电弧光保护系统在风力发电场集电母线保护中的应用如何？
(摘要：对风电场断路器桓故障——孤光短路以及变压器的动稳定时间，研究风电场集电母线保护动作时间要求，做出风电场断路器柜电孤光短路故障的集电母线保护方案及防护措施。
关键词：风电场；电弧光；集电母线保护
在风力发电场升压站中，35kV及以下电压等级的风电场集电母线由于延续电网以往的方法设计，不会装设保护。但是，由于风电场集电母线上的集电线路较多，大地与三相导体线间距离间的距离较近，容易受小型动物的危害，设备制造质量比高压设备恶劣，误操作，运行环境比较差、设备机械老化和绝缘降低，等原因，风电场集电母线的故障几率比一般的电网变电站故障要高。长期以来，对风电场集电母线的保护不重视，一般采用带有较大延时的后备保护来切除集电母线故障，这已不能适应风电场集电母线的运行要求，使故障扩大，从而使投资商蒙受损失。近年来，由于风力发电的快速发展，各种原因断路器设备被严重烧毁，越级跳闸事件屡见不鲜。受外部短路电流冲击损坏主变压器的事故也呈现增长态势，事故处理不当会扩大发展为大型电网事故，已引起电网营销部门的重视。究其大多是风电场没有装设集电母线保护，故障未能快速切除造成。必然为了保证风电场母线断路器设备及变压器的稳定运行，根据继电保护四性的要求，在风电场配置专用集电线保护已成为燃眉之急。
1路器柜燃弧耐受时间指标分析
表l燃弧持续时间下对设备的损害程度
电弧燃烧时间 设备损坏程度
35ms 没有显著的损坏。一般可以在检验绝缘电阻后投入使用
100ms 设备损坏较小。 在开关柜再次投入运行以前仅需要进行清洁或可能的某些小的修理。
500ms 设备损坏很严重．现场工作人员可能受到严重伤害．必须更换部分设备才可以再投入运行
断路器柜燃弧耐受时间。IEC298标准附录AA中规定的燃弧时间是100ms，目前风电场配置的断路器柜绝大部分是按照IEC298标准制造的。由于弧光故障一般在断路器动作前发生并且持续燃烧的，燃烧的持续时间等于断路器分闸时间加上保护动作时间，切除短路故障时间应小于100ms才能防止短路故障大造成危害。
2断路器柜短路故障的保护措施研究
2．1消极的防护措施
限制故障电弧产生的各种效应是这种措施的原理，如隔离各单元室、强化断路器柜的内部结构、设置泄压通道和释放板等，采用这种措施能使电弧光故障损失少量降低。
表2增加弧耐受时间和增加成本对比评估
开关柜提供的燃弧耐受时间 开关柜提供的燃弧耐受时间
200毫秒 10%
1秒 100%
然而，如果要通过强化内部结构的方法从而提高断路器柜的燃弧耐受时间会产生更高的成本。
2．2积极的防护措施
当前一般采用的集电母线保护方案是：
2．2．1变压器后备保护。对于馈线和母线分段开关配合方面考虑，保护跳闸时限正常情况下，设为1．O一1．4秒，那么不难得出是不能够满足要求的。
2．2．2集电线路过流保护闭锁保护方案。这一方案提高了动作速度，一般动作时限为300到1400ms．显然，还是不能满足100ms以内切除故障。
2．2．3电流差动集电母线保护方案。电流差动集38内蒙古石油化工2014年第4期
电母线保护方案，保护动作时限一般是35．0ms。再加上断路器分闸时间，这个速度对于100ms还是太长。而且采用电流差动集电母线保护方案接线复杂，对电流互感器的精度要求很高，安装在有风电场这样有很多集电线路母线上有很大的困难，且造价很高。显而易见，以上方案是不能满足保护覆盖范围要求或快速切除母线故障的，那么采用一种新的集电母线保护系统是迫切需要的，从而达到解决运行中由于集电母线发生故障率高、切除故障时间长而导致故障扩大，造成大量的经济损失。
