淺析電弧光保護在煤礦開關柜中的應用

安科瑞 陳聰

摘要：電弧光保護系統能夠地減少礦山電網系統中的安全隱患。結合某礦實際，使用電弧光保護裝置ARB5，該裝置采用光纖傳感器作為電弧光探測單元，弧光傳感器與保護裝置間采用模擬光信號傳輸將光信號轉化為障點，在短時間內快速切除故障，大限度縮小弧光保護系統不僅對高壓開關柜起到了保護作用經濟效益。

關鍵詞：弧光保護；光纖傳感器；高壓開關柜

0 引言

隨著國民經濟的不斷發展，我國煤礦的機械化程度不斷提高，所需用電量也在逐年增加，中低壓(35kV及以下電壓等級)配電系統的在礦山生產系統中得到了廣泛的應用。配電系統中的中、低開關柜的數量越來越多，中低電壓等級的母線由于所處環境復雜，技術設備故障和人為因素等原因，易引發母線短路，存在很大的安全隱患。由于母線發生故障時，采用變壓器的后備保護來切除母線上的故障，無法在發生故障的時間解決，設備損壞幾率增加，嚴重時導致燒毀。據報道，我國供電系統中開關柜每年有200多面被燒毀，而開關柜短路事故更是經常發生，有時甚至造成更大的電網事故，直接造成礦山機械設備的損失和經濟損失。因此，在應用供電系統時，如何在保證礦山生產效率的同時保證礦山設備及人員保護，是我們研究和攻克的難題。

1弧光的參數及危害

1.1弧光參數

1)空氣弧光產生時的大的瞬時功率較大，可達40MW；

2)內部溫度較高，可升至10000。C以上；

3)中壓范圍內弧光產生時和結束時的溫度可達4500。C：

4)弧光的大電壓可達500V～1000V；

5)弧光的光強超過正常的照明光強2000倍。

1.2弧光的危害

弧光在毫秒時間級別發生消失，釋放的卻很驚人，對礦山機械設備和人身安全都有巨大的破壞性]。

1)電弧溫度驚人，可達10000℃，超過一定溫度損害電網；

2)電弧引起火災，燒毀電纜；

3)穩定過高導致開關柜內開關裝置爆炸，使其失效i

4)容易造成人員傷害，對人員臉部和皮膚形成性傷害；

5)爆炸時產生的氣體，技術人員吸入會損傷其呼吸系統。

2弧光保護技術的現狀和措施

1995年，中國引進了套弧光保護裝置。近年來，人們注意到切除母線時產生的過流保護動作時間過長的問題，分析了電弧故障時產生的聲、光、熱和電磁等效應。采用理論與實際相結合的方法，分析電弧效應，開發研制出各種用來檢測電弧的保護裝置，并在礦山中得到了加速應用。如此，既對礦山人員起到了安全保護作用，也使得礦山的生產效率得到進一步提高。例如：有的利用電弧的熱效應，研制出能通過感應電弧的熱量而產生動作的采閥式電弧保護繼電器；有的利用電弧的電磁效應，通過電弧接地保護裝置及時切斷發生故障的開關裝置，以便及時的維修；有的檢測故障裝置中的臭氧濃度，保護報警裝置以便工作人員能在時間保證人員的安全，不至于給礦山企業帶來巨大的人員和經濟損失。隨著科技的發展，利用電弧的多種效應開發更具性和準確性的新型電弧保護裝置已成主流。

現在，功能型感器和非功能型傳感器等新型傳感器在礦山供電系統中應用廣，這種新型傳感器不僅靈敏度和度較高，而且絕緣性能較好，具有抗電磁干擾。這兩者主要以其中的光纖所起的作用不同區分開來。前者的光纖對被測信號具有傳輸和的作用；后者僅起傳輸的作用。光纖傳感器在電力系統的電弧光保護中起到了重要的作用，它在強電磁干擾和高電壓的環境里，能顯示出能力。

電弧故障的危害程度取決于電弧電流及切除時間，電弧產生的成指數規律快速上升。發生故障時，技術人員在85ms內切除故障部分，才能保證相關設備免遭遇難，避免不必要的損失，一旦時間超過100ms，相關設備則會遭到損害，嚴重時會對礦山企業造成不可挽回的損失。

