保护装置由ARB5-M主控单元、ARB5-E扩展单元、ARB5-S弧光探头、弧光光纤以及尾纤等配件构成。

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

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

6、弧光保护应用案例

A化工厂110/10kV变电站10kvV I类具有与Ⅱ段相同的弧光保护，I段母线L1、N线组发生接地故障，逐渐发展为L1和L2之间的短路。如果确定了弧光保护并且确定了故障电流，则I段母线10kV的线路断路器将被切断。当故障得到纠正和验证时，弧光保护装置的决定和保护是正确的，其保护操作及时执行，供电会尽快重新恢复。

弧光保护既简单又及时，它对于防止停电和尽量减少伤害和设备损坏以确保电力设备安全可靠地运行至关重要。为此，有关技术人员应加强技术研究，使他们能够在更多领域发挥重要作用。

参考文献：

[1] 雷晋，弧光保护在中低压开关柜中的应用

[2] 周怡．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，2019(12).

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册2020.06版．

[4]安科瑞用户变电站变配电监控解决方案2021.10

审核编辑 黄宇