3电弧光母线保护系统及应用情况
3．1电孤光的特点
空气弧光产生时候最大的瞬时功率可以达40MW内部温度可以升至1万20，000℃弧光产生时和结束时的温度可以达到4，500℃(中压范围内)弧光的最大电压可达500一1000V弧光的光强可以超过正常的照明光强2000倍,有效降低故障危害是弧光保护系统必须解决的问题，而解决问题的关键在于尽快切断电源，熄灭电弧。BS622弧光保护系统就是为实现快速切断电弧故障而研制的，在低压或中压开关装置中产生电弧故障瞬间，向断路器发出快速跳闸命令。在发生电弧故障时，弧光保护系统可通过检查、检测电弧传感器的覆盖区域来迅速定位故障。有两种类型电弧检测传感器：缠绕光纤传感器，能检测光信号并通过光纤传输；聚光透镜型传感器，按问隔配置的传感器。
3．2保护装置的配置
装置采用一体式主机设计，电流监测、弧光监测和信号处理系统在一个主机内完成。与现行的分体式设计相比，避免了系统的电流单元外部连接故障，系统的运行可靠性更高。具有以下组成部分：主单元、扩展单元、弧光传感器。弧光保护装置的动作时间≤2．5ms，弧光保护装置应具备故障定位功能，应能判别出发生弧光的具体位置，连续的自检功能可自我侦测继电器辅助电源、连接光纤，确保了系统的可靠性。提供两种弧光探测方式，环状光纤传感器或透镜式传感器，整条光纤传感器均可探测电弧光，保证了保护区域无盲区。
3．3应用情况
电弧光保护在包括中国在内的二十个多个国家的低压保护系统中应用已有超过一千套以上，最大运行的系统装配20个主单元，应用已遍及电力系统的发、输、配、用各大领域。
电弧光保护系统应用最多的国家是非洲的南非。不统计，该国到2013年年底已有1200多套电弧光保护系统投入运行，最大的系统安装有18个主单元。
在内蒙古自治区，乌兰察布供电局、呼和浩特供电局、巴彦淖尔供电局等盟市供电局相继配置了电弧光保护，且运行稳定，并进一步的开始了推广，一些风电场已经开始进行低压集电系统的母线保护改造，bilsum已广电弧光保护泛应用于电力系统开关柜中。
1. 概述
在电力系统中，35kV及以下电压等级一般未装设母线保护。但是中低压母线上的出线多，操作频繁，三相导体线间距离与大地的距离比较近，容易受小动物危害，设备制造质量比高压设备差，设备绝缘老化和机械磨损，运行条件恶劣，系统运行条件改变，人为和操作错误等原因，造成中低压母线的故障几率比高压、超高压母线高得多。但长期以来，人们对中低压母线的保护一直不够重视，大多采用带有较大延时的后备保护来切除母线上的故障，往往使故障被发展、扩大，从而造成巨大的经济损失。
近年来,由于各种原因开关设备被严重烧毁，有的甚至发展成“火烧连营”的事故时有发生。而主变压器由于遭受外部短路电流冲击损坏的事故也逐年增加，这些配网事故处理不当甚至被扩大发展为输电网事故，造成重大的经济损失，已引起电力部门的广泛关注。究其原因大多是因为没有装设中低压母线保护，未能快速切除故障造成的。所以，为了保证变压器及母线开关设备的安全运行，根据继电保护快速性的要求，迫切需要配置专用中低压母线保护。
2.开关柜内部燃弧耐受时间及变压器动作稳定时间指标
2.1 开关柜内部电燃弧耐受时间
IEC298标准附录AA中规定的内部燃弧时间是100ms，目前市场上销售的开关柜基本上是按照IEC298标准生产的。由于发生弧光故障在断路器动作前，故障短路电弧是一直在燃烧的，即保护动作时间加上断路器分闸时间之和，即为电弧燃烧的持续时间。也就是说，从保护开关柜方面考虑，保护动作时间应在小于100ms切除故障以防止弧光短路故障进一步发展扩大造成更大的危害。