目前常用保護裝置：

1)變壓器后備過流保護，但此方案的問題是快速性不過，不能達到開關柜內部電弧故障的保護。

2)簡易母線保護方案，采用傳統方法識別故障，此方案目前應用為廣泛。

3)電弧光母線保護方案，利用電弧的相關特性作為判別依據，可快速切除內部故障。

4)其他母線保護方案。就投入成本及實施效果綜合對比，電弧光保護方案優勢明顯，其使用比例在礦山配電系統中。

3研究內容

電弧光保護主要動作依據兩個不同因素：孤光及電流增量。通過研究傳統過流型保護、弧光非電量型保護和級差的配合，為弧光保護裝置的研究發現新的切入點，進而研究弧光保護裝置。

其一，傳統過流型保護和級差配合。以阻抗接地系統分析即接地跳閘時間很短分析：采樣15ms～30ms；接點閉合5ms；整定延時30ms~350ms；斷路器分閘50ms～80ms；整體故障切除時間：出線130ms+AR，進線450ms，見圖1。其二，弧光非電量型保護和級差配合。以阻抗接地系統分析，弧光信息1ms；過流判據Ims；接點閉合5ms；斷路器分閘50ITIS～80ms；整體故障切除時間：出線87ms，進線87ms，見圖2。本文研究內容為：

1)分析電弧對礦山造成的危害，研究電弧保護裝置的動作原理。

2)根據不同礦山的實際生產狀況研究母線故障變化情況，研究開發符合當地礦山實際生產狀況的電弧保護裝置。

3)在故障狀況下，分析各種電弧保護裝置的度和定位程度。

4)分析電弧保護裝置的優缺點并具體分析該裝置對礦山配電系統所產生的安全隱患。

通過研究某礦的配電系統，得出了一套適合該礦山實際生產的電弧光保護裝置的技術設施方案，既能保證弧光保護裝置的利用大化，也能把對煤礦供電系統的沖擊破壞程度降到低，從而避免安全隱患，加強對維修人員的培訓，防止人為操作錯誤帶來不必要的損失，并為今后電弧保護裝置新的開發提供可靠依據。

4實施方案

1)針對某礦實際生產狀況，采用ARB5電弧光保護裝置就地安裝6kV進線柜，該裝置滿足數字化廠站需要，適應智能電網未來發展趨勢。

2)ARB5弧光傳感器安裝在開關柜內，監測各開關裝置的運行，若有開關出現異常狀況，立刻實施保護措施。

3)采用以太網或串口103送后臺監控系統。

4)具有友好的人機接口，調試維護方便。

某煤礦使用的電弧光保護裝置為變電站、電廠、工業企業用戶等場合的中、低壓母線提供快速保護。當發生弧光短路時，被弧光傳感器覆蓋區域的弧光短路可被快速定位，電弧光保護系統快速動作，切斷故障電流，大限度降低電弧光對設備的損害以及人員傷害。電弧光保護裝置通過不同插件的組合，結合實際應用場所的供電系統，組建成符合實際需要的保護系統。電弧光保護裝置也可實現對電流信號的采集，進而完成對電弧光、短路器的保護，CT斷線、傳感器異常、裝置硬板故障等的報警，測控以及信息保護功能。在發生故障時，能夠定位故障點，跳閘出口提供跳閘矩陣整定，跳開相關斷路器，實現分區域保護，大限度縮小事故停電范圍。具有強電磁兼容性，調試維護方便，具有友好的人機接口，方便的現場安裝測試功能。

5配置方案

電弧光保護裝置配置方案如表1所示。

6安科瑞ARB5-M弧光保護產品選型說明

ARB5-弧光主控單元

（1）＊表示可選附件，需要另外增加費用1500元。

（2）主控板和采集板數量之和不能大于4。

（3）弧光探頭到采集板的長度不能超過20米。

（4）如有特殊要求，請特別注明。

7安科瑞ARB5-M弧光保護產品功能和技術參數

8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。

9結語

1)電弧光保護系統的減少了礦山電網系統中的安全隱患，降低了因短路故障造成的設備損害和人員傷害，提高了礦山企業的經濟效益。

2)能夠快速定位短路故障點，在短時間內快速切除故障，大限度縮小礦山停電范圍，保證供電系統的穩定可靠運行，使礦山生產能夠正常有序進行。

3)目前某礦存在大批設備老化現象，礦山開關柜也不例外，由于近些年礦山趨勢的低谷，使得資金以及技術更新都得不到支持，這種背景下，如果低價的國產電弧光保護裝置能夠及時開發，既可保證礦山設備以及人員的安全性，又能夠合理控制礦山預算成本，在保證安全的基礎上實現具有高的經濟和社會效益。

參考文獻：

[1]王玉晴.煤礦高壓開關柜中電弧光保護裝置的研究．

[2]魯普天.智能變電站繼電保護裝置自動測試系統設計與實現研究[J]．通訊世界，2017(10)：191192.

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5（版）.