CN105576621A - 一种弧光保护方法 - Google Patents
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Abstract
一种弧光保护方法，本发明以电流信号和光波信号进行与逻辑判断，通过定时器，参考电压信号，从而通过快速继电器输出到断路器；并参考电压信号，从而提高弧光保护装置动作的可靠性，避免乱动作。本发明克服了设备内部故障，电流变化不大时的保护问题，运用电参量特征，判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障，最大限度地减小用户的停电时间，延长现有开关相关设备的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统保护领域，特别涉及一种弧光保护方法。
背景技术
随着电网的快速发展，110kV及以上电压等级均已有比较成熟的保护措施，6kV(10kV)到35kV这个电压等级范围内厂用中压配电开关柜为全厂辅机/供电系统的供电枢纽，在发生内部故障时是否能迅速切除故障，对全厂(变电站)配电系统的安全运行至关重要，但是按目前的保护方案：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。
鉴于中压母线的重要地位，任何故障的延时切除，都是我们极为不愿意看到的现状，因为开关柜内的电弧光发生时产生的高温、高压、弧光、振动、爆破音给开关柜等相关设备造成严重的损伤，甚至波及到变压器，造成变压器的烧毁，严重危及人身的安全，从而造成巨大的经济损失。如2009年安徽电力公司某供电局220kV变电站35kV开关柜误操作电弧光事故造成一人死亡；2009年重庆某电厂厂用电进线柜电流互感器绝缘电弧光故障造成停机及厂用变压器返厂维修；2011年云南电网公司“2.24”事故，怒江供电局某变电站因电弧光事故造成一人死亡。
由于多年运行表明中低压配电柜内部弧光保护对人身及设备带来极大的损害，各国电力专家开始对电弧光故障进行研究及认识。国际电工委员会IEC修订了其IEC60298-2003标准了中压开关柜内部电弧光故障产生的原因、解决方案及测试方法，加拿大电力和电子制造商协会(EEMAC)制定了在内部弧光故障的条件下金属铠装开关柜电阻的测试规则，美国出版了IEEEC37.20.7中压金属铠装开关柜内部弧光故障的测试导则。此外美国在电力职业安全生产方面针对电弧光弧闪事故建立了相关标准和要求，美国国家防火协会(NFPA),作为美国国家电力规范(NBC)的一个补充，制定了NFPA70E-2004职业电力安全要求标准。国内根据IEC60298-2003标准制定我国现有标准GB3906-2006《3.6kV～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》，定义了内部电弧级开关设备和控制设备(IAC)，其内部故障电弧试验规定为必做的型式试验。
近年来由于对内部故障电弧特征参数的不断了解，中压开关柜相关新标准对防弧光故障要求的不断提高，国内一些专家一直强调装设专用中低压母线保护的重要性，用户也希望可以提供一种造价偏低，原理简单，适用于6-35kV的母线保护，以最大限度减小母线故障对设备的损害，提供供电可靠性，作为最快速度的专用母线弧光保护系统应运而生，它不仅能很好地应用于新装开关柜里也能方便地加装到已运行的开关柜中，其目标就是在第一时间里切除弧光故障使人身伤亡及设备损害降至最低，与其他专用母线保护相比有价格优势。
发明内容：
