HRKDHG微机智能电弧光保护装置

HRKDHG微机智能电弧光保护装置

概述

在电力系统中，35kV及以下电压等级的母线，一般未装设母线保护。然而，由于中低压母线上的出线多，操作频繁，三相导体线间距离与大地的距离比较近，容易受小动物危害，设备制造质量比高压设备差，设备绝缘老化和机械磨损，运行条件恶劣，系统运行条件改变，人为和操作错误等原因，中低压母线的故障几率比高压、超高压母线高得多。但长期以来，人们对中低压母线的保护一直不够重视，大多采用带有较大延时的后备保护来切除母线上的故障，往往使故障被发展、扩大，从而造成巨大的经济损失。

近年来,由于各种原因开关设备被严重烧毁，有的甚至发展成“火烧连营”的事故时有发生。而主变压器由于遭受外部短路电流冲击损坏的事故也逐年增加，这些配网事故处理不当甚至被扩大发展为输电网事故，造成重大的经济损失，已引起电力部门的广泛关注。究其原因大多是因为没有装设中低压母线保护，未能快速切除故障造成的。所以，为了保证变压器及母线开关设备的安全运行，根据继电保护快速性的要求，迫切需要配置专用中低压母线保护。

电弧光的危害

电弧光对设备及人员会造成极大的伤害。电弧光的危害程度取决与电弧电流和切除时间。开关柜即使能将电弧光发生时隔绝在柜体内，及有疏漏之外。例如，人员在保养、操作时未必将开关柜的门板锁上。即使上锁，电弧光将严重毁损柜内器件，亦使柜体变形。能有效降低电弧光伤害的方法是以最快的速度切断故障电流。电弧光保护正是因为这个需求而设计。

电弧光对人员的伤害

感电	侵害肌肉、神经
强光	刺伤眼睛（弧光光强约9000lux，而人眼感受到的最大光强约3000lux）
高温	烧灼皮肤
爆破压	造成坠落及碎片飞射
爆破音	造成耳膜、肺脏震损
毒气	伤害呼吸系统

电弧光对设备的伤害

高温	弧光发生点的温度是19，427℃，是太阳表面温度的二倍
	造成铜排、铝排熔毁，气化
	造成电缆熔毁，电缆包覆层着火
	造成盘体内污损，保护漆焚毁，清理困难
	高温、高压的气体极快速就扩散到相邻盘体
爆破压	造成盘体变形、破碎
	铜排气化时，体积膨胀67，000倍
	空气因高温而膨胀，压力为120kPa（人体能承受的最大压力为7.5kPa）
爆破音	造成盘内强烈震动，使固定元件松脱

开关柜内部燃弧耐受时间及变压器动稳定时间指标

开关柜内部电燃弧耐受时间
IEC298标准附录AA中规定的内部燃弧时间是100ms，目前市场上销售的开关柜基本上是按照IEC298标准生产的，也就是说，开关柜可以承受的电弧燃烧时间为100ms。由于发生弧光故障在断路器动作前，故障短路电弧是一直在燃烧的，即保护动作时间加上断路器分闸时间之和，即为电弧燃烧的持续时间。也就是说，从保护开关柜方面考虑，保护动作时间应在小于100ms切除故障以防止弧光短路故障进一步发展扩大造成更大的危害。

变压器的动稳定时间

据有关资料统计，一些地区110kV及以上等级的变压器遭受短路故障电流冲击直接导致损坏的事故，约占全部事故的50%以上，与前几年统计相比呈大幅度上升的趋势。这类故障的案例很多，特别是变压器低压侧出口（低压母线）短路时形成的故障一般需要更换绕组，严重时可能要更换全部绕组，从而造成十分严重的后果和损失。
国标规定的110kV及以上电压等级的变压器的热稳定允许时间为2秒，动稳定时间为0.25秒。但实际上，在低压侧出口短路故障靠过流后备保护切除的动作时间往往在2秒以上，离0.25秒的变压器的动稳定时间相差甚远。所以，可以说，继电保护的不完善也是造成变压器损坏的重要原因。
目前针对近区（低压母线）短路故障引起变压器损坏的保护的动作时间太长，远大于变压器允许承受的短路电流持续时间，显然不能满足保护变压器的要求，迫切需要改善变压器保护，使其保护动作满足小于变压器允许动稳定时间0.25秒的要求。

开关柜弧光短路故障的防护措施

消极性防护措施
采用这种措施的目的是限制故障电弧产生的各种效应，如加强开关柜的结构，密封隔离各单元室、设置释放板和泄压通道等。采用这种措施在一定程度上能减少损坏程度；另一方面，如果要采用通过加强结构的方式来较大地提高开关柜的燃弧耐受时间的话，则需要增加很大的设备费用。 

