GEHBQ系列弧光保护系统

1 弧光系统简介

1.1 概述

中、低压母线发生短路故障时，所产生的电弧光对设备及人员会造成极大的伤害。但是目前在国内中低压母线系统中一般不配置专用的快速母线保护，而是依赖上一级变压器的后备保护切除母线短路故障，这样导致了故障切除时间的延长，加大了设备的损伤程度，破坏严重时可能造成事故进一步扩大，威胁到系统的稳定运行，该问题已引起业内专业人士的高度重视安徽集黎电气技术有限公司（以下简称集黎电气）研制的GEHBQ电弧光保护系统采用弧光检测原理，保护动作速度快、可靠性高，是我司独立自主研发并具有知识产权的电弧光保护系统，填补了国内中、低压专用快速母线保护的空白。

GEHBQ电弧光保护系统跳闸回路采用了多路快速继电器及常规继电器，可供用户选择。选用快速继电器出口跳闸时间小于4ms，选用常规继电器出口跳闸时间小于8ms，远快于传统的母线保护，对开关柜的内部弧光故障总切除时间可以控制在100ms 以内。

本保护系统可以确保操作人员安全，将故障损失降至最低，为快速处理故障，恢复供电创造了条件。

1.2 必要性

1.2.1 电弧光产生的原因

1）开关设备内电弧光产生的人为原因有：

◎ 误入带电间隔；

◎ 隔离开关误操作；

◎ 带接地线合闸；

◎ 忘记测量工作区内的电压等。

2）开关设备内电弧光产生的技术原因有：

◎ 设备故障和带电设备的误操作；

◎ 设备正常检修后，遗漏工具在开关设备内；

◎ 错误的接线和母线连接；

◎ 绝缘老化、机械磨损、过电压、小动物（尤其是老鼠）、灰尘、温度、湿度及腐蚀等环境因素。

1.2.2 电弧光的危害

开关设备内部间隔发生故障而产生的电弧光造成开关设备中的压力和温度迅速增加，如不及时切除、将造成以下重大危害：

电弧光中心温度相当于太阳表面温度的 2 倍，约为20000℃，由于过热将导致铜排、铝排熔毁气化；

电缆熔毁，电缆护套着火；

过热导致压力上升，使开关设备爆炸；

开关设备剧烈振动，使固定元件松脱；

使上一级变压器承受近距离短路故障冲击，故障电流产生的电动力可能导致变压器绕组变形发生匝间短路；

故障产生的弧光冲击波以300m/s 的速度爆发，可摧毁途中的任何物质，若波及站内直流系统造成全站直流失电，将造成无法弥补的重大损失；

高温灼伤皮肤，强光刺伤眼睛。

爆破音振损伤耳膜，肺脏；

爆炸碎片飞射，造成人员伤亡。

电弧光故障的危害程度取决于电弧光电流的大小及切除时间长短，电弧光产生的能量I2t 与切除时间T成指数规律快速上升（见图一）。

图一 电弧光的危害示意图

要保证设备不受结构性损伤，必须尽量缩短切除时间。

以下为国外资料介绍的各种燃弧时间长短和对设备造成的损坏程度的评估：

1.2.3 目前国内用于中、低压母线的保护及其局限性

变压器后备过流保护,典型的保护动作时间1.2s～2.0s；

采用馈线速断保护闭锁的变压器后备过流保护，典型的保护动作时间为300ms～500ms；

母线差动保护，典型的保护动作时间为15ms。

变压器后备过流保护动作时间过长，不能起到有效的保护作用，馈线速断保护闭锁/的变压器后备过流保护虽然时间缩短，但是仍然不能在设备受到严重损害前将故障切除，母线差动保护范围受CT 安装位置的限制，接线复杂，CT 要求高，且总体造价昂贵。

1.3 产品应用目标

集黎电气拥有一批具有丰富电力系统继电保护研发经验的技术团队，在引进国外先进的光传感技术的基础上， 面向国内客户的应用需求及习惯，研制出一套具有完全知识产权的弧光保护系统GEHBQ。