电弧能量与燃烧时间及破坏作用
电弧事故 故障时间 保护 主变 损坏程度
实际发生的电弧事故 2 secs 过流保护 110/21 kV 30 MVA
实际发生的电弧事故 2 secs 过流保护 110/21 kV 30 MVA
实际发生的电弧事故 2 secs 过流保护 110/21 kV 30 MVA
实际发生的电弧事故 0.07 secs 过流保护 110/21 kV 30 MVA
实际发生的电弧事故 0.07 secs 过流保护 110/21 kV 30 MVA
上表为实际发生各种燃弧时间下产生的电弧能量及对开关柜材料的损坏程度。
下表为对增加开关柜内部燃弧耐受时间和相应增加成本进行评估的结果。
3. 开关柜弧光短路故障的防护措施
3.1 消极性防护措施
采用消极性防护措施的目的，是通过加强开关柜的结构来限制故障电弧产生的各种效应，如加强开关柜的结构，密封隔离各单元室、设置释放板和泄压通道等。采用这种措施在一定程度上能减少损坏程度；另一方面，如果要采用通过加强结构的方式来较大地提高开关柜的燃弧耐受时间的话，则需要增加很大的设备费用。
3.2 积极性防护措施
采用高速专用中压母线保护切除故障以限制故障电弧的持续时间，从根本上限制故障电弧，消除其各种效应对设备和人员的危害。如果中低压母线保护能在开关柜耐受燃弧时间以内切除故障的话，将最大限度地限制弧光故障对开关设备的损坏; 从另一方面看，限制开关设备的损坏，即阻断了故障发展的可能性，从而可避免主变压器长时间遭受短路电流的冲击而损坏。这也是目前迫切需要的最有效的限制弧光短路故障损坏开关设备及变压器的防护措施。
4. 现有的中压母线保护方案及存在的问题
4.1变压器后备过流保护方案:
这是目前国内应用最广泛的中压母线保护方案。由于考虑到与馈线和母线分段开关的配合，保护跳闸时间一般整定为1.0 - 1.4秒，有的甚至更长，达2.0秒以上。这一动作速度很显然是远远不能满足快速切除中压母线故障要求的。
4.2馈线过流保护闭锁变压器过流保护方案:
这是近年来微机过流保护在中压馈线广泛应用，国外提出的利用馈线过流元件闭锁变压器过流保护的应用较为广泛的过流闭锁式保护方案。这一方案与变压器后备过流保护方案相比其动作速度有了一定的提高，典型动作时间为300 - 400ms。但对于要求100ms以内切除故障显然也是不能满足要求。
4.3采用环流原理的高阻抗母线保护方案:
这是国外某些重要项目采用的专用电流差动中压母线保护方案，典型的保护动作时间为35-60ms。考虑到断路器的分闸时间，这一动作速度对要求100ms 以内切除故障。采用这种方案的接线复杂，对CT的要求高，安装在有很多出线的6-35kV母线上有很多困难，也很不经济。此外，由于其保护范围由于受到CT安装位置的限制，不能保护到发生故障几率较高的电缆室电缆接头处的故障。因此也不适合中压母线保护应用。
从实际应用情况来看，现有的保护方案不能满足快速切除母线故障或保护覆盖范围要求，需要采用一种新型中压母线保护系统，以解决目前实际运行中由于中低压母线发生故障几率较高、延迟切除故障导致故障发展、扩大，从而造成的巨大的经济损失的问题。
5. 新型电弧光母线保护系统及应用情况
5.1 系统组成
BS622是一种快速可靠的专用中低压母线保护系统，它采用检测弧光和过流双判据原理，具有原理简单、动作可靠迅速、对变电站一次设备无特殊要求、适应于各种运行方式、且在各种运行方式下保护不需要切换等优点，为目前发电厂、变电站、工业及商业配电系统380V - 35kV中低压母线保护理想的解决方案。