当纯弧光保护时，首先通过纯弧光选择开关将电流保护功能退出，当任何一个孤光传感器检测到弧光信号时，与其相对应的出口继电器动作并点亮与其相对应的跳闸灯；当弧光判据与电流判据保护时，首先通过纯弧光选择开关将电流保护功能投入，且检测到有电流信号；同时当一个孤光传感器检测到弧光信号时，与其相对应的出口继电器动作并点亮与其相对应的跳闸灯。
这两种保护方式在实际运用过程中会造成误动作事件发生，影响弧光保护装置的可靠性。
本发明的目的就是针对以上存在的缺陷和问题，克服设备内部故障，电流变化不大时的保护问题，提出一种可以在弧光故障刚发生时有效进行监测、处理的弧光保护方法。
对电力变电设备进行检测，所述判断电力设备电弧放电及其他故障的方法如下：
一种弧光保护方法，本发明特征在于:以电流信号和光波信号进行与逻辑判断，通过定时器，参考电压信号，从而通过快速继电器输出到断路器。这种判断方法参考电压信号，从而提高弧光保护装置动作的可靠性，避免乱动作，具体步骤如下：
S1：弧光保护装置上电；
S2、赋初值给电流保护整定值IL0.set、弧光保护整定值OPL0.set和电压保护整定值VL0.set
S3、测量并计算出母线电流工频相量值、弧光强度及相电压的工频相量值；
S4、判断是否满足电流幅值IL0.set≤IL0i，弧光强度OPL0.set≤OPL0i；
S5：如果满足，经过定时器，比较母线相电压的幅值UA、UB、UC，将幅值最小的一项取为UL0i；
S6、根据公式实时计算电压馈线电流工频相量值；
S7、判断幅值是否满足VL0.set≥Ui；
如果满足，则启动弧光保护，如果不满足，则返回步骤S3。
弧光保护整定值的参量为光强度或光照度。选1或采用如下公式计算：
ZSΣ＝2(ZS1+ZT1)+(ZT0+3Rg)，为故障相在故障发生前的电压工频相量值，为故障相在故障发生后的电压工频相量值，ZS1为主变压器高压侧的系统正序阻抗，ZT1为主变压器正序阻抗，ZT0为接地变压器零序阻抗，Rg为中性点接地电阻；主变压器为配网母线或馈线连接物理距离最近的变压器。
本发明的有益效果是，弧光保护系统的好处：
(1)保护附近工作人员免遭电弧光对人身的伤害；
(2)保护中低压设备免受严重破坏、防止火灾发生；
(3)保护主变压器或者厂用变压器免受严重冲击而损坏；
(4)防止波及占用直流系统，造成巨大的经济损失；
(5)最大限度地减小用户的停电时间(用户停电恢复时间，由原来的几个星期或几天减少至几个小时以内)
(6)延长现有开关相关设备的使用寿命。
(7)提高现有弧光保护装置的可靠性。
附图说明：
图1是传统弧光保护装置原理图；
图2是本发明弧光保护装置原理图；
图3为中压母线电弧光保护数字仿真实验方案图；
图4为F2相间故障波形；
图5为F1断路器触头上端故障波形。
具体实施方式：
见图2，图3，一种弧光保护方法，本发明特征在于:以电流信号和光波信号进行与逻辑判断，通过定时器，参考电压信号，从而通过快速继电器输出到断路器。这种判断方法参考电压信号，从而提高弧光保护装置动作的可靠性，避免乱动作，具体步骤如下：
S1：弧光保护装置上电；
S2、赋初值给电流保护整定值IL0.set、弧光保护整定值OPL0.set和电压保护整定值VL0.set
S3、测量并计算出母线电流工频相量值、弧光强度及相电压的工频相量值；
S4、判断是否满足电流幅值IL0.set≤IL0i，弧光强度OPL0.set≤OPL0i；
S5：如果满足，经过定时器，比较母线相电压的幅值UA、UB、UC，将幅值最小的一项取为UL0i；
S6、根据公式实时计算电压馈线电流工频相量值；
S7、判断幅值是否满足VL0.set≥Ui；
如果满足，则启动弧光保护，如果不满足，则返回步骤S3。
弧光保护整定值的参量为光强度或光照度；选1或采用如下公式计算：
ZSΣ＝2(ZS1+ZT1)+(ZT0+3Rg)，为故障相在故障发生前的电压工频相量值，为故障相在故障发生后的电压工频相量值，ZS1为主变压器高压侧的系统正序阻抗，ZT1为主变压器正序阻抗，ZT0为接地变压器零序阻抗，Rg为中性点接地电阻。主变压器为配网母线或馈线连接物理距离最近的变压器。
