淺析電弧光保護在火力發電廠用電高壓系統中的應用

安科瑞電氣張田田

摘要：介紹了電弧光保護裝置的組成,對火力發電廠高壓廠用電系統保護的現狀及存在的不足進行了分析,以一個典型的2×300MW火力發電廠工程為例,討論了高壓廠用電系統電弧光保護裝置的設計應用方案,對電弧光保護裝置的應用前景進行了展望。

關鍵詞：電弧光保護；高壓廠用電系統；應用

0引言

隨著我國電網特高壓、大電網發展的不斷深化,對于發電廠安全、可靠運行的要求不斷提高。作為電網中的主要電源,火力發電廠的安全可靠性直接影響電網的安全可靠性。高壓廠用電系統的安全運行直接關系到整個電廠的安全可靠性,因此,高壓廠用電系統的保護顯得至關重要。

按照我國現行的廠用電和繼電保護設計規程規范,高壓廠用電系統一般不配置快速母線保護,而是由上元件的后備保護來切除母線短路故障。此種配置導致故障切除時間延長,加大了設備的損害。近年來,隨著系統短路電流的不斷增長,由于廠用電系統短路故障切除不及時引起的電弧光對設備及人員造成傷害的事故時有發生,為防止該問題而設計的電弧光保護系統在火電廠中也有了應用。本文主要從電弧光保護的原理、構成及其在火電廠高壓系統應用的典型方案出發,對該保護系統的應用進行探討。

1火力發電廠高壓廠用電系統的保護現狀

根據GB/T14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》和DL/T5153—2002《火力發電廠廠用電設計技術規定》,針對高壓廠用電源及母線故障的保護配置一般為:

1. 相間短路故障保護。廠用變壓器裝設過電流保護,用于保護變壓器及相鄰元件的相間短路故障,保護裝于變壓器電源側;在二次側(3kV,6kV,10kV)母線斷路器上裝設電流速斷保護,帶時限動作于該分支斷路器。

2. 單相接地故障保護。300MW機組高壓廠用電源多為低電阻接地系統,其廠用母線和廠用電源回路的單相接地保護由接于電源變壓器中性點的電阻取得零序電流來實現,保護動作后帶時限切除該回路斷路器。

綜上所述,高壓廠用母線不配置快速母線保護,而是由上元件的后備保護來切除母線短路故障,故障切除時間延長。

2電弧危害和電弧光保護的原理

2.1電弧造成的危害

高壓開關柜內斷路器設備發生短路時產生的電弧使開關柜內的溫度、壓力迅速上升,從而造成重大危害。

(1)電弧溫度高,由于過熱造成母線銅排、鋁排熔毀,電纜熔毀,電纜絕緣層著火,嚴重時引發配電室或電纜溝火災。

(2)壓力、溫度劇增造成開關設備爆炸。

(3)碎片飛射、高溫、強光、有害氣體、爆炸音等造成人員傷害。

(4)由于弧光引起事故擴大,會造成更大面積的停電和火災事故,導致停機或全廠停電。

2.2電弧光保護的原理

電弧光保護系統主要是基于弧光增量動作判據,并輔以電流增量動作判據,當2個判據均發出跳閘令時,動作跳閘。電弧光保護系統主要由2部分組成:弧光傳感器和控制保護主單元。弧光傳感器分散布置在高壓開關柜內的母線室和斷路器室內;控制保護單元集中布置在電源柜內,采集弧光傳感器及電流傳感器的動作數據,實現控制保護邏輯及跳閘輸出。電弧光保護系統的故障切除總時間為80～100ms,可避免設備受電弧危害而損壞。

2.3電弧光保護的特點

電弧光保護采用弧光作為故障主判據并采用過電流作為閉鎖條件,原理簡單,同時也保證了可靠性。另外,該整套保護系統具有較好的速動性,可快速切除高壓廠用母線的短路故障,防止設備損壞和人員損傷。由于弧光傳感器定值的整定無成熟的規范依據,因此,該保護系統需要更多的運行經驗,弧光傳感器的元件質量也直接影響保護系統的性能。

3電弧光保護系統的構成

電弧光保護系統的構成如圖1所示,該系統一般包含4個部分。

圖1電弧光保護系統構成示意圖

(1)控制保護主單元。主單元包含電流檢測和控制保護功能,通過分析處理電流檢測數據和來自弧光傳感器的動作信息,在滿足跳閘條件時,發跳閘令切除故障。主單元一般具有斷路器失靈保護功能,在進線斷路器不能切除故障時,啟動失靈保護邏輯,跳上斷路器。此外,主單元還應具有數據傳輸、故障信息上傳、就地顯示等功能。

(2)弧光傳感器。弧光傳感器分散安裝于開關柜母線室和斷路器室內,作為光感應元件,應檢測在故障中增強的光強并將光信號轉換為電信號傳送給輔助單元。

(3)輔助單元。輔助單元分散安裝在開關柜內,收集來自弧光傳感器的故障動作信息并匯總上傳給主單元。每個輔助單元可接入多個弧光傳感器。

(4)輔助元件有通信電纜等,主要用于聯結以上3部分設備,共同組成完整的電弧光保護系統。

4高壓廠用電系統電弧光保護典型方案

在典型的2×300MW火力發電廠工程中,每臺機組設1臺高壓廠用工作變壓器和2段高壓廠用母線。高壓廠用工作變壓器低壓側采用雙分裂繞組,2個繞組分別接入對應的高壓母線段,高壓母線備用電源引自全廠公用的啟動備用變壓器。下面介紹一種應用于上述工程條件的高壓廠用電系統電弧光保護的典型設計方案。

4.1主單元的配置

電弧光保護系統及主單元按高壓廠用電母線段配置,即每段高壓廠用母線配置1套電弧光保護系統。在工作電源進線開關柜配置1臺主單元,用于工作進線的電流檢測和整個系統的控制保護;同時,在備用電源進線柜配置1臺電流輔助單元,用于備用電源進線的電流檢測。

4.2弧光傳感器的配置

在每面高壓開關柜的母線室和斷路器室分別配置弧光傳感器,用于檢測開關柜在故障時的增強光強。也可根據技術經濟分析,僅在母線室配置弧光傳感器。

4.3輔助單元的配置

單臺輔助單元可接入多臺弧光傳感器,因此,輔助單元的配置數量根據實際選用的弧光保護裝置輔助單元的接入能力確定。應保證電弧光傳感器的接線距離短,8～10面開關柜設置1臺輔助單元。

4.4保護跳閘出口

按母線段配置的電弧光保護系統,當弧光判據和電流判據均滿足動作條件時,應發跳閘令動作于該母線段工作電源進線斷路器和備用電源進線斷路器跳閘。是否投入斷路器失靈功能,需根據系統條件和電弧光故障情況綜合分析確定。

5安科瑞ARB5-M弧光保護產品選型說明

ARB5-弧光主控單元

7安科瑞ARB5-M弧光保護產品現場安裝

弧光保護主控單元、探頭安裝圖如下。