淺析電弧光保護(hù)在煤礦開關(guān)柜中的應(yīng)用

安科瑞 耿敏花

　　摘要：電弧光保護(hù)系統(tǒng)能夠地減少礦山電網(wǎng)系統(tǒng)中的安全隱患。結(jié)合某礦實(shí)際，使用電弧光保護(hù)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(hù)裝置間采用模擬光信號(hào)傳輸將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為障點(diǎn)，在短時(shí)間內(nèi)快速切除故障，大限度縮小弧光保護(hù)系統(tǒng)不僅對(duì)高壓開關(guān)柜起到了保護(hù)作用經(jīng)濟(jì)效益。

　　關(guān)鍵詞：弧光保護(hù)；光纖傳感器；高壓開關(guān)柜

　　0 引言

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國煤礦的機(jī)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(jí))配電系統(tǒng)的在礦山生產(chǎn)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。配電系統(tǒng)中的中、低開關(guān)柜的數(shù)量越來越多，中低電壓等級(jí)的母線由于所處環(huán)境復(fù)雜，技術(shù)設(shè)備故障和人為因素等原因，易引發(fā)母線短路，存在很大的安全隱患。由于母線發(fā)生故障時(shí)，采用變壓器的后備保護(hù)來切除母線上的故障，無法在發(fā)生故障的時(shí)間解決，設(shè)備損壞幾率增加，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致燒毀。據(jù)報(bào)道，我國供電系統(tǒng)中開關(guān)柜每年有200多面被燒毀，而開關(guān)柜短路事故更是經(jīng)常發(fā)生，有時(shí)甚至造成更大的電網(wǎng)事故，直接造成礦山機(jī)械設(shè)備的損失和經(jīng)濟(jì)損失。因此，在應(yīng)用供電系統(tǒng)時(shí)，如何在保證礦山生產(chǎn)效率的同時(shí)保證礦山設(shè)備及人員保護(hù)，是我們研究和攻克的難題。

　　1弧光的參數(shù)及危害

　　1.1弧光參數(shù)

　　1)空氣弧光產(chǎn)生時(shí)的大的瞬時(shí)功率較大，可達(dá)40MW；

　　2)內(nèi)部溫度較高，可升至10000。C以上；

　　3)中壓范圍內(nèi)弧光產(chǎn)生時(shí)和結(jié)束時(shí)的溫度可達(dá)4500。C：

　　4)弧光的大電壓可達(dá)500V～1000V；

　　5)弧光的光強(qiáng)超過正常的照明光強(qiáng)2000倍。

　　1.2弧光的危害

　　弧光在毫秒時(shí)間級(jí)別發(fā)生消失，釋放的卻很驚人，對(duì)礦山機(jī)械設(shè)備和人身安全都有巨大的破壞性]。

　　1)電弧溫度驚人，可達(dá)10000℃，超過一定溫度損害電網(wǎng)；

　　2)電弧引起火災(zāi)，燒毀電纜；

　　3)穩(wěn)定過高導(dǎo)致開關(guān)柜內(nèi)開關(guān)裝置爆炸，使其失效i

　　4)容易造成人員傷害，對(duì)人員臉部和皮膚形成性傷害；

　　5)爆炸時(shí)產(chǎn)生的氣體，技術(shù)人員吸入會(huì)損傷其呼吸系統(tǒng)。

　　2弧光保護(hù)技術(shù)的現(xiàn)狀和措施

　　1995年，中國引進(jìn)了套弧光保護(hù)裝置。近年來，人們注意到切除母線時(shí)產(chǎn)生的過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間過長的問題，分析了電弧故障時(shí)產(chǎn)生的聲、光、熱和電磁等效應(yīng)。采用理論與實(shí)際相結(jié)合的方法，分析電弧效應(yīng)，開發(fā)研制出各種用來檢測電弧的保護(hù)裝置，并在礦山中得到了加速應(yīng)用。如此，既對(duì)礦山人員起到了安全保護(hù)作用，也使得礦山的生產(chǎn)效率得到進(jìn)一步提高。例如：有的利用電弧的熱效應(yīng)，研制出能通過感應(yīng)電弧的熱量而產(chǎn)生動(dòng)作的采閥式電弧保護(hù)繼電器；有的利用電弧的電磁效應(yīng)，通過電弧接地保護(hù)裝置及時(shí)切斷發(fā)生故障的開關(guān)裝置，以便及時(shí)的維修；有的檢測故障裝置中的臭氧濃度，保護(hù)報(bào)警裝置以便工作人員能在時(shí)間保證人員的安全，不至于給礦山企業(yè)帶來巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失。隨著科技的發(fā)展，利用電弧的多種效應(yīng)開發(fā)更具性和準(zhǔn)確性的新型電弧保護(hù)裝置已成主流。

　　現(xiàn)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(tǒng)中應(yīng)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(qū)分開來。前者的光纖對(duì)被測信號(hào)具有傳輸和的作用；后者僅起傳輸?shù)淖饔谩９饫w傳感器在電力系統(tǒng)的電弧光保護(hù)中起到了重要的作用，它在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)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(shí)間，電弧產(chǎn)生的成指數(shù)規(guī)律快速上升。發(fā)生故障時(shí)，技術(shù)人員在85ms內(nèi)切除故障部分，才能保證相關(guān)設(shè)備免遭遇難，避免不必要的損失，一旦時(shí)間超過100ms，相關(guān)設(shè)備則會(huì)遭到損害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)礦山企業(yè)造成不可挽回的損失。

　　目前常用保護(hù)裝置：

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

　　2)簡易母線保護(hù)方案，采用傳統(tǒng)方法識(shí)別故障，此方案目前應(yīng)用為廣泛。

　　3)電弧光母線保護(hù)方案，利用電弧的相關(guān)特性作為判別依據(jù)，可快速切除內(nèi)部故障。

　　4)其他母線保護(hù)方案。就投入成本及實(shí)施效果綜合對(duì)比，電弧光保護(hù)方案優(yōu)勢明顯，其使用比例在礦山配電系統(tǒng)中。

　　3研究內(nèi)容

　　電弧光保護(hù)主要?jiǎng)幼饕罁?jù)兩個(gè)不同因素：孤光及電流增量。通過研究傳統(tǒng)過流型保護(hù)、弧光非電量型保護(hù)和級(jí)差的配合，為弧光保護(hù)裝置的研究發(fā)現(xiàn)新的切入點(diǎn)，進(jìn)而研究弧光保護(hù)裝置。

　　其一，傳統(tǒng)過流型保護(hù)和級(jí)差配合。以阻抗接地系統(tǒng)分析即接地跳閘時(shí)間很短分析：采樣15ms～30ms；接點(diǎn)閉合5ms；整定延時(shí)30ms~350ms；斷路器分閘50ms～80ms；整體故障切除時(shí)間：出線130ms+AR，進(jìn)線450ms，見圖1。其二，弧光非電量型保護(hù)和級(jí)差配合。以阻抗接地系統(tǒng)分析，弧光信息1ms；過流判據(jù)Ims；接點(diǎn)閉合5ms；斷路器分閘50ITIS～80ms；整體故障切除時(shí)間：出線87ms，進(jìn)線87ms，見圖2。本文研究內(nèi)容為：

　　1)分析電弧對(duì)礦山造成的危害，研究電弧保護(hù)裝置的動(dòng)作原理。

　　2)根據(jù)不同礦山的實(shí)際生產(chǎn)狀況研究母線故障變化情況，研究開發(fā)符合當(dāng)?shù)氐V山實(shí)際生產(chǎn)狀況的電弧保護(hù)裝置。

　　3)在故障狀況下，分析各種電弧保護(hù)裝置的度和定位程度。

　　4)分析電弧保護(hù)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)并具體分析該裝置對(duì)礦山配電系統(tǒng)所產(chǎn)生的安全隱患。