选用 GEHBQ系列电弧光保护系统可以实现如下目标：

1）减少或降低电弧光对于人体的伤害；

2）减少或降低电弧光短路故障对于设备的损害；

3）避免变压器因近距离母线故障造成动稳定破坏，延长变压器的使用寿命；

4）缩短电弧光故障切除时间，避免波及站内直流系统造成重大损失；

5）减少因电弧光故障造成设备停运的时间，更快地恢复供电。

1.4 产品技术特点

本系统具有以下技术特点：

1）满足所有电磁兼容（EMC）标准；

2）符合中国继电保护设计标准要求；

3）快速跳闸出口（小于4ms）；

4）采用过流及弧光双重判据；

5）无源弧光传感器，具有过滤干扰光功能，可靠性高；

6）新型光纤连接传输，光电转换在装置内完成，抗电磁干扰能力强；

7）全汉字显示，操作习惯和传统数字式保护完全一致；

8）可实现故障定位；

9）可容纳最多184个检测点；

10）对于不同类型的接线可灵活设置；

11）感光强度可根据实际情况调整；

12）通信接口灵活，可选配RS-485通讯口，支持ModBus协议。

2 弧光系统组成

2.1 概述

GEHBQ系列是一个模块化系统，包括弧光保护主单元装置（GEHBQ-M）、弧光保护采集单元装置(GEHBQ-C)和弧光探头单元(GEHBQ-L)，系统构成示意图如下图所示：

由于配置模块化，系统适合于各种不同场合的电弧光保护应用, 可组成从只有一个主控单元的简单系统，到包含多个单元能用于选择性电弧光保护的复杂系统。

系统采用光纤星型连接方式，主单元和弧光采集单元装置采用电缆连接。

主单元和弧光探头单元、弧光采集单元装置和弧光探头单元之间采用专用光缆连接。 本系统可选配RS-485通讯接口，通信规约支持Modbus协议。

2.2 主控单元－GEHBQ-M微机弧光保护装置

GEHBQ系列电弧光保护系统采用GEHBQ-M微机弧光保护装置作为系统的主控单元。

2.2.1 主控单元面板布置图

2.2.2 主控单元端子接线图

说明：

A1-A13、C1-C10为高性能的可插拔端子（带耳子，可锁住）；B1-B8为大电流端子，不能插拔；

◎ 弧光探头数量为1~3个。

2.2.3 主控单元内部原理图

2.2.4 主控单元弧光跳闸控制回路

2.3 采集单元－GEHBQ-C弧光采集单元装置

GEHBQ系列电弧光保护系统采用GEHBQ-C弧光采集单元装置作为系统的扩展装置。每个弧光采集单元装置可扩展8路共24只弧光探头采集的弧光，从而实现系统的扩展功能。

2.3.1 弧光采集单元装置面板布置图

2.3.2 弧光采集单元装置接线端子图

说明：

◎ A1-A13 为高性能的可插拔端子（带耳子，可锁住）；B1-B8 为大电流端子，不能插拔。

◎ 弧光探头数量为 1~8 个。

2.3.3 弧光采集单元装置内部原理图

2.3.3 主单元与采集单元连接方法

2.4 弧光探头（弧光传感器）——GEHBQ-L弧光探头

GEHBQ-L弧光探头（弧光传感器）安装在柜内各间隔中，可实现由简单到复杂、有选择性的保护。弧光探头作为光感应元件，在发生弧光故障时检测突然增加的光强，并通过专用光纤将光信号传送给弧光单元或主控单元，光电转换在弧光单元或主控单元完成。

3 技术参数

3.1 额定参数

3.1.1 额定直流电压：

220V 或110V（订货注明）

3.1.2 功率消耗：

装置电源回路正常工作时：不大于5W；动作时： 不大于10W

交流回路每相不大于0.5VA

3.2 主要技术性能

3.2.1 采样回路精确工作范围

保护电流：0.2A~50A

3.2.2 各类元件精度

保护电流元件：<3%; 时间元件： <20ms

3.3 绝缘性能

3.3.1 绝缘电阻

装置的带电部分和非带电部分及外壳之间以及电气上无联系的各电路之间用开路电压500V的兆欧表测量其绝缘电阻值，正常试验大气条件下，各等级的各回路绝缘电阻不小于50MΩ。

3.3.2 介质强度

在正常试验大气条件下，装置能承受频率为50Hz，信号输入端子对地电压为500V、其他回路对地电压为2000V,历时1 分钟的工频耐压试验而无击穿闪络及元件损坏现象。试验过程中，任一被试回路施加电压时其余回路等电位互联接地。

3.3.3 耐湿热性能

装置能承受GB/T 7261 第20 章规定的湿热试验。最高试验温度+40℃、最大湿度95％ ，试验时间为48 小时的恒定湿热试验，在试验结束前2 小时内根据2.3.1 的要求，测量各导电电路对外露非带电金属部分及外壳之间、电气上不联系的各回路之间的绝缘电阻不小于1.5MΩ，介质耐压强度不低于2.3.2 规定的介质强度试验电压幅值的75％。

3.4 环境条件

3.4.1 环境温度：

工作：-20℃～ ▯ 55℃。

贮存：▯ 25℃～+70℃,在极限值下不施加激励量,装置不出现不可逆的变化,温度恢复后,装置应能正常工作。

3.4.2 相对湿度：

最湿月的月平均最大相对湿度为90%,同时该月的月平均最低温度为25 ℃且表面无凝露。最高温度为+40℃时,平均最大相对湿度不超过50%。

3.4.3 大气压力：

(86～106)kPa（相对海拔高度2km 以下）。

3.5 光缆

3.5.1 工作温度：-20～+55℃；

3.5.2 弯曲半径 >25mm；

3.5.3 光学损耗 <0.2dBm（电弧光保护系统不推荐光缆的使用长度超过100m）；

3.5.4 传输距离：5m，10m，30m，50m 标准光纤（可通过光纤适配器扩展）。

3.6 弧光传感器

3.6.1 测量距离 < 7m

3.6.2 测量角度 >120°

4 装置原理说明

4.1 保护功能

GEHBQ系列电弧光保护系统的保护主要有电弧光保护和断路器失灵保护。

4.1.1 电弧光保护

电弧光保护以电流采集单元为基础分组，总计180 弧光探头可以整定关联到任意一组电流信号上。当弧光单元把光信号从弧光传感器传输到主控单元时，并且同时电流启动元件动作，电弧光保护动作，电流启动元件分为突变量启动元件和电流常量启动元件，两个元件取或逻辑；装置可选择弧光信号动作单判据作为动作逻辑判断。逻辑框图如下：

4.1.2 失灵启动保护

失灵启动保护由弧光保护动作启动，检测电流元件判断返回。电流元件由相电流、零序电流及负序电流组成，可经过‘软压板’分别整定为‘投入’戒‘退出’； 失灵启动保护可整定选择是否经过断路器合闸位置闭锁。逻辑框图如下：

4.2 自检

4.2.1 通道异常检测

任意扩展模块若在主控模块整定为投入，若检测到扩展模块通道数据传输异常或通道中断，发该模块通信异常报告。

4.2.2 弧光传感器异常检测

若在弧光保护整定为弧光判据和电流判据取与逻辑时，若检测到探头动作超过5s 且无电流元件动作，则屏蔽该弧光传感器，并发传感器异常保护。

该故障必须手动操作复归且检测到该弧光传感器恢复正常，方可再次开放该传感器。

4.2.3 电流单元异常检测

装置实时检测投入的电流单元的自检电压，当电流单元的自检电压异常时，屏蔽该电流单元且发电流单元异常报告。

4.2.4 TA 异常检测

装置运行时检查交流电流。

4.2.4.1 相序检测

◎ I₂>0.25I_n且I₂>4I₁

◎ 持续时间1 分钟；

上述判据都满足时，认为TA 相序接反，I_n 为二次额定负荷电流（下同），I₁ 为正序电流，I₂为负序电流，发呼唤信号。

4.2.4.2 负载不对称检测

在最大相间电流差大于最大相电流的50%且最大电流相大于额定电流的25%时且持续1分钟，发呼唤信号。

4.2.5 位置异常检测

断路器处于分闸位置且Max(I_a, I_b,I_c)>0.06I_n，延时10s告警。

4.2.6 装置告警

当装置检测到本身硬件故障时，发出告警信号，同时闭锁整套保护。硬件故障包括：采样回路故障、RAM 出错、FALSHROM 出错、定值出错等。

5 弧光保护系统配置方案

和其他母线保护系统一样，电弧光保护系统也是由主单元系统和一系列辅助单元组成，基本配置的思路是如何选择主单元和辅助单元的数量和构成方式以满足下面的要求：

 满足最基本的继电保护四性，即快速性、灵敏性、选择性和可靠性；   

 扩展性要求，考虑母线上增加设备时可以方便在原保护上增加少量的辅助设备而保护功能不会改变；

 灵活性要求，尽量满足一整套保护系统保护范围内设备各种运行方式的改发，能正确地选择切除母线上各部位的故障；

 选取最优化方案以满足经济性的要求。

通常情况下，弧光保护系统配置可采用两种方案配置：

单机模式：一面开关柜配置1只GEHBQ-M主单元和1只GEHBQ-L弧光探头。

扩展模式：若干面开关柜配置1只GEHBQ-M主单元和1～3只GEHBQ-C采集模块及8～24只GEHBQ-L弧光探头。

以下就从各种常见主接线方式来分析GEHBQ弧光保护系统的配置方案。

5.1 单母线系统

单母线系统在电厂和终端变电所很常见，一般母线由一条进线和数条出线及母设备组成，只有一台主变压器的终端变电所多采用这种方式，接线和运行方式都很简单。在火电厂中高压厂用电系统也常用单母线系统，正常运行时由发电机通电高压厂变供电，起备变给厂用电系统提供另一路电源。典型接线图如图6-1所示。

