安科瑞劉鴻鵬

摘要  

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大和復(fù)雜度的提高，傳統(tǒng)的繼電保護方式難以滿足快速故障檢測和定位的要求?；」獗Ｗo裝置（如ARB5系列）通過實時監(jiān)測弧光信號和電流變化，為配電系統(tǒng)提供了可靠的故障保護方案。本文介紹了ARB5弧光保護裝置的主要功能、技術(shù)特點和典型應(yīng)用場景，探討了其在現(xiàn)代配電系統(tǒng)中提高安全性和可靠性的作用。

1. 引言  

電弧故障是中低壓配電系統(tǒng)中常見且危害嚴重的故障類型，易引發(fā)設(shè)備損壞和火災(zāi)事故。傳統(tǒng)的保護方式由于響應(yīng)速度較慢、定位能力不足，難以及時防止弧光故障的擴展?；」獗Ｗo裝置通過檢測電弧光信號并結(jié)合電流信息，可以快速識別故障，及時切斷故障點，提高系統(tǒng)安全性。

2.弧光產(chǎn)生的原因

電弧光的產(chǎn)生原因主要與電氣系統(tǒng)中電壓升高、絕緣損壞、導(dǎo)電路徑異常等因素有關(guān)，具體包括以下幾類：

2.1絕緣失效  

老化：設(shè)備的絕緣材料在使用后可能出現(xiàn)老化、裂紋或性能下降，導(dǎo)致電弧產(chǎn)生。  

環(huán)境影響：潮濕、高溫或污染環(huán)境可能降低絕緣性能，增加局部放電的風險，從而引發(fā)電弧。  

2.2短路故障 

導(dǎo)線接觸：相線之間或相線與地線意外接觸可能形成短路，電流瞬間增大，導(dǎo)致電弧產(chǎn)生。 

設(shè)備損壞：斷路器、母線、開關(guān)等設(shè)備內(nèi)部短路也可能形成電弧。  

2.3過電壓現(xiàn)象 

雷擊過電壓：雷電感應(yīng)可能導(dǎo)致電壓瞬間升高，超過絕緣耐受能力，引發(fā)電弧。  

操作過電壓：電力系統(tǒng)中開關(guān)操作或負荷突變可能引起暫態(tài)過電壓，導(dǎo)致弧光放電。

2.4接觸不良

松動的接頭：導(dǎo)線或接頭未連接牢固可能導(dǎo)致電流不穩(wěn)定，產(chǎn)生局部過熱并引發(fā)電弧。  

腐蝕或氧化：導(dǎo)電部件表面的腐蝕或氧化層增加了接觸電阻，易產(chǎn)生高溫和電弧。

2.5過載運行

電氣設(shè)備長時間超額定負載運行會導(dǎo)致導(dǎo)體過熱，絕緣材料劣化，最終引發(fā)電弧。

2.6開關(guān)設(shè)備操作  

在斷路器或開關(guān)操作過程中，接觸點分離時電流可能產(chǎn)生電弧，尤其是在高壓設(shè)備中。  

2.7電力設(shè)備設(shè)計缺陷或安裝不當  

設(shè)備間距不足、結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，可能增加局部電場強度，導(dǎo)致電弧放電。  

設(shè)備安裝過程中的誤接線或固定不牢固也會成為電弧的誘因。

2.8環(huán)境條件惡劣

濕度過高：潮濕環(huán)境容易形成導(dǎo)電路徑，引發(fā)電弧。  

污染：工業(yè)環(huán)境中的粉塵、鹽霧或酸性氣體會加速絕緣表面污穢，導(dǎo)致閃絡(luò)現(xiàn)象。  

2.9人為誤操作  

維護不當：帶電設(shè)備的誤操作或維護工具接觸帶電部件可能直接引發(fā)電弧。  

錯誤接地：錯誤或不規(guī)范的接地操作可能導(dǎo)致電弧故障。   

電弧光的產(chǎn)生原因主要涉及絕緣問題、短路故障、環(huán)境條件以及人為因素等。為了有效減少電弧的發(fā)生，需通過規(guī)范設(shè)備設(shè)計、加強維護管理以及安裝弧光保護裝置（如ARB5弧光保護系統(tǒng)）來防控風險。