　　通過研究某礦的配電系統(tǒng)，得出了一套適合該礦山實(shí)際生產(chǎn)的電弧光保護(hù)裝置的技術(shù)設(shè)施方案，既能保證弧光保護(hù)裝置的利用大化，也能把對(duì)煤礦供電系統(tǒng)的沖擊破壞程度降到低，從而避免安全隱患，加強(qiáng)對(duì)維修人員的培訓(xùn)，防止人為操作錯(cuò)誤帶來不必要的損失，并為今后電弧保護(hù)裝置新的開發(fā)提供可靠依據(jù)。

　　4實(shí)施方案

　　1)針對(duì)某礦實(shí)際生產(chǎn)狀況，采用ARB5電弧光保護(hù)裝置就地安裝6kV進(jìn)線柜，該裝置滿足數(shù)字化廠站需要，適應(yīng)智能電網(wǎng)未來發(fā)展趨勢。

　　2)ARB5弧光傳感器安裝在開關(guān)柜內(nèi)，監(jiān)測各開關(guān)裝置的運(yùn)行，若有開關(guān)出現(xiàn)異常狀況，立刻實(shí)施保護(hù)措施。

　　3)采用以太網(wǎng)或串口103送后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。

　　4)具有友好的人機(jī)接口，調(diào)試維護(hù)方便。

　　某煤礦使用的電弧光保護(hù)裝置為變電站、電廠、工業(yè)企業(yè)用戶等場合的中、低壓母線提供快速保護(hù)。當(dāng)發(fā)生弧光短路時(shí)，被弧光傳感器覆蓋區(qū)域的弧光短路可被快速定位，電弧光保護(hù)系統(tǒng)快速動(dòng)作，切斷故障電流，大限度降低電弧光對(duì)設(shè)備的損害以及人員傷害。電弧光保護(hù)裝置通過不同插件的組合，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場所的供電系統(tǒng)，組建成符合實(shí)際需要的保護(hù)系統(tǒng)。電弧光保護(hù)裝置也可實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(hào)的采集，進(jìn)而完成對(duì)電弧光、短路器的保護(hù)，CT斷線、傳感器異常、裝置硬板故障等的報(bào)警，測控以及信息保護(hù)功能。在發(fā)生故障時(shí)，能夠定位故障點(diǎn)，跳閘出口提供跳閘矩陣整定，跳開相關(guān)斷路器，實(shí)現(xiàn)分區(qū)域保護(hù)，大限度縮小事故停電范圍。具有強(qiáng)電磁兼容性，調(diào)試維護(hù)方便，具有友好的人機(jī)接口，方便的現(xiàn)場安裝測試功能。

　　5配置方案

　　電弧光保護(hù)裝置配置方案如表1所示。

　　6安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)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(fèi)用1500元。

　　（2）主控板和采集板數(shù)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(qǐng)?zhí)貏e注明。

　　7安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品功能和技術(shù)參數(shù)

　　8安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品現(xiàn)場安裝

　　弧光保護(hù)主控單元、探頭安裝圖如下。

　　9結(jié)語

　　1)電弧光保護(hù)系統(tǒng)的減少了礦山電網(wǎng)系統(tǒng)中的安全隱患，降低了因短路故障造成的設(shè)備損害和人員傷害，提高了礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

　　2)能夠快速定位短路故障點(diǎn)，在短時(shí)間內(nèi)快速切除故障，大限度縮小礦山停電范圍，保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，使礦山生產(chǎn)能夠正常有序進(jìn)行。

　　3)目前某礦存在大批設(shè)備老化現(xiàn)象，礦山開關(guān)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(shù)更新都得不到支持，這種背景下，如果低價(jià)的國產(chǎn)電弧光保護(hù)裝置能夠及時(shí)開發(fā)，既可保證礦山設(shè)備以及人員的安全性，又能夠合理控制礦山預(yù)算成本，在保證安全的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)具有高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]王玉晴.煤礦高壓開關(guān)柜中電弧光保護(hù)裝置的研究．

　　[2]魯普天.智能變電站繼電保護(hù)裝置自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究[J]．通訊世界，2017(10)：191192.

　　[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5（版）.