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    資訊分類

    弧光保護的必要性

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    在我國電力系統中母線電弧光故障時有發生。例如1992年浙江某電廠由于小動物造成廠用電一段母線燒毀;2005年山西某電廠檢修工誤入開關間隔電弧光事故造成二人重傷;2008年江蘇某電廠廠用電開關柜在運行中爆炸造成機組停機;2008年浙江某供電局110/10KV變電站10KV開關柜電弧光爆炸造成一人死亡;2009年安徽某供電局220/35KV變電站35KV開關柜誤操作電弧光事故造成一人死亡;2009年重慶某電廠廠用電進線柜電流互感器絕緣電弧光故障造成停機及廠用變壓器返廠維修;上海某電廠一期,湖南省某電廠,黑龍江某電廠,廣東某供電局,甘肅某供電局都曾有過沉痛的教訓。

    母線電弧光保護新技術產生的背景

    由于多年運行表明中壓開關柜內部弧光故障對人身及設備帶來極大的損害,各國電力專家開始對電弧光故障進行研究及認識。在世界上,大家公認的對電弧光故障進行深入研究的人是Ralph Lee先生。 在他的1982年美國電力電子工程師協會(IEEE)論文里Ralph Lee 先生描述了電弧光故障現象及對人身的傷害。1987年,Ralph Lee先生又發表了一篇IEEE文章討論了電弧光故障產生的聲音及壓力的作用。

    在1994年,美國勞工部重大工作事故統計顯示全國范圍內6588起由于電流引起的觸電、火災及爆炸事故導致548人死亡。美國芝加哥的Capelli-Shellpfeffer, Inc.咨詢公司報道過在美國每一天有5-10起由于電弧光致傷的人員需要住院療傷。不需要住院的傷病人員就無法統計了。在1999年,美國電力科學研究院(EPRI)調查中指出在兩年的統計里電力公司每一次電氣設備故障除了其所造成的直接損失之外,產生的間接損失估計為1575萬元美金。美國電力科學研究院(EPRI)還報告了在過去的十年里,一家生產企業每年平均有兩起電弧光事故。

    上個世紀80年代,在歐洲的國際電工委員會(IEC)修訂了其IEC298-1981標準。在附件AA中描述了中壓開關柜內部電弧光故障產生的原因,解決方案及測試方法。2003年11月,國際電工委員會(IEC)制定了新的中壓開關柜標準IEC62271-200代替了其IEC298-1990標準,新的標準在防止開關柜內部弧光故障對人身及設備危害方面提出了更加嚴格的要求。 在北美,為了提高安全生產,加拿大電力和電子制造商協會(EEMAC)根據IEC298-1981的附件AA制定了EEMAC G14-1-1987在內部弧光故障的條件下金屬鎧裝開關柜電阻的測試規則。在IEC298-1981及EEMAC G14-1-1987標準基礎之上,美國在2001年也出版了IEEE C37.20.7中壓金屬鎧裝開關柜內部弧光故障的測試導則。

    此外,美國在電力職業安全生產方面針對電弧光弧閃事故建立了相關標準和要求。美國國家防火協會(NFPA),作為美國國家電力規范(NEC)的一個補充,制定了NFPA 70E 2004 職業電力安全要求標準。 作為快速度的專用母線電弧光保護應運而生。它不僅能很好地應用于新裝開關柜里也能方便地加裝到已運行的開關柜中。其目標就是使人身傷亡及設備損害降到最低。

    國內外中壓專用母線保護的應用情況

    在國外由于各國政府的重視和指令性文件及規程規定,歐洲、北美、蘇聯及英聯邦諸國中壓開關配置各種專用母線保護的比率已超過95%。近年來由于中壓開關柜標準(IEC62271-200)對防弧光故障要求的提高,作為新技術的母線電弧光保護大量的在中壓及低壓開關柜配套使用。

    廠用/配電系統的6KV(10KV)母線一般不配置專用的快速母線保護是目前國內的典型設計做法,是符合國標《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》(GB50062-92)及現行的電力行業規程規范要求的。這一設計規范導致了目前中壓開關柜沒有專用母線保護。即專用母線保護“可用可不用”“景上添花”的局面。為什么35KV及以下的母線沒有配置專用的快速母線保護?其中重要的原因之一是中壓母線故障絕大部分情況下“沒有系統穩定性的問題”。因此,長期以來人們對中低壓母線保護一直不夠重視。雖然國內外的中壓開關柜的制造技術進步很快,6KV(10kV)母線發生故障的機率大為減少,但是由于廠用/配電的6KV

    (10kV)系統出線多、操作頻繁、容易受小動物危害、設備絕緣老化和機械磨損等原因,6KV(10kV)開關柜故障時有發生。在發生母線短路故障時由于沒有配備快速母線保護而未能在最短的時間里切除故障以至嚴重的操作人員人身傷亡事故發生;個別開關柜引發整段開關柜“火燒聯營”的事故發生,甚至波及到變壓器,造成變壓器的燒毀。

    隨著我國國民經濟的發展,我國對運行和檢修人員的人身安全、國家安全生產規范及職業保險要求的要求不斷提高。在以人為本的今天,我們絕不能因為“沒有系統穩定性的問題”而忽略了安全生產。我國于2004年開始使用進口專用母線電弧光保護,目前電力系統,尤其是發電系統,約70% - 80%的新建電廠均采用了專用母線電弧光保護,一些電網公司,例如廣東、甘肅等也開始批量使用專用母線電弧光保護。成功案例:2010年4月22日08:16(當日有雷雨),南方電網(廣東茂名110kV變電站)10kV母線51PT柜A相避雷器發生爆炸;弧光造成三相短路,隨后弧光保護動作,在50ms內跳開#1主變低側501開關,有效避免了開關柜“火燒連營”重大事故的發生。近期,其他省電力公司也高度重視,并開始了對快速專用母線電弧光保護的試點、評估及應用工作。

    必要性1: 國內中壓開關柜保護的現狀和存在的問題

    6KV(10KV)廠用/配電中壓開關柜為全廠輔機/供電系統的供電樞紐。在發生內部故障時,是否能迅速地切除故障,對全廠/配電系統的安全運行至關重要。但是,按目前的保護方案:

    中壓母線尚沒有配置任何專門的保護;而是由進線開關的相關后備保護來兼顧的。但是進線開關與出線開關的保護需要相互配合:一般速斷保護延時的級差至少為300毫秒,甚至500毫秒;而過流保護的配合級差更是長達1-2秒。

    所以,廠用/配電系統中壓母線上所發生的任何故障都至少要延時切除。換句話說,現有的廠用中壓母線能在第一時間切除故障的保護還是個空白??墒?,我們只要稍加注意,就會不難發現不論是中壓開關母線的上游還是下游的諸多電氣設備無一沒有配有快速保護。相比之下,我們恐怕很難有充分的理由來說明,中壓母線的安全性可靠性不應該受到不同樣的重視。鑒于中壓母線的重要地位,任何故障的延時切除,都是我們極為不愿意看到的狀況。因為開關柜內的各種故障,其短路電流所產生的電弧及其大量的高溫,使柜內氣體急劇膨脹,可在極短的時間內達到頂峰,嚴重危及人身和設備安全。

    必要性2:電弧光對人員及設備的傷害

    電弧光發生時產生的高溫(弧光發生點的溫度是19427℃)灼燒人員皮膚;強光刺傷眼睛;感電侵害肌肉、神經;爆破壓力(爆破點壓力為120kPa,而人體能承受的壓力為7.5 kPa)造成人員的墜落及碎片飛射;爆破音造成人員的耳膜、內臟震動損傷;毒氣傷害人員呼吸系統。 電弧光發生時產生的大量氣體,其壓力波可造成盤體變形、破碎;電弧可使銅排氣化的體積膨脹,空氣因高溫而膨脹(壓力為120kPa);爆破音造成盤內強烈震動,使固定元件松脫。高溫可造成電纜在100ms內燃燒、及所有絕緣材料的燃燒,造成銅排、鋁在150ms內燃燒熔毀氣化,并產生大量的濃黑有毒的煙氣,這些含有大量碳黑煙氣將以300M/s迅速擴散至整段母線和開關柜,造成所有一次和二次設備表面的嚴重污染,使得絕緣電阻為零。

    由于開關柜為剛性連接,結構緊湊,空間有限,使得任何方式的清理工作,都將是耗時,費力的。更不用說受損設備的更換了。最為重要的是整段母線的停役,給全廠帶來的經濟損失將是無法估量的。同時要想使設備的絕緣完全恢復到原來的水平幾乎是不可能的。 以下為國外的資料介紹的各種燃弧時間下對設備造成的損壞程度:

    35 ms沒有顯著的損壞,一般可以在檢驗絕緣電阻后投入使用

    100ms損壞較小,在開關柜再次投入運行以前需要進行清潔或可能的某些小的修理

    500ms設備損壞很嚴重,在現場的人員也受到嚴重的傷害,必須更換部分設備更換才可以再投入運行。 這里可能需要指出的是,電廠的廠用中壓母線的短路水平,即使是300MW等級的電廠,也達近30KA-40KA。這對于母線或開關柜內的故障點來說,任何延時的切除,都將是不能容忍的。按照IEC62271-200規定,開關柜承受內部燃弧時間僅為100ms。任何時間的延長,都將超出開關柜本身的設計承受極限。這與開關的遮斷容量完全不是一個概念。

    必要性3:低壓母線故障對變壓器的沖擊嚴重

    據有關資料統計,一些地區的110kV及以上等級的變壓器在遭受穿越故障電流沖擊而直接導致損壞的事故,約占全部事故的50%以上。與前幾年相比呈大幅上升的趨勢。特別是變壓器低壓側出口(低壓母線)短路時形成的故障一般需要更換繞組, 嚴重時可能要更換全部繞組, 其后果和損失是何等的慘重。 按國際規定,110KV及以上等級變壓器的熱穩定允許時間為2秒;動穩定時間為0.25秒,但實際上,在低壓側出口短路故障,靠過流后備保護切除的動作時間往往在1-2秒以上,遠遠大于變壓器的動穩定時間. 所以, 可以說, 目前保護配置的不完善, 是造成變壓器損壞的重要原因. 設備受損與否,或輕重與否,關鍵是能否將故障電流切除。

    所以,針對國內現有的廠用和配電中壓母線保護配置的現狀,非常有必要增設快速保護。國內一些專家也一直強調裝設專用中低壓母線保護的重要性,用戶也希望可以提供一種造價較低、原理簡單、適用于6-35KV的母線保護,以減少母線故障對設備的損害,提高供電可靠性。專用母線電弧光保護不僅動作速度快,可靠性高而且與其它專用母線保護相比有價格優勢。

    母線電弧光保護系統的可靠性

    由于光電式電弧光保護系統測量的光和電是兩個完全不同物理性質的參數,采用光信號,故障電流信號雙判據的動作原理決定了他的誤動率要比系統中其他主保護(包括變壓器、進線、饋線保護)誤動概率要小。

    采用專用母線電弧光保護的好處

    1. 保護附近工作人員免受電弧光對人身的傷害;

    2. 保護中低壓設備免受嚴重破壞,防止火災發生;

    3. 保護主變壓器或者廠用變壓器免受嚴重沖擊而損壞;

    4. 防止波及站用直流系統,避免造成巨大的經濟損失;

    5. 大限度地減少用戶的停電時間(用戶停電恢復時間,由原來的2-3個星期減少到幾 個小時以內);

    6. 延長現有開關設備的使用壽命。

    結束語:

    隨著人們對電弧光故障的進一步研究和認識,在上個世紀八十年代末及九十年代初,歐洲、美國相關專業協會及政府相關部門針對電弧光故障及其危害開始增改或制定相應的政策措施、技術標準及安全規范。雖然中低壓母線快速專用保護至今沒有寫入我國電力設計規程或電力二十五條反措當中。但是,隨著人們對電網運行智能化、可靠性和安全性的進一步要求,我們相信歐洲、美國及我國的相關專業協會及政府相關部門會對電弧光故障及其后果制定或增改更為嚴格的政策措施、技術標準及安全規范。

    我們建議國內廠用/配電中壓開關柜增設電弧光保護系統作為母線主保護,從而彌補目前中壓開關柜現在只有母線后備保護的技術缺陷。減少或避免中壓開關內部電弧光故障帶來的人身傷害,提高電力系統安全生產率;使開關及變壓器等主要設備損失降到最低,在短時間內恢復供電或生產;為變電站無人值守及堅強智能電網的建設提供必要的保障。

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    發布時間:2022-10-13 17:32:02

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