1、1二次变电站中低压开关柜弧光故障分析研究摘要：二次变电站之中为了可以有效的检测到二次变电站之中发生电弧光短路之时的主要原因，可以快速的识别故障的发生。对此本文进行相应的探讨。 关键词：二次变电站；低压开关柜；弧光故障 中图分类号：TM411 文献标识码： A 引言 在电力系统众多的电器设备中，开关柜是应用最多的，同时也是事故频发的设备。开关柜内部的燃弧短路故障是配电系统中危害非常严重的故障，通常由于没有及时清除短路故障，从而造成了极其严重的危害，比如造成发电厂的用电瓦解、重要用户停电，更严重的还会导致多组开关同时烧坏的事故等。近年来由于母线故障，巨大的短路电流冲击造成主变损坏也常见诸报端，这些
2、事故均造成重大的经济财产损失，有的甚至造成重大人身伤亡事故。 1、国内外对弧光保护系统的研究与应用 国外针对于燃弧故障的研究开始于上世纪 90 年代，目前常用的保护系统主要有：（1）芬兰 UTU 集团推出的 FALCON 弧光保护系统。它具有10 路弧光保护检测单元及 3 路电流检测单元，可连接 24 个扩展单元，具有 4 路电子继电器、6 路机械继电器，并可实现通信；（2）ABB 公司推出的 REA101、103、105、107 系列的弧光保护系统，它具有单独的弧光2检测与弧光检测配合过流检测两种保护方案可选择，ERA101 为主单元，也可组合其他保护单元扩展运用，采用高速固态出口继电器，动
3、作时间小于 2.5ms；（3）芬兰的 VAASA 公司推出的 VAMP 系列的弧光保护系统，其中主控单元可连接 10 个弧光检测单元，3 路电流信号输入，4 路机械继电器，2 路报警输出等。弧光检测单元包括 10 路弧光检测电路，1 路温度信号检测，1 路便携弧光线路。总的反应时间为 57ms。 国内弧光检测的研究起步较晚，但也有部分产品推出，目前国内主要弧光检测系统产品主要有：（1）南京弘毅电气自动化公司推出的DPR360ARC 弧光保护系统，系统主要包括主控单元、电流检测单元、弧光扩展器、弧光检测单元。采用过流检测与弧光检测双重判据，保护时间小于 4ms。 （2）保定瑞高公司推出的 RG-
4、ALP 只能对电弧光保护的系统，动作时间小于 7ms。 （3）福州天宇电气股份有限公司自主研发的弧光故障保护装置，主要由主控单元、三相电流检测单元和弧光检测单元组成，弧光检测单元是可扩展单元，最多可以检测 24 路弧光，经过弧光和和过流双重判据，配合其公司自主研发的 AAF-300 快速灭弧开关同时使用，整体保护时间5ms。 2、弧光故障保护装置配合快速灭弧开关对中、低压开关柜的保护 弧光故障保护装置在中、低压开关柜中的应用。在中、低压开关柜中发生弧光短路故障时，弧光故障保护装置在 2ms 内能可靠的检测到故障弧光及故障电流信号并发出指令，快速灭弧开关本体收到动作指令后在 3ms 内动作，熄灭
5、电弧（电弧故障出现后 5ms 内熄灭电弧） 。 通过快速灭弧开关，能实现电弧故障的主动快速防护，是目前开关3设备内部电弧故障的最佳解决方案。快速灭弧开关在开关柜系统发生电弧故障时，立即将本开关柜的三相回路短接并接地，有效保护运行检修人员及开关设备系统。 弧光故障保护装置通过持续监测保护范围内的系统电流和弧光信号，迅速可靠的判断是否有电弧故障发生。如果装置判断电弧故障已经发生，弧光故障保护装置将立即触发快速灭弧开关本体，实现系统三相金属性短接接地。 三相金属性接地短路阻抗远远低于电弧故障点的弧阻，大部分故障电流将流向快速灭弧开关本体形成的短路点，故障点的弧压急剧降低，电弧无法持续而立即熄灭。最后
6、，通过上级断路器开断来切除快速灭弧开关处的短路故障电流。 3、电弧光保护在运行中暴露的问题和措施建议 电弧光保护在近几年的运行应用中主要暴露出了以下问题： 3.1、电弧光保护动作可靠性不足，在某 110kV 变电站发生一起 10kV开关柜在热备用运行方式下电弧光装置发跳闸出口信号，由于当时该站为试运行，跳闸压板在退出状态而没有造成设备停电。建议措施：一是为以防止误动。电弧光保护的电流判别元件采用三相电流检测方式，整定值应按躲过该主变实际最大负荷电流整定，过流整定值应按1.11.3In 整定。二是电弧光保护只在 35kV、10kV 母线分列运行时投入，母线并列运行时将出口跳闸连接片切出。 3.2
7、、部分电弧光保护设备厂家采用固态继电器接点来提高动作出口速度，这中间包括采用可控硅、CMOS 管等，但此方法不符合反措要求，4在选用电弧光保护时不建议采用固态继电器出口跳闸方式。 3.3、部分电弧光保护报警方式只有串行 485 接口报警方式，无硬接点报警方式，在现场使用采用此类型产品时，需注意 485 接口与变电站综自系统的接入和调试。 3.4、部分电弧保护的弧光监测装置，在监测到弧光动作后其开出的动作接点为自保持接点，需人工复归。如不能及时复归，则在此段时间内，弧光判据将一直满足。对采用此出口接点未自保持接地的弧光保护建议投入使用前更改出口动作逻辑，设为接点可返回。并在调试中检验。4、故障电
8、弧模型的建立 4.1、SCHAVEMAKER 电弧模型的方程式 式中 g 为电弧电导;为电弧时间常数。u 为电弧电压,为电弧电流，为在有大电流流经电弧时两端电压值。耗散功率，为散失功率。与断路器内灭弧介质的热阻所引起的电压有关，与输入功率有关。 4.2、开关柜中发生单相电弧故障仿真 对二次变电站开关柜中发生弧光故障的情况进行分析，首先对正常运行的电路和发生单相接地弧光短路故障进行仿真的模型搭建，具体包括 11KV 电源、电弧模块、由 IEC 两参数法确定的 TRV、单相电路中的RLC 输电线路等模块.然后通过示波器观察发生弧光故障前后弧光故障两端电压和主要支路电流的变化情况，并从时域和频域两方
9、面对其进行分析比较。 54.3、仿真结果与分析 4.3.1 时域分析 从下图可知，发生弧光故障后将负载短路，此时电流增大迅速，当达到一定值时伴有弧光产生，在电流过零时，由于故障处的电压降低导致电弧两端电压减小时，电弧会出现暂时熄灭，相应的电流波形出现了图中的变化，形成了典型的交流电流波形。由电弧故障两端电压电流的伏安特性可以得出，电弧为一个不规则变化的即非线性的电导。电弧故障两端的电压为 TRV（瞬态恢复电压） ，此电压振荡的频率由电感、电容两个参数决定，即高频振荡电压，但它的减小速度也相对较快，很快就会消失，之后电弧间隙两端的电压就是相应的工频电压，也就是电源电压。 图一 单相弧光接地短路故
10、障电流波形 4.3.2、频域分析 通过 matlab 中的频域分析功能,利用 FFT 谐波分析的方法对频谱进行分析。由于故障电弧电流的畸形变化而引起的，电流谐波的分量有很大的增加。故障电弧的电流中含有较高频率的噪声,同时存在着许多毛刺,随着频率的变大,频谱的幅值在逐步的减小。 5、结语 本研究结果表明，在发生故障时，电流幅值突然增加，电弧两端电压为 TRV，是由电感、电容两个参数决定的高频振荡电压，减小速度非常快，会迅速消失，恢复电压的大小与变化的速率对故障电弧是否熄灭所6起到的作用是决定性的；得出的频域特性为：故障电流中谐波电流的幅值有所增加，其中以 3，5，7 次谐波增加较为明显，而 3 次谐波变化最大，而高频分量在正常运行电路中不存在，所以可选择高频分量中的 3次谐波为判别电弧短路故障的一个重要依据. 参考文献： 1黄鹏.高速电弧光保护系统及应用研究D.华南理工大学,2012. 2赵龙,田有文.基于弧光保护的二次变电所母线保护研究J.农业科技与装备,2012,11:38-40. 3张喜玲,杨慧霞,蒋冠前.弧光保护关键技术研究J.电力系统保护与控制,2013,14:130-135. 4田广青.电弧光保护及其在中低压开关柜和母线保护中的应用J.电工技术杂志,2004,01:27-30.