本发明设计的运用光电等特征判断电力设备电弧放电及机械震动、异常位移类故障的方法依据的原理之一是，利用电压信号对电力设备内部，进行电弧放电及机械类故障检测。
本发明根据传统的电流和弧光信号进行”与操作”，从而使弧光保护装置动作，在实际情况下会出现误动作，本发明巧妙地利用电压信号和定时器，重新对弧光保护装置进行判断，从而提高弧光保护装置的可靠性。
举例说明1：
对于双端电源的单母分段网络，设计数字动模电弧光保护实验方案如下：方案中构成的组件包括主控单元、电流单元、弧光扩展器、弧光单元、弧光传感器等，实验中，将设置F1、F2、F3、F4等四个区内故障点，其中F1、F3、F4为保护动作边界条件，观察保护动作行为及动作时间。另设置F5、F6两区外故障点，试验保护的动作状况。
1、保护动作逻辑
1)10kV进线开关F1点瞬时性故障，包括相间短路，两相接地，三相短路等(下同)，电弧光保护系统探头1发出弧光信号，进线测得电流互感器过流，保护动作条件满足，跳BRK2；若保护动作后故障未切除，失灵保护动作，跳BRK1。
2)10kVI母F2点瞬时性故障，保护动作条件满足，跳BRK2；若保护动作后故障未切除，失灵保护动作，跳BRK1。
3)F3点瞬时性故障，发探头3信号；
母联处弧光继电器收到L1电流动作信号，弧光继电器动作跳BRK3,动作后故障未切除，L1弧光以失灵延时1动作，跳BRK2,保护动作后故障仍未切除，L1失灵延时2动作，跳BRK1.
4)10kV出线开关F4点瞬时性故障，探头4动作，弧光继电器收到L1电流动作信号，弧光继电器动作跳BRK4，动作后故障未切除，L1弧光以失灵延时1动作，跳BRK2,保护动作后故障仍未切除，L1失灵延时2动作，跳BRK1.
1.1区外故障
1)10kV母联合位，10kVII母区外F5点瞬时性故障，无探头信号，保护不动作
2)10kV出线区外F6点瞬时性故障，无探头信号，不动作
2、相关试验及仿真
本次动模实验结合实际变电站运行数据建立系统模型，设备参数如下：系统电压等级115kV，系统容量150MVA；进线变压器为Yd11联接，50MVA，110/10.5kV；系统负荷P：3MW，Q：0.3MVAR；中性点经消弧线圈接地方式，故障点设置如图3所示
由于中压母线两回进线具有一定的对称性，本次试验集中在进线1和I母侧进行电弧光保护实验，实验结果亦可以推导到II母侧。以下实验的运行方式为主变1供电，母联合位。当区内故障时，失灵保护动作联跳主变高压侧时间整定为0.3s；出线开关及母联失灵联跳进线开关时间整定为0.2s。
2.1区内故障
如前所述，中压母线电弧光保护系统区内故障包括F1、F2、F3、F4四个故障区域，其中F1、F3、F4又分别为保护动作的边界条件，对于边界条件F1又可以断路器动静触头为界进一步分为断路器进线变压器侧故障与断路器母线侧故障；F4故障可细分为断路器母线侧故障与断路器出线侧故障，对于F3，按故障发生在母联与电流互感器之间位置不同又可分为①故障发生在母联CT前面②故障发生在母联CT之间③故障发生在母联之后。划分了各故障区域之后，实验数据与分析如下：
a)区内F2处设置各类型故障，比如AB相间故障，得变压器低压侧母线进线处电压和电流故障波形及断路器跳闸信号(其中X1-跳110kV开关信号；X2-跳10kV进线开关信号；X3-主控单元跳母联信号；X4-弧光继电器跳母联信号；X5-跳10kV出线开关信号；X6-时间记录参考信号，fltstart-故障记录起始信号；BRK1-110kV开关跳闸信号；BRK2-10kV进线开关跳闸信号；BRKBB2-母联开关跳闸信号；BRK4-10kV出线开关跳闸信号)。