积极性防护措施
采用高速专用中压母线保护切除故障以限制故障电弧的持续时间，从根本上限制故障电弧，消除其各种效应对设备和人员的危害。如果中低压母线保护能在开关柜耐受燃弧时间以内切除故障的话，将最大限度地限制弧光故障对开关设备的损坏; 从另一方面看，限制开关设备的损坏，即阻断了故障发展的可能性，从而可避免主变压器长时间遭受短路电流的冲击而损坏。这也是目前迫切需要的最有效的限制弧光短路故障损坏开关设备及变压器的防护措施。

现有的中压母线保护方案及存在的问题

变压器后备过流保护方案:

这是目前国内应用较为广泛的中压母线保护方案。由于考虑到与馈线和母线分段开关的配合，保护跳闸时间一般整定为1.0 - 1.4秒，有的甚至更长，达2.0秒以上。这一动作速度很显然是远远不能满足快速切除中压母线故障要求的。

馈线过流保护闭锁变压器过流保护方案:

这是近年来微机过流保护在中压馈线广泛应用，国外提出的利用馈线过流元件闭锁变压器过流保护的应用较为广泛的过流闭锁式保护方案。这一方案与变压器后备过流保护方案相比其动作速度有了一定的提高，典型动作时间为300 - 400ms。但对于要求100ms以内切除故障显然也是不能满足要求。

采用环流原理的高阻抗母线保护方案:

这是国外某些重要项目曾采用的专用电流差动中压母线保护方案，典型的保护动作时间为35-60ms。考虑到断路器的分闸时间，这一动作速度对要求100ms 以内切除故障来说也嫌慢。采用这种方案的接线复杂，对CT的要求高，安装在有很多出线的6-35kV母线上有很多困难，也很不经济。此外，由于其保护范围由于受到CT安装位置的限制，不能保护到发生故障几率较高的电缆室电缆接头处的故障。因此也不适合中压母线保护应用。

从实际应用情况来看，现有的保护方案是显然不能满足快速切除母线故障或保护覆盖范围要求的，迫切需要采用一种新型中压母线保护系统，以解决目前实际运行中由于中低压母线发生故障几率较高、延迟切除故障导致故障发展、扩大，从而造成的巨大的经济损失的问题。

新型电弧光母线保护系统及应用情况

HRKDHG装置是一种快速可靠的专用中低压母线保护系统，它采用检测弧光和过流双判据原理，具有原理简单、动作可靠迅速、对变电站一次设备无特殊要求、适应于各种运行方式、且在各种运行方式下保护不需要切换等优点，为目前发电厂、变电站、工业及商业配电系统380V - 35kV中低压母线保护理想的解决方案。

一般电流保护继电器与HRKDHG电弧光保护的跳闸指令延时比较

	HRKDHG	一般O/C relay
测量	2ms	20 ms
计算	不需要	2 ms
自我侦测	随时	2 ms
输出 relay	1ms	6-10 ms
其它	不需要	10 ms
Total	2-3ms	40-44 ms

HRKDHG组成部分：
1、HRKDHG主机
主机采用4U机箱，彩色液晶显示，人机界面友好。
主机包含有电流检测和断路器快速跳闸保护，它通过检测短路电流和来自弧光传感器的动作信息，并对收集的数据进行处理、判断，发出跳闸信号以切除故障。该系统只要在同时检测到弧光和过流时才发出跳闸指令。
每个主机最多可接入24个传感器，它采用RS485总线与计算机通信。主机中配有24路报警继电器，实现24路传感器的实时报警功能，同时主机具有记录故障电流的录波功能。
主机具有超强配置功能，能设置24路传感器的具体监控位置，同时故障发生后，能显示具体故障位置。

2、点式传感器(HRKD)
点式传感器安装在开关柜各间隔室中，可实现对由简单到各种复杂接线中、低压开关柜提供有选择性的保护。点式传感器作为光感应元件，将检测在发生弧光故障时突然增加的光强，并将光信号转换成电流信号传送给主机。

3、光纤传感器(HRKG)

采用高性能光纤做为传感器，能实时监测开关柜内部弧光的产生，具有很高的灵敏度。

装置主要特点

内置的过电流保护
HRKDHG集成了2组3-相电流测量，能够监测短路电流和过电流，并且能够在3毫秒时间内进行反应。这使其可能减少由于像电闪或者焊接等所造成的意外触发，没有传统的额外延迟和外部过电流继电器所造成的费用。 在短路或者没有起弧的持久过负荷情况下，也可以用过电流功能触发断路器。
高可靠性和安全性
采用检测弧光及过流双判据原理，提供高度可靠和安全的动作性能。整个系统的连续综合自检充分保证系统运行的安全性
高效率的自我检测
HRKDHG系统提供了对整个系统的连续监视，包括所连接的传感器。通过一个闪烁的在线发光二极管可以监测任何的系统故障，像传感器电缆故障。
设置灵活
HRKDHG保护系统所有设置灵活，传感器数量，传感器位置，传感器动作值等通过按键很直观操作。
实时事件记录
对于所有的事件都能够提供详细的诊断信息，包括事故故障和电流录波。
装置配置灵活
装置可根据现场实际情况，任意组合传感器，并不影响现场使用。