基于新型母线保护-母线电弧光保护的详细解析

关于母线保护，在前面两期（母线保护一、母线保护二）中主要介绍了母差保护，本期再介绍另一种新型母线保护-母线电弧光保护，电弧光保护主要用于35kV、10kV及6kV等中低压等级的母线上。

弧光保护是最近几年随着光电技术的发展而发展起来的一种新型保护，传统保护主要以电压、电流、阻抗、功率等电气量为保护判据，电弧光保护是以电流和弧光为主要判据，与传统保护相比增加了弧光（光强）这一判据。

下面简要介绍一下国内外中低压专用母线保护的应用情况。

在国外，由于各国政府对中低压母线保护的重视，已在规程中规定中低压母线必须安装专用的母线保护，欧洲、北美、俄罗斯及英联邦诸国中压开关配置各种专用母线保护的比率已超过95%。

国内中低压母线一般不配置专用的快速母线保护，但这也符合国标《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》(GB50062－92)及现行的电力行业规程规范要求。既然国内中低压母线不设专用母线保护，那中低压母线的保护是通过何种方式实现的呢？解决这个问题主要通过下面三种方式实现：

①变压器后备过流保护，典型的保护动作时间为1.2s～2.0s；

②采用馈线速断保护闭锁的变压器后备过流保护，典型的保护动作时间为0.3s～0.5s；

③与110kV以上电压等级母线一样，配置母线差动保护，典型的保护动作时间为15ms；

这三种保护的缺点也比较明显，①和②两种保护对总切除时间小于100ms的要求来讲，时间太长，等到故障切除，大部分设备已经损坏无法使用。电弧光故障的危害程度取决于电弧光电流的大小及切除时间长短，电弧光产生的能量与切除时间T成指数规律快速上升如下图所示：

要保证设备不受结构性损伤，必须尽量缩短切除时间。

以下为国外资料介绍的各种燃弧时间长短和对设备造成的损坏程度的评估：

燃弧时间	设备损坏程度
35 ms	没有显著的损坏，一般可以在检验绝缘电阻后投入使用
100ms	损坏较小，在开关柜再次投入运行以前需要进行清洁或某些小的修理
500ms	设备损坏很严重，在现场的人员也受到严重的伤害，必须更换部分设备才可以再投入运行。

③会受到CT安装位置的限制，接线复杂而且投资造价高，无法普遍推广，只是在某些对母线保护有较高要求的变电所采用。

随着中低压母线出现短路故障的频率越来越高，中低压母线装设专用的母线保护越来越成为一种必然，电弧光保护的出现恰好弥补了上述三种保护的不足。目前电弧光保护的厂家较多，有国外的也有国内的，国外的主要有VAMP，国内的主要有南京弘毅电气和国电南瑞。         

关于弧光保护装置，各厂家在配置上虽有不同，但总体上是大同小异。我们以南京弘毅电气的DPR360ARC系列装置为例来说说弧光保护的保护原理。

1.弧光保护逻辑图

DPR360ARC电弧光保护以电流采集单元为基础分组，总计272弧光探头可以整定关联到任意一组电流信号上。当弧光单元把弧光信号从弧光传感器传输到主控单元或弧光单元的同时，电流元件启动动作，电弧光保护动作。电流启动元件分为突变量启动元件和常量启动元件，两个元件取或逻辑；装置也可只选择弧光信号单判据作为动作逻辑判据。具体逻辑判据如下图：

2.弧光传感器

DPR360ARC弧光保护系统的弧光传感器具备频谱识别功能，能够准确识别电弧光特征光谱，有效区分日常工作环境中的反射阳光、照明灯光、检修用手电光等各种光源，避免其他光源对弧光保护系统的干扰，提高保护动作的灵敏性与可靠性。此类弧光传感器是纯透镜式无源的，能够虑除可见光，保留紫外光。传感器通过模拟光纤将光信号传递到主控单元或弧光单元上去，由主控单元或弧光单元实现光电转换。

3.保护出口速动性

可以选择电磁继电器和固态继电器两种出口，电磁继电器出口时间不超过8ms，固态继电器出口时间不超过4ms，远快于传统母线保护。

4.100%快速保护

DPR360ARC弧光保护系统中的DPR362ARC型号可实现中低压母线、电缆室、断路器室故障的100%保护。也就是说，DPR362ARC弧光保护系统不单单是对母线进行保护，还可以对开关柜内部其他的故障进行保护，保护具备选择性。比如某出线电缆室发生弧光短路故障，弧光保护可以只切除本条出线，其他无故障设备可以继续运行，不受影响。

5.母线弧光保护系统典型应用

母线弧光保护系统典型应用示例图

系统组成：2条电源进线，2台主变，两段母线，单母线分段结构，Ⅰ母、Ⅱ母均为7个间隔单元。

系统配置：

弧光保护系统配置1台DPR361ARC主控单元，主控单元配置3组电流采集模块，配置16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6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6个传感器接至装置4X位置弧光扩展插件的1～8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6个传感器接至装置2X位置弧光扩展插件的1～8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作为失灵启动出口。

动作过程分析

①当Ⅰ母、Ⅱ母分列运行时，假如Ⅰ母某间隔单元发生母线短路故障，相应间隔弧光传感器动作，同时Ⅰ母进线电流发生突变，弧光保护动作，跳Q1、Q2、Q5开关；Ⅱ母没有故障继续运行。

②当Ⅰ母、Ⅱ母分列运行时，假如Ⅱ母某间隔单元发生母线短路故障，相应间隔弧光传感器动作，同时Ⅱ母进线电流发生突变，弧光保护动作，跳Q3、Q4、Q5开关；Ⅰ母没有故障继续运行。

③当Ⅰ母、Ⅱ母并列运行时（Q5开关合上，Ⅰ母进线投入运行，Ⅱ母进线退出运行），如果Ⅱ母某间隔单元发生母线短路故障，相应间隔弧光传感器动作，母联电流发生突变，弧光保护动作，跳Q5开关，Ⅰ母没有故障继续运行。如果Ⅰ母某间隔单元发生母线短路故障，相应间隔弧光传感器动作，同时Ⅰ母进线电流发生突变，弧光保护动作，跳Q1、Q2开关，故障切除。

④当Ⅰ母、Ⅱ母并列运行时（Q5开关合上，Ⅱ母进线投入运行，Ⅰ母进线退出运行），故障动作情况与③类似，在此不再赘述。