同理可得F2处其他不同类型故障故障波形及跳闸信号，并得出F2发生各类型故障，电弧光保护均在瞬时发出使进线开关跳闸信号。
b)如前所述，F1处故障以断路器动、静触头为界考察两处故障，分别命名为①BRK2变压器侧故障，②BRK2母线侧故障。②类故障相当于母线故障，动作时序如上图示，对于①类故障，波形及动作报告如图所示，
由图5可得，进线开关处故障，探头发出弧光信号，同时进线电流互感器过流，弧光保护跳闸，跳开进线1开关，同时启动失灵信号，由于故障位于断路器变压器侧，所以故障仍存在，弧光保护经设定延时跳变压器高压侧开关。且F4处故障类似于F1故障，对于馈线开关出线侧故障，电弧光保护跳馈线开关，母线室故障保护动作跳进线开关，开关室故障同此处F1故障。
c)F3故障；为了考察电弧光保护系统在故障发生在母联开关与电流互感器相对位置的不同，本次实验又分为以下三种不同位置的故障：⑴故障发生在母联CT前面；⑵故障位于母联和母联CT之间；⑶母联开关II母侧。实验结果表明：故障⑴⑵，母联处探头信号动作，进线处电流互感器过流，母联开关跳闸，同时启动失灵保护，由于进线开关过流均存在，所以失灵保护跳进线开关；故障⑶，电弧光保护跳母联开关。
2.2区外故障
当设置F5、F6为本次实验区外故障时，此两处故障点均无探头信号，即此故障点在此系统中均检测不到弧光，结果在各种故障类型实验下，中压母线电弧光保护均未动作。
示例2：
假设图4和图5是电弧故障的电压电流信号，如图4可知，某相故障后电压跌落至零，电流突然变大，后慢慢震荡至零。如图5可知，某相故障后电压跌落至零，电流突然变大，后慢慢稳定到一定幅值，达到平衡。在这两种信号情况下，电流信号在持续一段时间内，电压信号均不断跌落，本发明可较好解决此类接地故障问题。
上述实施例表明本发明能够根据电流、电压、光强的分布特征情况对电压测量值进行正确调整，确保不同接地故障下电压馈线零序电流保护动作的有效性，防止弧光保护的误动作。因此本发明可大大提高弧光保护的选择性和可靠性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种弧光保护方法，其特征在于：
以电流信号和光波信号进行与逻辑判断，通过定时器，参考电压信号，从而通过快速继电器输出到断路器；并参考电压信号，从而提高弧光保护装置动作的可靠性，避免乱动作，具体步骤如下：
S1：弧光保护装置上电；
S2、赋初值给电流保护整定值IL0.set、弧光保护整定值OPL0.set和电压保护整定值VL0.set
S3、测量并计算出母线电流工频相量值、弧光强度及相电压的工频相量值；
S4、判断是否满足电流幅值IL0.set≤IL0i，弧光强度OPL0.set≤OPL0i；
S5：如果满足，经过定时器，比较母线相电压的幅值UA、UB、UC，将幅值最小的一项取为UL0i；
S6、根据公式实时计算电压馈线电流工频相量值；
S7、判断幅值是否满足VL0.set≥Ui；
如果满足，则启动弧光保护，如果不满足，则返回步骤S3。
2.根据权利要求1所述的一种弧光保护方法，其特征在于：弧光保护整定值的参量为光强度或光照度。
3.根据权利要求1所述的一种弧光保护方法，其特征在于：S6中的选1或采用如下公式计算：
ZSΣ＝2(ZS1+ZT1)+(ZT0+3Rg)，为故障相在故障发生前的电压工频相量值，为故障相在故障发生后的电压工频相量值，ZS1为主变压器高压侧的系统正序阻抗，ZT1为主变压器正序阻抗，ZT0为接地变压器零序阻抗，Rg为中性点接地电阻。
4.根据权利要求3所述的一种弧光保护方法，其特征在于：所述主变压器为配网母线或馈线连接物理距离最近的变压器。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |