第一章、ST-HGB智能電弧光保護(hù)裝置系統(tǒng)簡介

1.1概述

在我國，中、低壓母線短路故障中，重點(diǎn)設(shè)備和人員傷害主要由電弧光引起，然而，我國的大多數(shù)中低壓母線沒有設(shè)置快速母線保護(hù)，而只是采用了簡單的消弧裝置和變壓器后備保護(hù)。這些保護(hù)智能化較低，動(dòng)作速度慢，往往會(huì)延長故障切除時(shí)間，從而進(jìn)一步擴(kuò)大設(shè)備損壞程度，甚至?xí)?/span>“火燒連營”的惡性事故，沖擊變壓器一次運(yùn)行，影響整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

弧光保護(hù)系統(tǒng)是我公司根據(jù)國內(nèi)實(shí)際情況，吸收國外電弧光保護(hù)的特點(diǎn)，結(jié)合行業(yè)檢測(cè)及保護(hù)配置相關(guān)規(guī)程，自主研發(fā)出具有獨(dú)特創(chuàng)新技術(shù)、具有廣泛實(shí)用性、高可靠性的新型電弧光保護(hù)系統(tǒng)。采用弧光檢測(cè)和過電流檢測(cè)雙判據(jù)原理，具有保護(hù)動(dòng)作速度快、可靠性高等特點(diǎn)。

1.2電弧光產(chǎn)生的原因

引起開關(guān)柜弧光短路故障的原因很多，一般分為以下五類

1）絕緣故障：主要是柜中絕緣材料爬距不足，未滿足加強(qiáng)絕緣要求，在臟污環(huán)境，天氣潮濕下發(fā)生絕緣故障。另外，由于絕緣材料材質(zhì)缺陷，運(yùn)行年限較長的開關(guān)柜，在強(qiáng)電磁場作用下絕緣老化，也可能造成絕緣損壞而導(dǎo)致故障。

2）載流回路不良：由于一些接頭截面不夠，緊固螺栓松動(dòng)，手車柜觸頭接觸不良，在大電流流過時(shí)引起發(fā)熱，冒火進(jìn)而引起相間，相對(duì)地?fù)舸┑鹊取?

3）外來物體的進(jìn)入：如小動(dòng)物（老鼠等）進(jìn)入開關(guān)柜內(nèi)部，或維修人員在工作完成后將工具遺留在開關(guān)柜內(nèi)。

4）認(rèn)為操作錯(cuò)誤：如走錯(cuò)間隔，誤操作，未對(duì)工作區(qū)域進(jìn)行接地，未對(duì)工作區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)電等。

5）系統(tǒng)方面的原因：如系統(tǒng)容量增大，接地方式改變，電纜應(yīng)用增多，保護(hù)及自控裝置配置不當(dāng)，系統(tǒng)諧振過電壓等。

1.3電弧光的危害

開關(guān)柜內(nèi)的發(fā)生短路弧光的功率可高達(dá)100MW，電弧燃燒所產(chǎn)生的能量與電弧的燃燒時(shí)間及短路電流變化值呈指數(shù)倍增長（如下圖所示），燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓將會(huì)逐步摧毀元器件、銅排以及成列的開關(guān)柜，高明亮的弧光和有毒氣體對(duì)人體也有巨大的傷害。

要保證設(shè)備不受結(jié)構(gòu)性損傷，必須盡量縮短切除時(shí)間。

以下為國外資料介紹的各種燃弧時(shí)間長短和對(duì)設(shè)備造成的損壞程度的評(píng)估：

1.4電弧光保護(hù)系統(tǒng)作用及應(yīng)用領(lǐng)域

電弧光保護(hù)系統(tǒng)，可以起到以下作用：

減少或降低電弧光對(duì)于人體的傷害；

減少或降低電弧光短路故障對(duì)于設(shè)備的損害；

避免變壓器因近距離母線故障造成動(dòng)穩(wěn)定破壞，延長變壓器的使用壽命；

縮短電弧光故障切除時(shí)間，避免波及站內(nèi)直流系統(tǒng)造成重大損失；

減少因電弧光故障造成設(shè)備停運(yùn)的時(shí)間，更快地恢復(fù)供電；

電弧光保護(hù)系統(tǒng)，主要應(yīng)用于以下場合：

1）電力變電站

2）火電廠電氣段開關(guān)柜母線室及饋線柜

3）風(fēng)電場升壓站集電線路開關(guān)柜

4）箱式變電站

5）鋁鎂行業(yè)大型直流整流柜

第二章、ST-HGB智能電弧光保護(hù)裝置系統(tǒng)的組成

2.1目前國內(nèi)用于中、低壓系統(tǒng)的保護(hù)及其局限性

1）變壓器后備過流保護(hù)，典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為1.2s~2s。

2）采用饋線速斷保護(hù)閉鎖變壓器后備過流保護(hù)，典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為300ms~500ms。

3）高阻抗母線差動(dòng)保護(hù)，典型的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為30ms~50ms。

上述保護(hù)均有致命的弱點(diǎn)就是動(dòng)作時(shí)間太慢，根據(jù)電弧光危害示意圖所示，保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間不能超過20ms，否則會(huì)產(chǎn)生不可修復(fù)的器件損壞，從而延長故障修復(fù)時(shí)間。

2.2本系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）、動(dòng)作迅速可靠：

采用了可靠的快速算法，可以在短時(shí)間內(nèi)判斷弧光變化信號(hào)和電流變化信號(hào)并迅速出口，從發(fā)現(xiàn)故障到出口跳閘時(shí)間間隔優(yōu)于10ms，確保開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備的弧光在75ms以內(nèi)切除。

2、全數(shù)字化設(shè)計(jì)：

本裝置采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)，配置靈活，動(dòng)作精度高，而且排除了由于旋鈕或其他機(jī)械設(shè)計(jì)導(dǎo)致的誤差隱患。

3、保護(hù)原理簡單、合理

根據(jù)弧光產(chǎn)生時(shí)的特點(diǎn)，裝置采用弧光和電流雙重判據(jù)，判據(jù)簡單且可以有效的保證動(dòng)作的準(zhǔn)確性。

4、強(qiáng)大的電氣性能：

弧光探頭設(shè)計(jì)、連接線等全部采用耐高溫、阻燃的高分子材料，具有超強(qiáng)的電氣隔離效果。裝置完全滿足EMC的標(biāo)準(zhǔn)，保證了弧光保護(hù)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和動(dòng)作的可靠性。

5、故障信息記錄全面

在故障弧光發(fā)生并引起裝置跳閘后，主控單元或饋線保護(hù)單元可以準(zhǔn)確的記錄弧光探頭檢測(cè)到故障弧光的位置信息，且可以詳細(xì)記錄動(dòng)作時(shí)刻的三相電流值。

2.3弧光保護(hù)系統(tǒng)組成

弧光保護(hù)系統(tǒng)主要由主控單元（含弧光采集單元）和弧光傳感器組成，為了適應(yīng)現(xiàn)場的應(yīng)用需求，分為了母線型弧光保護(hù)系統(tǒng)和饋線型弧光保護(hù)系統(tǒng)。如下圖所示：

圖2  弧光保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1 主控單元

主控單元是母線型弧光保護(hù)系統(tǒng)的核心。它檢測(cè)分析故障信號(hào)、接收分析采集單元的弧光故障信號(hào)，并對(duì)兩種信號(hào)進(jìn)行綜合分析判斷。在滿足跳閘條件時(shí)，發(fā)出跳閘指令以切除故障。

主控單元一般安裝在進(jìn)線柜或緊鄰進(jìn)線柜的開關(guān)柜的二次控制門板上。主控單元有：

1）16個(gè)弧光信號(hào)檢測(cè)接口，用于接收來自弧光傳感器的弧光故障信號(hào)；

2）2路RS485；

3）4路快速跳閘輸出接口，符合IEC255-23繼電器標(biāo)準(zhǔn)。

4）2路報(bào)警出口，其中一路為裝置故障出口。

5）12路電流輸入，檢測(cè)4組三相電流信號(hào)，用于判斷故障電流。

6）主控單元可以根據(jù)客戶需要擴(kuò)展弧光采集單元、或者電流單元

2.3.2 弧光擴(kuò)展采集單元

弧光擴(kuò)展采集單元與主控單元配合使用，是弧光保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于采集故障弧光，并將判斷后的結(jié)果通過高速總線傳遞給主控單元。單個(gè)弧光采集單元可以安裝16路弧光探頭，根據(jù)系統(tǒng)的大小可以任意增減弧光采集單元的數(shù)量?；」獠杉瘑卧ǔ０惭b在選定的開關(guān)柜內(nèi)中。弧光采集單元具有

1）16個(gè)弧光信號(hào)檢測(cè)接口，用于接收來自弧光傳感器的弧光故障信號(hào)；

2）2個(gè)數(shù)據(jù)通訊接口，1路RS485，1路CAN總線；

2.3.3 弧光傳感器

弧光傳感器中的探頭安裝在柜內(nèi)各間隔中，可實(shí)現(xiàn)由簡單到復(fù)雜、有選擇性的保護(hù)?；」馓筋^作為光感應(yīng)元件，在發(fā)生弧光故障時(shí)檢測(cè)突然增加的光強(qiáng)。主流應(yīng)用分為光纖式弧光傳感器和電纜式弧光傳感器兩種。

1）光纖式弧光傳感器

光纖式弧光傳感器，前置探頭采集弧光信號(hào)中的特有光譜信息，并通過專用光纖將光信號(hào)傳送給弧光采集單元或主控單元，弧光單元或主控單元完成光信號(hào)的分析處理與采集。

2）電纜式弧光傳感器

電纜式弧光傳感器，前置探頭采集弧光信號(hào)中的特有光譜信息，并在探頭處完成光信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，輸出4-20mA的電流信號(hào)傳送給弧光單元或弧光保護(hù)主控單元。

2.4 技術(shù)特點(diǎn)

本系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

滿足電磁兼容（EMC）標(biāo)準(zhǔn)；

符合中國繼電保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求；

采用過流及弧光雙重判據(jù)，可靠性高；

新型光纖連接傳輸，光電轉(zhuǎn)換在裝置內(nèi)完成，抗電磁干擾能力強(qiáng)；

采用過濾干擾光的新型弧光傳感器，具有過濾干擾光的功能，避免可見光傳感器受環(huán)境光照影響引起誤動(dòng)；

出口跳閘時(shí)間小于10ms，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的母線保護(hù)，對(duì)開關(guān)柜的內(nèi)部弧光故障總切除時(shí)間可以控制在75ms以內(nèi)；

全漢字顯示，操作習(xí)慣和傳統(tǒng)數(shù)字式保護(hù)完全一致；

跳閘出口邏輯可編程；

弧光傳感器動(dòng)作值三檔可調(diào)；

2.5.裝置原理說明

1）電弧光保護(hù)功能

電弧光保護(hù)以電流單元為基礎(chǔ)分組，弧光探頭可以整定關(guān)聯(lián)到任意一組電流信號(hào)上。

當(dāng)弧光單元把光信號(hào)從弧光傳感器傳輸?shù)街骺貑卧獣r(shí)，并且同時(shí)電流啟動(dòng)元件動(dòng)作，電弧光保護(hù)動(dòng)作；裝置可選擇弧光信號(hào)動(dòng)作單判據(jù)作為動(dòng)作邏輯判斷。

圖3  電弧光保護(hù)邏輯圖

2) 裝置自檢

當(dāng)裝置檢測(cè)到本身硬件故障時(shí)，發(fā)出告警信號(hào)，同時(shí)閉鎖整套保護(hù)。硬件故障包括：采樣回路故障、RAM出錯(cuò)、定值出錯(cuò)等。

第三章、電弧光保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)品外觀與結(jié)構(gòu)

3.1 主控單元結(jié)構(gòu)尺寸

主控單元采用全封閉5U 1/3標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，嵌入式安裝于屏(柜)上。插件為后插導(dǎo)軌式，插緊后上下有鎖緊螺絲。機(jī)箱安裝開孔尺寸圖如下:

3.2主控單元端子圖及定義

端子序號(hào)	定義功能	說明
X1-1至X1-24	四組三相電流輸入
X2-1，X2-2	備用擴(kuò)展
X2-3，X2-4
X2-5，X2-6	備用擴(kuò)展
X2-7，X2-8	備用擴(kuò)展
X2-9，X2-10	備用擴(kuò)展
X3-1	跳閘出口1	可編程出口
X3-2
X3-3	跳閘出口2	可編程出口
X3-4
X3-5	跳閘出口3	可編程出口
X3-6
X3-7	跳閘出口4	可編程出口
X3-8
X3-9	告警總出口
X3-10
X3-11	跳閘總出口
X3-12
X3-13	裝置故障輸出
X3-14
X3-15	備用出口	備用
X3-16
X3-22	裝置電源
X3-23
X3-24
X4-1, X4-2	弧光信號(hào)1	弧光傳感器1
.	.	.
.	.	.
.	.	.
X4-31, X4-32	弧光信號(hào)16	弧光傳感器16
X4-33，X4-36	485通訊接口

3.5 弧光傳感器尺寸圖及安裝說明

在開放空間，例如母線室，弧光傳感器的安裝間隔最大可以達(dá)到4 米。傳感器可以安裝在開關(guān)柜分隔板上或框架上。面向開關(guān)柜中要保護(hù)的部分?；」鈧鞲衅饕部捎冒惭b板安裝在保護(hù)區(qū)域內(nèi)。

1）電纜式弧光傳感器安裝

2）光纖式弧光傳感器安裝

第四章.弧光保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用說明

4.1單母線供電典型示例說明

該方案配置一臺(tái)主控單元和一臺(tái)（或多臺(tái)）弧光擴(kuò)展采集單元（依據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)來確定）。母線上有故障分別跳QF1、QF2斷路器，QF1、QF2斷路器失靈，跳QF3和QF4。

4.2母線分段供電典型示例說明

該方案配置兩臺(tái)主單元和一臺(tái)（或多臺(tái)）弧光采集單元。母線上有故障分別跳QF1、QF2斷路器，并閉鎖（或跳開）母聯(lián)開關(guān)K1；QF1、QF2斷路器失靈，跳QF3和QF4。

第五章. 弧光保護(hù)主控單元操作說明

5.1主控單元面板布置圖和說明

本裝置采用人性化面板設(shè)計(jì)：

配置全中文液晶顯示器，按級(jí)操作各菜單頁面，根據(jù)菜單提示可對(duì)裝置采集的各種數(shù)據(jù)、及各種事件進(jìn)行監(jiān)視、記錄，可直接對(duì)裝置進(jìn)行參數(shù)修改、保護(hù)調(diào)試等操作；配置裝置運(yùn)行指示燈，運(yùn)行人員可直觀地了解電源工作狀態(tài)、裝置的運(yùn)行狀態(tài)，通訊的運(yùn)行狀態(tài)等；該裝置還配置九個(gè)輕觸式按鍵和一個(gè)復(fù)位按鈕。