BS622电弧光保护系统结构如图2所示，它由以下主要部件组成:
5.1.1主单元
主单元包含有电流检测和断路器失灵保护等主要逻辑控制，它通过检测短路电流和来自弧光传感器的动作信息，并对收集的数据进行处理、判断，发出跳闸信号以切除故障。该系统只要在同时检测到弧光及紫外光和过流时才发出跳闸指令。在进线断路器未能动作切除故障时，它将启动断路器失灵保护逻辑，发出跳闸指令给上游断路器切除故障。此外，主单元根据辅助单元传送来的弧光传感器的动作信息和温度传感器测量的温度，提供弧光故障点的定位和温度报警信息。
每个主单元最多可接入20个扩展单元，它采用RS485总线与辅助单元通信。主单元中具有二进制I/O接口供主单元之间交换过流和弧光传感器动作信息，以实现有选择性的切除母线故障。
5.1.2扩展单元
扩展单元安装在开关柜中。每个扩展单元可接入16个弧光传感器、1个便携式弧光传感器和1个温度传感器。扩展单元的地址通过拔码开关设定。当系统发生弧光故障时，扩展单元收集来自弧光传感器的动作信息并传送给主单元，在主单元上显示扩展单元和弧光传感器的地址编号，有利于及时检修和排除故障。
5.1.3弧光传感器
弧光传感器安装在开关柜各间隔室中，可实现对由简单到各种复杂接线中、低压开关柜提供有选择性的保护。弧光传感器作为光感应元件，将检测在发生弧光故障时突然增加的光强，并将光信号转换成电流信号传送给扩展单元。
5.1.4温度传感器
温度传感器可用于监视开关柜内部的关键部件（比如母线接头）的温度，在超过其整定值时主单元可发出报警信号。
BILSUM专用电弧光保护系统提供的动作时间为5-7ms，远快于传统母线保护方案。对开关柜各单元室的总故障清除时间可控制在100ms以内。因此在发生弧光故障柜内压力和温度急剧增加以前就可以切除供给的短路电流, 使损失减到最小。开关柜在排除电弧故障原因后, 进行有限清理工作后, 开关柜可继续进行工作，供电可迅速恢复。
5.2 应用情况
BS622电弧光保护系统作为一种原理简单、动作快速可靠、保护覆盖范围广、安装维护方便的电弧光保护系统，目前已有超过1300套BILSUM电弧光保护系统在1000V - 10kV高中低压开关柜中投入运行，用户遍及发电厂、变电站以及工业商业用户等领域。
6. 结语
现代电力系统的发展，配电网容量的逐渐增大，中低压母线故障对电力系统安全运行的影响越来越严重。它不仅使中压开关设备严重烧毁，造成“火烧连营”事故；而且可能损坏昂贵的变压器，造成十分严重的经济损失。此外，这些事故如果处理不当还会发展为输电网故障，严重危害整个电力系统的安全运行。因此，在配电系统引入适应其故障模式的中低压母线保护系统以快速切除中低压母线故障，保证输配电网的安全运行。
随着现代微机和光电子技术的发展，各种新型母线保护原理和装置不断出现，为实现中低压专用母线保护提供了各种解决方案。电弧光保护作为一种针对中压开关柜故障特性开发的中低压母线保护系统，具有原理简单、动作可靠迅速、对变电站一次设备无特殊要求、适应于各种运行方式、且在各种运行方式下保护不需要切换等优点，为用户提供了一个理想的中低压母线保护解决方案。
关键词：风电场；电弧光；集电母线保护