3.電弧光的危害

電弧光的危害主要包括以下幾個方面：

3.1高溫損害 

極高溫度：電弧光產(chǎn)生的溫度可高達20,000℃，足以熔化金屬和絕緣材料，導(dǎo)致設(shè)備嚴重損壞甚至報廢。  

火災(zāi)風險：高溫可能引燃周圍的絕緣材料、電纜或其他可燃物，從而引發(fā)火災(zāi)事故。  

3.2沖擊波危害 

高壓氣浪：電弧釋放的高能量會迅速膨脹空氣，產(chǎn)生強大的沖擊波，可能導(dǎo)致設(shè)備機械部件變形或破裂。  

人員傷害：沖擊波可能對周圍人員造成物理沖擊，導(dǎo)致骨折或內(nèi)臟損傷。

3.3強光輻射危害  

熱輻射：電弧光輻射的熱量能灼傷皮膚，并對附近材料產(chǎn)生熱破壞。  

紫外線與紅外線傷害：強烈的紫外線輻射可導(dǎo)致皮膚灼傷，紅外線會引起皮膚和眼睛的熱損傷。  

3.4電磁輻射危害 

電弧光會產(chǎn)生強烈的電磁輻射，對周圍敏感設(shè)備（如通信設(shè)備和控制系統(tǒng)）造成干擾，甚至引發(fā)誤操作或故障。

3.5聲波沖擊

高分貝噪聲：電弧放電伴隨強烈的噪聲，可能達到140分貝以上，暴露可能對聽力造成不可逆的損傷。

3.6電力系統(tǒng)故障擴展

連鎖反應(yīng)：電弧故障可能導(dǎo)致系統(tǒng)短路，觸發(fā)大范圍停電，甚至引發(fā)區(qū)域性電網(wǎng)崩潰。  

設(shè)備損壞：電弧可能擴展至其他設(shè)備，如斷路器、母線和變壓器，導(dǎo)致二次故障和經(jīng)濟損失。

3.7人員生命安全威脅  

燒傷與爆炸傷害：直接暴露于電弧下的人員可能遭受嚴重燒傷或爆炸沖擊。  

視力損傷：裸眼接觸電弧光會導(dǎo)致光化學性眼灼傷，嚴重者可能失明。  

電弧光的危害涉及高溫、強光、沖擊波、有毒物質(zhì)等多方面，不僅對設(shè)備有破壞性，對人員也存在致命風險。因此，及時有效的電弧保護技術(shù)（如ARB5弧光保護裝置）對于電力系統(tǒng)安全至關(guān)重要。

4. ARB5弧光保護裝置 

4.1型號說明

ARB5系列弧光保護解決方案，其主要器件有ARB5-M主控單元、ARB5-E擴展單元、ARB5-S弧光探頭、塑料光纖和尾纖。

4.2裝置組成  

ARB5弧光保護系統(tǒng)由以下組件構(gòu)成：  

ARB5-M主控單元：負責弧光信號的處理與動作控制。  

ARB5-E擴展單元：可擴展弧光信號采集通道數(shù)量。  

ARB5-S弧光探頭：用于實時監(jiān)測弧光信號。  

連接光纖：用于主控單元、擴展單元及探頭間的信號傳輸。  

4.3主要功能  

弧光保護：快速檢測弧光故障，支持多達8組弧光保護單元。  

失靈保護：當保護裝置未能成功切除故障時，啟用后備保護。  

斷鏈監(jiān)測：實時監(jiān)控弧光探頭與采集裝置間的連接狀況，避免誤報。  

故障錄波：采用COMTRADE標準格式保存故障前后的電氣參數(shù)，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)支持。  

數(shù)字化變電站接口：符合IEC61850通信規(guī)范（標配），支持SV輸出（選配）、GOOSE輸入輸出（選配），支持傳統(tǒng)互感器、模擬量小信號或電子式互感器接入。

通訊功能：采用ARM9獨立微處理器進行通訊管理，可提供2路RS485（標配1路）、2路以太網(wǎng)通訊接口、1路打印接口和1路IRIG-B碼對時接口；通訊協(xié)議支持IEC61850、Modbus RTU、Modbus TCP、IEC103。各功能單元與主控計算機（或通信管理機）進行通訊，可實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、保護定值設(shè)定及查詢、裝置工作狀態(tài)、SOE事件記錄、錄波數(shù)據(jù)等傳輸功能。

