弧光保护装置在煤矿高压开关柜的应用

在煤矿高压开关柜运行中，由于受到多种因素的干扰，中低压母线发生故障的概率较高，在中低压母线装设中又没有设置专门的保护，所以开关柜电弧光短路等问题时有发生，对变压器等设备造成一定的损害。鉴于此，对电弧光对开关柜和供电系统造成的损害进行了分析，并对煤矿高压开关柜电弧光保护装置设计与应用进行了探讨。

0引言

高压开关柜主要应用于电网电站中，但随着社会经济和科学技术的发展，高压开关柜的应用范围得到了很大的拓展。在中国煤矿电网容量不断，中低压配电系统规模扩大的情形下，高压开关柜在煤矿行业中得到了有效应用。

由于中国煤矿电网容量的，中低压配电系统规模也得到了一定的扩大，但是由于中低压母线操作频繁，加上人为操作不当的因素，设备磨损严重，母线出现故障的概率比较大。另外，因为一般不对中低压的母线设置保护装置，所以在切除故障电流上所用的时间较长，使得设备被损坏的程度较大，给煤矿企业造成一定的经济损失。因此，一定要注意煤矿开关

柜中电弧光保护装置的设置，以免影响母线的运行，降低事故发生的概率。

1电弧光参数和危害

1.1电弧光的参数

关于电弧光的参数，可以从功率、温度、电压和光照强度几个方面来分析。首先在功率上，电弧光在产生的过程中，其可以达到的大瞬时功率为40MW。整个弧光生成中设备内部的温度可以达到1×104℃～2×104℃，而在产生和结束的瞬间，其温度可以达到4500℃。此外，弧光的大电压可以达到500V～1000V，弧光的光照强度可达正常光照强度的2000倍。

1.2电弧光产生的危害

从电弧光的参数来看，其温度、电压和光照强度都超出正常范围，尤其是在电弧光的温度上，其温度是太阳温度的2倍，这么高的温度会使得接线铜排、铝排等融化损坏，引起电缆和电缆包覆层着火。同时，过大的压强可能会导致开关设备爆炸，从而产生大量有害气体，威胁人体健康。另外，在压力过大和温度过高的环境下，事故频发，人员伤亡概率提升。在煤矿行业，由于大部分作业是在井下环境中进行，工作环境十分恶劣，温度高且本身就有有害气体的存在，如果由于电弧光温度和电压、功率导致设备出现故障或者爆炸事故，便会提高作业的危险性，使人员和设备材料受到损害，给煤矿企业带来经济损失。

2电弧光保护技术现状和常用的保护措施

2.1国内发展现状

关于设备内部电弧光出现的故障问题，随着研究的深入和技术的发展，研究人员发现出现故障的原因除了有电磁效应外，还有声波、光热效应和压力等的影响。所以近几年来中国根据故障原因分析结果，研究开发了不同故障引起的电弧光检测保护装置，通过电弧光检测，有效解决了过去电弧光保护反应时间太长的问题。电弧光保护装置在煤矿行业高压开关柜中的应用，主要是在开关柜不同的单元中设置压力传感器，这样通过压力检测可以及时发现设备中的故障问题，然后使故障电流供电的断路器跳闸，避免故障电流流通;有的是根据电弧

光的温度热量效应，设置了符合电弧光特性和运作机理的继电器，像金属丝电弧光继电器，就被广泛应用到煤矿高压开关柜中;有的是利用电弧光产生的电磁能量设置相应的保护装置，例如单向电流电弧保护装置、电弧接地保护装置等;有的则是利用电弧光的声波、光照和压力效应以及电流组合来设置相应的保护装置，对设备进行保护;还有的通过对绝缘失效的早期信号进行检测并设置保护装置，可以通过检测高压开关柜中臭氧的体积分数来采取相应的保护措施。在中国传感器的研究开发上，针对电弧光参数和危害所形成的光纤传感器是一种有效的保护装置，该装置具有抗电磁干扰能力强、电绝缘性好和灵敏度高的特点，对信号具有很强的敏感反应能力和传输作用。尤其是在煤矿行业，在中低压环境中，受到外界复杂环境因素的影响，开关柜受到的电弧光电磁能量干扰很强，而光纤传感器则能凭借其抗电磁能力高和电绝缘性能好的优点显示出独特的应用优势，不仅可以对电弧光进行有效检测，还可以对整个煤矿电网系统起到有效的电弧光保护作用。