在风力发电场升压站中，35kV及以下电压等级的风电场集电母线由于延续电网以往的方法设计，不会装设保护。但是，由于风电场集电母线上的集电线路较多，大地与三相导体线间距离间的距离较近，容易受小型动物的危害，设备制造质量比高压设备恶劣，误操作，运行环境比较差、设备机械老化和绝缘降低，等原因，风电场集电母线的故障几率比一般的电网变电站故障要高。长期以来，对风电场集电母线的保护不重视，一般采用带有较大延时的后备保护来切除集电母线故障，这已不能适应风电场集电母线的运行要求，使故障扩大，从而使投资商蒙受损失。近年来，由于风力发电的快速发展，各种原因断路器设备被严重烧毁，越级跳闸事件屡见不鲜。受外部短路电流冲击损坏主变压器的事故也呈现增长态势，事故处理不当会扩大发展为大型电网事故，已引起电网营销部门的重视。究其大多是风电场没有装设集电母线保护，故障未能快速切除造成。必然为了保证风电场母线断路器设备及变压器的稳定运行，根据继电保护四性的要求，在风电场配置专用集电线保护已成为燃眉之急。
1路器柜燃弧耐受时间指标分析
表l燃弧持续时间下对设备的损害程度
电弧燃烧时间 设备损坏程度
35ms 没有显著的损坏。一般可以在检验绝缘电阻后投入使用
100ms 设备损坏较小。 在开关柜再次投入运行以前仅需要进行清洁或可能的某些小的修理。
500ms 设备损坏很严重．现场工作人员可能受到严重伤害．必须更换部分设备才可以再投入运行
断路器柜燃弧耐受时间。IEC298标准附录AA中规定的燃弧时间是100ms，目前风电场配置的断路器柜绝大部分是按照IEC298标准制造的。由于弧光故障一般在断路器动作前发生并且持续燃烧的，燃烧的持续时间等于断路器分闸时间加上保护动作时间，切除短路故障时间应小于100ms才能防止短路故障大造成危害。
2断路器柜短路故障的保护措施研究
2．1消极的防护措施
限制故障电弧产生的各种效应是这种措施的原理，如隔离各单元室、强化断路器柜的内部结构、设置泄压通道和释放板等，采用这种措施能使电弧光故障损失少量降低。
表2增加弧耐受时间和增加成本对比评估
开关柜提供的燃弧耐受时间 开关柜提供的燃弧耐受时间
200毫秒 10%
1秒 100%
然而，如果要通过强化内部结构的方法从而提高断路器柜的燃弧耐受时间会产生更高的成本。
2．2积极的防护措施
当前一般采用的集电母线保护方案是：
2．2．1变压器后备保护。对于馈线和母线分段开关配合方面考虑，保护跳闸时限正常情况下，设为1．O一1．4秒，那么不难得出是不能够满足要求的。
2．2．2集电线路过流保护闭锁保护方案。这一方案提高了动作速度，一般动作时限为300到1400ms．显然，还是不能满足100ms以内切除故障。
2．2．3电流差动集电母线保护方案。电流差动集38内蒙古石油化工2014年第4期
电母线保护方案，保护动作时限一般是35．0ms。再加上断路器分闸时间，这个速度对于100ms还是太长。而且采用电流差动集电母线保护方案接线复杂，对电流互感器的精度要求很高，安装在有风电场这样有很多集电线路母线上有很大的困难，且造价很高。显而易见，以上方案是不能满足保护覆盖范围要求或快速切除母线故障的，那么采用一种新的集电母线保护系统是迫切需要的，从而达到解决运行中由于集电母线发生故障率高、切除故障时间长而导致故障扩大，造成大量的经济损失。
3电弧光母线保护系统及应用情况
3．1电孤光的特点
空气弧光产生时候最大的瞬时功率可以达40MW内部温度可以升至1万20，000℃弧光产生时和结束时的温度可以达到4，500℃(中压范围内)弧光的最大电压可达500一1，000V弧光的光强可以超过正常的照明光强2，000倍有效降低故障危害是弧光保护系统必须解决的问题，而解决问题的关键在于尽快切断电源，熄灭电弧。弧光保护系统就是为实现快速切断电弧故障而研制的，在低压或中压开关装置中产生电弧故障瞬间，向断路器发出快速跳闸命令。在发生电弧故障时，弧光保护系统可通过检查、检测电弧传感器的覆盖区域来迅速定位故障。有两种类型电弧检测传感器：缠绕光纤传感器，能检测光信号并通过光纤传输；聚光透镜型传感器，按问隔配置的传感器。
