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(cè)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,我國(guó)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(guó)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(guó)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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)信號(hào)具有傳輸和的作用;后者僅起傳輸?shù)淖饔?。光纖傳感器在電力系統(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(jiǎn)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(shì)明顯,其使用比例在礦山配電系統(tǒng)中。
3研究?jī)?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?jī)?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(shì)。
2)ARB5弧光傳感器安裝在開關(guān)柜內(nèi),監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(chǎng)安裝測(cè)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
技術(shù)參數(shù)代碼 | 代碼說明 |
弧光主控板數(shù) | |
0 | 0塊主控板,可接0塊采集板信號(hào) |
1 | 1塊主控板,可接6塊采集板信號(hào) |
2 | 2塊主控板,可接12塊采集板信號(hào) |
3 | 3塊主控板,可接18塊采集板信號(hào) |
4 | 4塊主控板,可接24塊采集板信號(hào) |
弧光采集板數(shù) | |
0 | 0塊采集板,可直接采集0個(gè)弧光探頭信號(hào) |
1 | 1塊采集板,可直接采集5個(gè)弧光探頭信號(hào) |
2 | 2塊采集板,可直接采集10個(gè)弧光探頭信號(hào) |
3 | 3塊采集板,可直接采集15個(gè)弧光探頭信號(hào) |
4 | 4塊采集板,可直接采集20個(gè)弧光探頭信號(hào) |
電流輸入 | |
1 | 1A |
5 | |
電源 | |
1 | 裝置電源為DC110V,開入電源DC110V |
2 | 裝置電源為DC220V,開入電源DC220V |
3 | 裝置電源為AC110V,開入電源DC24V(裝置自帶) |
4 | 裝置電源為AC220V,開入電源DC24V(裝置自帶) |
電源 | |
0 | 不需要 |
1 | 支持MMS |
2 | 支持MMS,GOOSE |
(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(zhǎng)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)
型號(hào) | 主要功能 | 技術(shù)參數(shù) |
ARB5-M弧光保護(hù)主控單元 | 8組弧光保護(hù) | 可選配4塊采集板,1塊采集板可采集5路探頭,共支持20路弧光探頭直接采集。 亦可選配4塊主控板(即可接入4臺(tái)ARB5-E擴(kuò)展單元)1塊主控板可接收6塊采集板的探頭,共支持120路弧光探頭采集。 |
4組失靈保護(hù) | ||
4組電流回路TA監(jiān)測(cè) | ||
4組三相電流采集 | ||
11路可編程跳閘出口 | ||
非電量保護(hù) | ||
裝置故障告警 | ||
2路RS485 | ||
2路以太網(wǎng) | ||
1路打印接口 | ||
1路IRIG-B碼對(duì)時(shí)接口 | ||
支持IEC61850、modbusRTU、modbusTCP、IEC103 | ||
支持GOOSE輸入輸出(選配) | ||
ARB5-E弧光保護(hù)擴(kuò)展單元 | 弧光信號(hào)采集 | 可選配6塊采集板,1塊采集板可采集5路探頭,共支持30路弧光探頭直接采集。 |
模擬狀態(tài)傳輸 | ||
需要配合ARB5-M主控單元使用 | ||
ARB5-S弧光探頭 | 弧光信號(hào)監(jiān)測(cè) | 點(diǎn)式弧光傳感器,可安裝于 母線室、電纜室或斷路器室。 |
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及工程服務(wù)費(fèi) | 視項(xiàng)目情況核價(jià) |
8安科瑞ARB5-M弧光保護(hù)產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)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(shì)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(guó)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.
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[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).