2.2中低压母线常用的电弧光保护措施

电弧光对内部系统造成的故障损害程度主要与故障发生时系统对故障的敏感性和反应能力有关。也就是说，电弧光故障电流能否被及时切断关系着电弧光引起的故障对整个系统的损害程度。一般来说，只有总的切除时间在85ms及以下时才能使设备不受到损害，而超过这一特定值就可能会对设备造成损害，尤其当整体切除时间超过100ms之后，便会对设备造成很大程度的损坏。为了避免中低压母线受到损害，进而影响内部设备系统的正常运行，目前主要采取的保护措施如下：

a)设置电弧光变压器后背过流保护措施，一般规定的保护反应时间为1.2s～1.4s;

b)设置馈线速断保护闭锁的变压器后背过流保护措施，该保护措施对电弧光故障电流的保护反应时间为300ms～400ms;

c)设置高阻抗保护措施，对故障电流的保护反应时间在35ms～60ms之间。从这些保护措施上来看，目前关于中低压母线的电弧光保护还有很大的进步优化空间，因为前两种保护措施保护动作时间，也就是对故障电流的总切除时间肯定超过了100ms，反应保护时间太长，所起到的保护作用很小;后一种保护措施虽然反应保护时间在规定的理想范围之内，但是其保护范围却又受到CT安装位置的限制，所以不仅安装不方便，而且在保护时并不能延展其保护范围，材料成本比较高。

3电弧光保护装置的实施方案和装置的安装

在煤矿行业中，对于其开关柜中电弧光保护装置的技术方案，需要结合不同煤矿的特点，尤其是煤矿开关柜母线保护的现状、各自母线故障发生的规律以及各个煤矿的负荷来制订，使得电弧光保护装置可以满足煤矿配电网的运行特点，然后再进行有效的计算分析。

下面结合A煤矿技术实施方案对电弧光保护装置的实施进行简要探讨。在该方案中，电弧光保护装置安装在6kV进线柜中，每一台装置采集所在进线柜的三相电流和跳闸信号，主要对进线柜进线开关和相邻的母联开关信号进行采集。同时，电弧光光纤传感器安装在每一个开关柜的母线室壁上，目的是对母线系统，包括主母线和各条分支母线进行监督控制，及时发现母线系统运行中存在的问题并加以解决。此外，监控系统的设置主要利用的是以太网。在该技术方案中，电弧光保护装置可完成信息的采集、计算和显示、通讯以及跳闸、保护和异常信号检测等，可以进行灵活的插件选配，根据应用需要形成电弧光保护系统。其中，光纤传感器除了可以进行电流信号远距离传输和采集之外，还可以作为光感应元件，当电弧光由于光照强度过大而出现故障时或者在检测时出现突然增强的光照时，便能将模拟信号传输给电弧光保护装置，从而实现对装置设备的保护。

4安科瑞ARB5-M弧光保护产品选型说明

ARB5-弧光主控单元

5安科瑞ARB5-M弧光保护产品功能和技术参数

(1)*表示可选附件，需要另外增加费用1500元。

(2)主控板和采集板数量之和不能大于4。

(3)弧光探头到采集板的长度不能超过20米。

(4)如有特殊要求，请特别注明。

6安科瑞ARB5-M弧光保护产品现场安装

弧光保护主控单元、探头安装图如下。

7结论

综上，对现有的电弧光保护措施进行了分析研究，主要分析了其保护动作反应时间，发现现有的保护措施一方面无法达到理想的动作保护时间，另一方面在保护范围上也受到多种因素的限制。然后在研究总结传统过流型保护和差配合、弧光非电量型保护和差配合两种保护措施的基础上，通过技术方案的实施可实现对煤矿供电系统的保护，降低事故发生的概率，提高故障分析处理的能力。此外，在对电弧光保护装置进行选择时，还需要根据不同煤矿的特点来研究母线故障的变化规律，从而使得所设置的电弧光保护措施能更加符合煤矿电网系统的实际需要。

审核编辑：汤梓红