AVAGO弧光传感器在中低压母线保护中的应用

1. 概述 

在电力系统中，35kV及以下电压等级的母线由于没有稳定问题，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。 

2.电弧光产生的原因
1）开关设备内电弧光产生的人为原因有：
?   误入带电间隔；
?   隔离开关误操作；
?   带接地线合闸；
?   忘记测量工作区内的电压等。

2) 开关设备内电弧光产生的技术原因有 ：
?   设备故障和带电设备的误操作；
?   设备正常检修后，遗漏工具在开关设备内；
?   错误的接线和母线连接 ；
?   绝缘老化、机械磨损、过电压、小动物（尤其是老鼠）、灰尘、温度、湿度及腐蚀等环境因素。
2.1电弧光的危害
?   开关设备内部间隔发生故障而产生的电弧光造成开关设备中的压力和温度迅速增加，如不及时切除 将造成以下重大危害：
?   电弧光中心温度相当于太阳表面温度的 2 倍，约为 20000 ℃，由于过热将导致铜排、铝排熔毁气化；
?   电缆熔毁，电缆护套着火；
?   过热导致压力上升，使开关设备爆炸；
?   开关设备剧烈振动，使固定元件松脱；
?   使上一级变压器承受近距离短路故障冲击，故障电流产生的电动力可能导致变压器绕组变形发生匝间短路；
?   故障产生的弧光冲击波以 300m/s 的速度爆发， 可摧毁途中的任何物质， 若波及站内直流系统造成全站直流失电，将造成无法弥补的重大损失；
?   高温灼伤皮肤，强光刺伤眼睛； 
?   爆破音振损伤耳膜，肺脏；
?   爆炸碎片飞射，造成人员伤亡。

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（见图一） 。







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。  

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。 [page]

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。 

3.开关柜弧光短路故障的防护措施 

3.1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。下表为国外对增加开关柜内部燃弧耐受时间和相应增加成本进行评估的结果。 

3.2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。 

弧光传感在积极防护中是目前一种新技术，也是高效的。弧光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。弧光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辅助单元。

AVAGO弧光检测覆盖的范围是300到800nm的光谱的光线，对弧光的检测通过一部分裸纤对光的感应，形成一个信号的回馈。[page]

不同的光线光能量以及传输距离不一样，几种典型光线对比：


目前AVAGO用于弧光检测的几个器件的型号：


下图为SFH250的敏感度和光波长的波形：


下图为HFBR-24X6Z的标准响应时间：


AVAGO的弧光检测系统分点检测方式和路链检测方式两种：


点检测：



路链检测：


弧光检测的最小集成系统：


6.结语  

随着现代微机和光电子技术的发展，各种新型母线保护原理和装置不断出现，为实现中低压专用母线保护提供了各种解决方案。电弧光保护作为一种针对中压开关柜故障特性开发的中低压母线保护系统，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，为用户提供了一个理想的中低压母线保护解决方案。