何为母线弧光保护，弧光保护的核心原理是什么？

母线弧光保护是电力系统中一种专门用于快速检测和切除母线故障（特别是由电弧光引起的故障）的重要保护装置。它是继电保护系统中的一个特殊类别，属于“非电量保护”的一种，但通常需要与电气量保护（如电流）配合使用。
以下是关于母线弧光保护的详细说明：
一、 产生背景与必要性
1.母线的重要性： 母线是变电站或发电厂中汇集和分配电能的关键节点。母线故障（尤其是短路故障）影响范围广，可能导致大面积停电，甚至损坏昂贵的设备（如变压器、断路器）。
2.传统保护的局限性：
（1）差动保护： 是母线的主保护，原理可靠。但需要采集所有进出线电流，接线复杂，且对CT饱和、断线等异常情况敏感，可能需要较长的动作时间（几十毫秒）。
（2）距离/过流保护： 作为后备保护，动作时间更长（几百毫秒到秒级）。
3.电弧光的危害性： 母线发生短路时，特别是金属性短路或绝缘击穿，会产生温度极高（可达20000°C）、能量巨大的电弧光。其危害包括：
（1）设备严重烧毁： 瞬间烧熔铜排、绝缘材料，损坏开关柜。
（2）爆炸压力波： 电弧高温导致空气急剧膨胀，产生巨大压力波（可达200kPa），可能炸开柜门甚至摧毁整个开关室，危及人身安全。
（3）有毒气体和飞溅物： 产生大量有毒气体（如臭氧、氮氧化物）和熔融金属飞溅物。
（4）火灾风险： 极易引燃周围可燃物。
4.对快速性的要求： 研究表明，在电弧光产生后的最初几毫秒内切除故障，能最大程度地限制电弧能量，从而显著减小设备损坏程度和爆炸风险。 传统电气量保护难以满足这种毫秒级的快速切除要求。
二、 弧光保护的核心原理
母线弧光保护的核心思路是直接检测电弧光本身（非电量信号）作为主判据，辅以电流突变（电气量信号）作为启动或闭锁条件，实现极速跳闸。
1.主要判据 - 弧光检测：
（1）传感器： 在母线室、开关柜内的关键位置（如母线室、断路器室、电缆室）安装弧光传感器。这些传感器通常是：
点式传感器： 安装在特定监测点。
光纤传感器： 将光纤敷设在需要监测的区域（如母线槽上方），利用光纤传导光信号。
（2）原理： 传感器对电弧产生的强烈可见光（通常集中在红光到紫外光范围）非常敏感。一旦检测到光强度超过预设的光强阈值，立即向保护单元发送信号。
2.辅助判据 - 电流检测：
（1）目的： 防止因非故障原因（如阳光直射、照明灯故障、检修时的手电筒光等）引起的误动作。提高保护的选择性和可靠性。
（2）原理： 保护单元同时监测一个或多个关键馈线的电流（通常是进线或主变低压侧）。当弧光传感器动作时，保护单元会检查电流是否同时发生突变（超过设定的电流增量阈值）。
（3）逻辑： 通常采用“光强+电流增量”的“与”逻辑作为跳闸判据。即只有弧光信号强且电流同时发生显著增大时，才判定为母线电弧光故障，发出跳闸命令。
3.极速动作：
(1)整个检测、判断、发出跳闸命令的过程非常快，典型动作时间在4ms - 8ms 以内（从电弧产生到发出跳闸信号）。
(2)加上断路器本身的固有分闸时间（几十毫秒），总的故障切除时间远小于传统保护，能有效限制电弧能量。
三、 系统组成
典型的母线弧光保护系统包括：
1.弧光传感器： 安装在各个需要监测的隔室。
2.主控单元：
(1)接收来自所有传感器的弧光信号。
(2)接收来自电流互感器（CT）的电流信号（通常通过辅助CT接入）。
(3)执行“光强+电流增量”的逻辑判断。
(4)发出跳闸命令。
(5)提供人机界面（显示、按键）、通信接口、事件记录、自检等功能。
3.电流互感器： 用于测量辅助判据所需的电流信号。
4.跳闸输出单元： 主控单元发出的跳闸命令通过继电器触点输出，直接跳开连接至该母线的所有电源进线断路器（如主变低压侧断路器、母联/分段断路器、馈线/电容器断路器（可选））。
5.(可选) 辅助单元： 在大型或结构复杂的配电系统中，可能需要扩展单元来处理更多的传感器信号。
四、 主要优点
1.动作速度极快： 毫秒级动作，最大限度限制电弧能量和破坏力，保护设备和人员安全。
2.原理简单可靠： 直接检测故障源（电弧光），不受CT饱和、系统振荡、谐波等因素影响。
3.显著减少设备损坏： 快速切除故障，大大降低了开关柜烧毁、爆炸的风险，节省昂贵的维修或更换费用。
4.减少停电范围和时间： 快速隔离故障母线，防止故障蔓延，有利于系统快速恢复。
5.提高人身安全性： 降低爆炸、火灾、有毒气体对现场人员的伤害风险。
6.安装相对简便： 传感器安装灵活，无需像母线差动那样接入所有回路的CT二次线。
五、 应用场景
弧光保护特别适用于以下场合：
1.中低压开关柜： 如6kV, 10kV, 35kV的金属封闭开关设备（铠装柜、中置柜、环网柜等）。这些柜体空间相对狭小，电弧危害更大。
2.重要厂站母线： 如发电厂厂用电系统、大型工矿企业的主配电系统、数据中心、轨道交通牵引供电系统等对供电连续性和设备安全性要求极高的场所。
3.存在高故障风险或传统保护受限的母线：
(1)老旧开关柜，绝缘可能存在隐患。
(2)运行环境恶劣（潮湿、粉尘、小动物易侵入）。
(3)母线结构复杂，差动保护实现困难或可靠性不高。
六、 与母线差动保护的关系
1.不是替代，而是补充与加强： 弧光保护不是用来取代母线差动保护的。差动保护仍是基于电气量原理、选择性好、可靠性高的主保护。
2.专注于快速限制电弧危害： 弧光保护的核心价值在于其对电弧光故障的超高速切除能力，这是差动保护无法企及的。它专注于在故障发生的初始阶段就将其扼杀，最大限度降低物理破坏。
3.协同工作： 理想的母线保护配置是差动保护作为主保护（选择性跳闸）+ 弧光保护作为快速后备/辅助保护（快速切除以限制损害）。两者配合，既保证了选择性，又最大限度地提高了安全性。
母线弧光保护是一种利用电弧光本身作为主要检测对象、结合电流变化作为辅助判据的超高速保护装置。其核心目标是在母线发生短路故障产生破坏性电弧的初期（毫秒级）就迅速切断电源，从而最大程度地限制电弧能量释放，保护开关柜等设备免遭严重烧毁和爆炸，保障人身安全。它是现代中低压重要配电系统中，尤其是开关柜内，保障设备和运行人员安全的一道至关重要的防线，是传统电气量母线保护（如差动保护）的重要补充和加强。

母线弧光保护

审核编辑 黄宇