5.2信號(hào)燈說明

a)“運(yùn)行”燈為綠燈，裝置正常運(yùn)行時(shí)，每秒閃爍1次，如果閃爍不正常說明運(yùn)行處于不正常運(yùn)行狀態(tài)；

b)“告警”燈為紅燈，正常運(yùn)行時(shí)熄滅，任一保護(hù)功能告警或裝置自檢出錯(cuò)時(shí)點(diǎn)亮；

c)“跳閘”燈為紅燈，正常運(yùn)行時(shí)熄滅，任一保護(hù)功能跳閘時(shí)點(diǎn)亮；

d)“跳位”燈為綠燈，當(dāng)斷路器處于合閘位置時(shí)熄滅，當(dāng)斷路器處于跳閘位置時(shí)點(diǎn)亮；

e)“合位”燈為紅燈，當(dāng)斷路器處于跳閘位置時(shí)熄滅，當(dāng)斷路器處于合閘位置時(shí)點(diǎn)亮；

5.3按鍵說明

按鍵說明：

l ▲：根據(jù)液晶屏所顯示的菜單項(xiàng)標(biāo)號(hào)向上選擇相應(yīng)的功能；

l ▼：根據(jù)液晶屏所顯示的菜單項(xiàng)標(biāo)號(hào)向下選擇相應(yīng)的功能；

l +：所要調(diào)整的參數(shù)值加1。

l -：所要調(diào)整的參數(shù)值減1。

l 確認(rèn)：根據(jù)液晶屏所顯示的菜單項(xiàng)標(biāo)號(hào)選擇相應(yīng)的功能。

l 返回：確認(rèn)更改設(shè)置；返回上一級(jí)菜單。

l 復(fù)歸：消除界面指示報(bào)警與接點(diǎn)輸出報(bào)警。

l 復(fù)位：單片機(jī)重啟。

5.4液晶說明

1. 在裝置顯示開機(jī)界面時(shí)，按下面板上的確認(rèn)鍵，進(jìn)入主菜單，如上圖。按一次返回鍵可返回開機(jī)界面。主菜單共有八個(gè)菜單項(xiàng)，按▲▼菜單選擇相應(yīng)的菜單項(xiàng)按確認(rèn)即可進(jìn)入相應(yīng)菜單項(xiàng)。

2. 開出測(cè)試：測(cè)試各跳閘出口、報(bào)警出口是否正常輸出。在主菜單上選擇“開出測(cè)試”如下圖所示，按返回鍵返回主菜單，按確認(rèn)輸出相應(yīng)的出口

3.測(cè)量數(shù)據(jù)：在主菜單上選擇“測(cè)量數(shù)據(jù)”功能查看系統(tǒng)電流采樣值和弧光傳感器實(shí)時(shí)值。按返回鍵返回主菜單。按▲▼菜單選擇查看。

4.站號(hào)設(shè)置：裝置出廠默認(rèn)站號(hào)為01。如需更改，在主菜單界面選擇進(jìn)入，按裝置面板上的按+-鍵加減，進(jìn)入如下圖的設(shè)置界面。設(shè)置完畢后按確認(rèn)鍵保存并返回主菜單。注意：在通信過程中請(qǐng)勿更改站號(hào)。

5. 系統(tǒng)設(shè)置：裝置可根據(jù)現(xiàn)場情況實(shí)時(shí)調(diào)整判據(jù)的關(guān)鍵項(xiàng)，按▲▼選擇要 修改的定值項(xiàng)，按確定鍵進(jìn)入修改。如下圖：備注：按確定顯示◆表示進(jìn)入已定值修改界面，按+-修改定值。按確定保存進(jìn)入下一設(shè)置。

在進(jìn)入設(shè)置前先要輸入密碼，出廠初始密碼：1234.

傳感器數(shù)量：指裝置所接入傳感器數(shù)量。

電流元件：投入表示執(zhí)行雙判據(jù)，退出表示只選擇有弧光發(fā)出告警功能。

電流越限：指雙判據(jù)時(shí)或過流報(bào)警時(shí)動(dòng)作值。

動(dòng)作延時(shí)：指雙判據(jù)成立時(shí)跳閘動(dòng)作延時(shí)時(shí)間。

6. 傳感器設(shè)置：裝置可根據(jù)現(xiàn)場情況實(shí)時(shí)調(diào)整判據(jù)的關(guān)鍵項(xiàng)，按▲▼選擇要 修改的定值項(xiàng)，按確定鍵進(jìn)入修改。如下圖：備注：按確定顯示◆表示進(jìn)入已定值修改界面，按+-修改定值。按確定保存進(jìn)入下一設(shè)置。

在進(jìn)入設(shè)置前先要輸入密碼，出廠初始密碼：1234.

跳閘口：指傳感器1對(duì)應(yīng)的跳閘出口繼電器。

對(duì)應(yīng)電流：指傳感器1動(dòng)作判據(jù)對(duì)應(yīng)的電流

7.日期時(shí)間設(shè)置：如需更改裝置日期時(shí)間，在主菜單界面上選擇“時(shí)間設(shè)置”功能，進(jìn)入如下圖的設(shè)置界面。首先進(jìn)行年份設(shè)置，按+-鍵加減。

8.故障記錄：本裝置內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器可以記下最近發(fā)生的10次故障記錄，包括故障類型和發(fā)生時(shí)間，以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在主菜單界面上，按裝置面板上的▲▼鍵，進(jìn)入“故障記錄”，如下圖。然后再按▲▼鍵可進(jìn)行上下翻頁，逐條查詢記錄。按確認(rèn)鍵可返回主菜單。注意：如裝置出廠前所做的模擬實(shí)驗(yàn)的記錄保留在Flash存儲(chǔ)器里。

9. 記錄擦除：選擇菜單項(xiàng)，按確認(rèn)鍵擦除，按取消鍵返回。如下圖：