3．2保护装置的配置
BS622装置采用一体式主机设计，电流监测、弧光监测和信号处理系统在一个主机内完成。与现行的分体式设计相比，避免了系统的电流单元外部连接故障，系统的运行可靠性更高。具有以下组成部分：主单元、扩展单元、弧光传感器。弧光保护装置的动作时间≤2．5ms，弧光保护装置应具备故障定位功能，应能判别出发生弧光的具体位置，连续的自检功能可自我侦测继电器辅助电源、连接光纤，确保了系统的可靠性。提供两种弧光探测方式，环状光纤传感器或透镜式传感器，整条光纤传感器均可探测电弧光，保证了保护区域无盲区。
3．3应用情况
电弧光保护在包括中国在内的二十个多个国家的低压保护系统中应用已有超过一千套以上，最大运行的系统装配20个主单元，应用已遍及电力系统的发、输、配、用各大领域。
电弧光保护系统应用最多的国家是非洲的南非。不统计，该国到2013年年底已有1200多套电弧光保护系统投入运行，最大的系统安装有18个主单元。
在内蒙古自治区，乌兰察布供电局、呼和浩特供电局、巴彦淖尔供电局等盟市供电局相继配置了电弧光保护，且运行稳定，并进一步的开始了推广，一些风电场已经开始进行低压集电系统的母线保护改造，应用bilsum电弧光保护。
4结束语
随着微机和光电子技术的不断研究更新，各种新型母线保护原理和装置不断出现，其中电弧光保护是针对断路器柜故障特性研发的母线保护，具有动作可靠迅速、原理简单、对风电场升压站一次设备无特殊要求、适应于各种运行方式、且在各种运行方式下保护不需要切换等优点，为风力发电企业提供了一个理想的集电母线保护解决方案。
答：关键词：风电场；电弧光；集电母线保护 在风力发电场升压站中，35kV及以下电压等级的风电场集电母线由于延续电网以往的方法设计，不会装设保护。但是，由于风电场集电母线上的集电线路较多，大地与三相导体线间距离间的距离较近，容易受小型动物的危害，设备制造质量比高压设备恶劣，误操作，运行环境比较差...
答：关键词：风电场；电弧光；集电母线保护 在风力发电场升压站中，35kV及以下电压等级的风电场集电母线由于延续电网以往的方法设计，不会装设保护。但是，由于风电场集电母线上的集电线路较多，大地与三相导体线间距离间的距离较近，容易受小型动物的危害，设备制造质量比高压设备恶劣，误操作，运行环境比较差...
答：该保护系统通过紫外传感器采集弧光信号，并且通过FPGA处理光电与电流信号，在经过滤波、传输、编码后，通过高速浮点DSP对弧光与电流进行判别，通过双判据可以加快保护动作，而且保护可靠性要高于传统继电保护设备，可以填补国内关于母线保护的空白。BS622弧光保护系统使用快速继电器作为跳闸回路，系统可以检测小于2ms...
答：而且采用电流差动集电母线保护方案接线复杂，对电流互感器的精度要求很高，安装在有风电场这样有很多集电线路母线上有很大的困难，且造价很高。显而易见，以上方案是不能满足保护覆盖范围要求或快速切除母线故障的，那么采用一种新的集电母线保护系统是迫切需要的，从而达到解决运行中由于集电母线发生故障率...
答：弧光保护系统可以检测弧光与电流突变的故障信号对变流与母线的保护作用，降低了传统保护导致的谐波干扰、时间慢等问题，是新能源发电的重要保护方式。【关键词】弧光保护;新能源发电;母线保护 全国能源储量不断下降，而不可再生能源带来的环境问题也在逐渐加剧，这种情况导致人类必须加强可再生能源的开发，实现...