4.4技術(shù)特點  

高響應(yīng)速度：弧光單判據(jù)響應(yīng)時間小于7ms，弧光電流雙判據(jù)響應(yīng)時間小于20ms。  

靈活配置：支持多種保護判據(jù)（僅弧光、弧光與電流結(jié)合）。  

多通道支持：每個主控單元最多支持120個弧光探頭，適應(yīng)復(fù)雜配電環(huán)境。  

通信能力強：支持IEC61850、Modbus和DL/T 103等多種通信協(xié)議。  

擴展功能：：同一插槽位置可配置不同功能板件，很方便實現(xiàn)開入、開出等通道的擴展。

自檢功能：具備軟、硬件實時自檢、硬件配置自動識別與報警功能。

可編程邏輯功能：各保護功能、繼電器、開入量具有邏輯組態(tài)功能，用戶可以現(xiàn)場根據(jù)需要來進行設(shè)定：保護動作出口和信號輸出可自由整定、開入量可通過設(shè)定實現(xiàn)非電量保護功能和閉鎖保護功能。

友好人機界面：大屏幕圖形液晶顯示，動態(tài)顯示實時波形圖、故障錄波圖、各種電氣參數(shù)及保護信息。中文菜單提示，操作快捷方便。

SOE事件記錄：在線記錄事件量達1024條，先入先出（FIFO）動態(tài)刷新，帶有時間標記，掉電不丟失。

故障錄波功能：采用COMTRADE標準錄波格式，可記錄20個錄波報告，可將故障前、故障中、故障后的電流、電壓、斷路器狀態(tài)和保護信息完整真實記錄下來，為用戶進行故障分析提供依據(jù)。

故障自動推畫面功能：當保護動作或者有告警信息時，裝置自動彈出畫面，提示用戶動作或者告警的保護。

調(diào)試接口：裝置具有專門的以太網(wǎng)調(diào)試接口，通過專用配置軟件，可以就地和遠方實現(xiàn)程序升級、定值設(shè)定、故障分析，提高了用戶的使用和維護方便性，提高了工作效率。

電磁兼容：裝置強弱電嚴格分開，采取硬件、軟件抗干擾措施，裝置的抗干擾能力大大提高，對外電磁輻射滿足相關(guān)標準。

全封閉機箱：采用全封閉半層4U標準機箱，機箱深度較小，既適合集中組屏安裝，也可開關(guān)柜分散安裝；獨特機箱設(shè)計方便拼接。

4.5技術(shù)參數(shù)

4.6設(shè)備規(guī)格

5. 應(yīng)用場景  

5.1 中低壓母線保護  

ARB5弧光保護裝置可廣泛應(yīng)用于10kV及以下配電系統(tǒng)的母線保護。通過在母線室和斷路器室布置弧光探頭，可以實現(xiàn)的故障覆蓋，快速定位電弧源頭，減少設(shè)備損壞。

5.2 工業(yè)及商業(yè)配電系統(tǒng)  

在工業(yè)和商業(yè)場景中，配電系統(tǒng)復(fù)雜且用電設(shè)備多樣化，ARB5裝置的多通道監(jiān)測能力可滿足分布式保護需求，降低運行風險。

5.3 特殊環(huán)境應(yīng)用  

對于空間受限或環(huán)境苛刻的配電場景，ARB5裝置的小型化設(shè)計和高抗擾性能使其能夠穩(wěn)定運行，并支持遠程監(jiān)控與調(diào)試。

6. 應(yīng)用優(yōu)勢  

6.1 快速故障響應(yīng)  

相比傳統(tǒng)保護裝置，ARB5的弧光保護功能響應(yīng)速度更快，可以在故障發(fā)生后20ms內(nèi)切除電弧，避免事故進一步擴大。

6.2 定位與多點監(jiān)控  

ARB5支持120路弧光探頭接入，可實現(xiàn)多點監(jiān)測，快速確定故障位置，為運維提供便利。

6.3 綜合保護功能  

集成弧光保護、失靈保護、非電量保護等功能，實現(xiàn)了故障防護，減少單點保護的局限性。

6.4 數(shù)據(jù)記錄  

SOE事件記錄功能可記錄多達1024條故障信息，結(jié)合故障錄波功能為事故分析和決策優(yōu)化提供支持。

展望與結(jié)論  

ARB5弧光保護裝置通過弧光檢測與快速響應(yīng)，為現(xiàn)代配電系統(tǒng)提供了可靠的安全保障。未來，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，弧光保護裝置將進一步集成AI分析功能，實現(xiàn)對復(fù)雜故障的預(yù)測和主動防御，為配電系統(tǒng)的安全運行提供更有力的支持