在返种接线方式下，建议采用如下方式配置系统。

注意：40面以上柜子组成的单母线系统很少见，我们在此不予讨论。

图 6-1 单母线系统接线示意图

5.2 两段母线带母联系统

单母线分段，中间经过联络开关（母联）相接的系统应用非常普遍，在一般的终端变电所基本上都是这种设计，两台主变分别带一段低压母线，中间经过母联断路器联络，大多数运行方式为一台主变运行，另一台主变备用，只有在负荷高峰期一台主变不能满足需要时才改为两台主变分列运行。火电厂中厂用电的公用系统、输煤系统及脱硫系统也常用这种接线方式。典型接线图如图6-2所示。

在这种接线方式下，主要有两种运行方式，一是两段母线分列运行，母联开关分开，母线上故障时保护跳开相应的进线开关，当母联开关热备用并股入母联自投时保护还应闭锁备投，以免备投于故障母线；二是母联开关合上，由一条进线带两段母线，这时候当对侧母线故障时只跳开母联开关，本侧母线故障时跳开进线开关，同样当另一条进线开关热备用并投入自动备投装置时保护应去闭锁它以免备投于故障母线。

在返种接线方式下，建议采用如下方式配置系统。

注意：40面以上柜子组成的双母线系统几乎不存在，我们在此不予讨论。

图 6-2 两段母线带母联系统示意图

5.3 多段母线带母联系统

在水电站的厂用电系统中广泛采用多段母线通过母联开关连接的接线方式，这是一种比较复杂的接式，运行方式灵活，当任一段母线进线电源不工作时均可由相邻的母线通过母联开关供电，典型接线如图6-3所示，三段以上的接线只是它的扩展，所以这里只讨论三段母线电弧光保护系统的配置思路。

在多段母线系统中正常运行方式为分列运行，当某条进线不能工作时它所在的那条母线由相邻的母线通过母联开关来供电，一般情况下不考虑一条进线连微向两条母线供电（如上图中进线路2和进线3全停的时候由进线1通过母联1和母联2同时向母线II段和母线III段供电这种方式）。在双母线系统中，两段母线无论是哪种运行方式都可以实现选择性跳闸，是因为无论怎么配置系统，主控单元均能采集到两段母线上任意点的弧光信息，在这里增加了一段母线，中间低压2段既可以由左边的低压I段通过母联1开关供电，还可以通过母联2开关由右边的低压III段供电，所以要在这两种方式下都能有选取择性的跳闸低压母线II段上的弧光信息既要传给安装在I段上的主控单元又要传给安装在III段上的主控单元，在这里我们选取低压II段上的光信号。

通常在多母线系统中，为了保护系统的可靠性，每段上均安装至少一个主控单元，这样弧光单元选取就根据弧光传感器的数量和主控单元上弧光输入口的数量来确定了。

图 6-3 多段母线带母联系统示意图

6 安装与调试

6.1 装置结极尺寸

GEHBQ系列电弧光保护系统的主控单元与采集单元的外形尺寸和开孔尺寸是一致的。

外形尺寸:160mm(宽)×180mm(高)×160mm(深)

开孔尺寸:155 mm(宽)×175mm(高)

固定方式:4只夹持件上下固定

6.2 安装说明

主控单元和扩展单元为嵌入式安装，可以安装于合适位置的开关柜门。可通过位于其侧面的固定点，用螺丝直接固定在安装空间的低部。

传感器光纤在安装时需要一定的额外空间。传感器光缆的最小的弯曲半径r>25mm。提供5m的标准光纤，如果超出5m，可采用10m，30m，50m的光纤，如果距离超出50m，可以采用光纤适配器进行中继，光纤适配器损耗<0.5dB，对保护性能基本没有影响。传感器光纤最长不要超过100m。

弧光传感器应安装于开关柜里需要保护的区域。传感器正对对准被保护对象。在开放式的母线间隔仓，为达到所需的保护程度，传感器安装间隔为4－5m。

注意：

弧光传感器不能直接暴露在太阳光直射或任何其它的强光下。不能把弧光传感器安装在光源下。

在弧光传感器和被保护区域的视野不应受阻挡。

◎ 现场未使用的传感器接口必须将其用专用的堵头将其封闭，同时在参数整定中将其屏蔽。

6.3 调试说明

现场装置整定必须和实际配置相一致。装置模块可通过装置液晶进行传动试验，同时可检验系统实时通信状态。