弧光保護(hù)的必要性

弧光保護(hù)的必要性安全生產(chǎn)建議書(shū) 發(fā)布時(shí)間:[2014年11月17日]建議在廠用/配電6KV（10KV）開(kāi)關(guān)柜增設(shè)母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)母線電弧光故障時(shí)有發(fā)生在我國(guó)電力系統(tǒng)中母線電弧光故障時(shí)有發(fā)生。例如1992年浙江某電廠由于小動(dòng)物造成廠用電一段母線燒毀；2005年山西某電廠檢修工誤入開(kāi)關(guān)間隔電弧光事故造成二人重傷；2008年江蘇某電廠廠用電開(kāi)關(guān)柜在運(yùn)行中爆炸造成機(jī)組停機(jī)；2008年浙江某供電局110/10KV變電站10KV開(kāi)關(guān)柜電弧光爆炸造成一人死亡；2009年安徽某供電局220/35KV變電站35KV開(kāi)關(guān)柜誤操作電弧光事故造成一人死亡；2009年重慶某電廠廠用電進(jìn)線柜電流互感器絕緣電弧光故障造成停機(jī)及廠用變壓器返廠維修；上海某電廠一期，湖南省某電廠，黑龍江某電廠，廣東某供電局，甘肅某供電局都曾有過(guò)沉痛的教訓(xùn)。母線電弧光保護(hù)新技術(shù)產(chǎn)生的背景由于多年運(yùn)行表明中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部弧光故障對(duì)人身及設(shè)備帶來(lái)極大的損害，各國(guó)電力專家開(kāi)始對(duì)電弧光故障進(jìn)行研究及認(rèn)識(shí)。在世界上，大家公認(rèn)的第一次對(duì)電弧光故障進(jìn)行深入研究的人是RalphLee先生。在他的1982年美國(guó)電力電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）論文里RalphLee先生第一次描述了電弧光故障現(xiàn)象及對(duì)人身的傷害。1987年，RalphLee先生又發(fā)表了一篇IEEE文章討論了電弧光故障產(chǎn)生的聲音及壓力的作用。在1994年，美國(guó)勞工部重大工作事故統(tǒng)計(jì)顯示全國(guó)范圍內(nèi)6588起由于電流引起的觸電、火災(zāi)及爆炸事故導(dǎo)致548人死亡。美國(guó)芝加哥的Capelli-Shellpfeffer,Inc.咨詢公司報(bào)道過(guò)在美國(guó)每一天有5-10起由于電弧光致傷的人員需要住院療傷。不需要住院的傷病人員就無(wú)法統(tǒng)計(jì)了。在1999年，美國(guó)電力科學(xué)研究院（EPRI）調(diào)查中指出在兩年的統(tǒng)計(jì)里電力公司每一次電氣設(shè)備故障除了其所造成的直接損失之外，產(chǎn)生的間接損失估計(jì)為1575萬(wàn)元美金。美國(guó)電力科學(xué)研究院（EPRI）還報(bào)告了在過(guò)去的十年里，一家生產(chǎn)企業(yè)每年平均有兩起電弧光事故。上個(gè)世紀(jì)80年代，在歐洲的國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）修訂了其IEC298-1981標(biāo)準(zhǔn)。在附件AA中描述了中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧光故障產(chǎn)生的原因，解決方案及測(cè)試方法。2003年11月，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）制定了新的中壓開(kāi)關(guān)柜標(biāo)準(zhǔn)IEC62271-200代替了其IEC298-1990標(biāo)準(zhǔn)，新的標(biāo)準(zhǔn)在防止開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部弧光故障對(duì)人身及設(shè)備危害方面提出了更加嚴(yán)格的要求。在北美，為了提高安全生產(chǎn)，加拿大電力和電子制造商協(xié)會(huì)（EEMAC）根據(jù)IEC298-1981的附件AA制定了EEMACG14-1-1987在內(nèi)部弧光故障的條件下金屬鎧裝開(kāi)關(guān)柜電阻的測(cè)試規(guī)則。在IEC298-1981及EEMACG14-1-1987標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，美國(guó)在2001年也出版了IEEEC37.20.7中壓金屬鎧裝開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部弧光故障的測(cè)試導(dǎo)則。此外，美國(guó)在電力職業(yè)安全生產(chǎn)方面針對(duì)電弧光弧閃事故建立了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。美國(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)（NFPA），作為美國(guó)國(guó)家電力規(guī)范（NEC）的一個(gè)補(bǔ)充，制定了NFPA70E2004職業(yè)電力安全要求標(biāo)準(zhǔn)。作為最快速度的專用母線電弧光保護(hù)應(yīng)運(yùn)而生。它不僅能很好地應(yīng)用于新裝開(kāi)關(guān)柜里也能方便地加裝到巳運(yùn)行的開(kāi)關(guān)柜中。其目標(biāo)就是在第一時(shí)間里切除弧光故障使人身傷亡及設(shè)備損害降到最低。國(guó)內(nèi)外中壓專用母線保護(hù)的應(yīng)用情況在國(guó)外由于各國(guó)政府的重視和指令性文件及規(guī)程規(guī)定，歐洲、北美、蘇聯(lián)及英聯(lián)邦諸國(guó)中壓開(kāi)關(guān)配置各種專用母線保護(hù)的比率巳超過(guò)95%。近年來(lái)由于中壓開(kāi)關(guān)柜標(biāo)準(zhǔn)（IEC62271-200）對(duì)防弧光故障要求的提高，作為新技術(shù)的母線電弧光保護(hù)大量的在中壓及低壓開(kāi)關(guān)柜配套使用。廠用/配電系統(tǒng)的6KV（10KV）母線一般不配置專用的快速母線保護(hù)是目前國(guó)內(nèi)的典型設(shè)計(jì)做法，是符合國(guó)標(biāo)《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50062—92）及現(xiàn)行的電力行業(yè)規(guī)程規(guī)范要求的。這一設(shè)計(jì)規(guī)范導(dǎo)致了目前中壓開(kāi)關(guān)柜沒(méi)有專用母線保護(hù)。即專用母線保護(hù)“可用可不用”“景上添花”的局面。為什么35KV及以下的母線沒(méi)有配置專用的快速母線保護(hù)？其中重要的原因之一是中壓母線故障絕大部分情況下“沒(méi)有系統(tǒng)穩(wěn)定性的問(wèn)題”。因此，長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)中低壓母線保護(hù)一直不夠重視。雖然國(guó)內(nèi)外的中壓開(kāi)關(guān)柜的制造技術(shù)進(jìn)步很快，6KV（10kV）母線發(fā)生故障的機(jī)率大為減少，但是由于廠用/配電的6KV（10kV）系統(tǒng)出線多、操作頻繁、容易受小動(dòng)物危害、設(shè)備絕緣老化和機(jī)械磨損等原因，6KV（10kV）開(kāi)關(guān)柜故障時(shí)有發(fā)生。在發(fā)生母線短路故障時(shí)由于沒(méi)有配備快速母線保護(hù)而未能在最短的時(shí)間里切除故障以至嚴(yán)重的操作人員人身傷亡事故發(fā)生；個(gè)別開(kāi)關(guān)柜引發(fā)整段開(kāi)關(guān)柜“火燒聯(lián)營(yíng)”的事故發(fā)生，甚至波及到變壓器，造成變壓器的燒毀。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)運(yùn)行和檢修人員的人身安全、國(guó)家安全生產(chǎn)規(guī)范及職業(yè)保險(xiǎn)要求的要求不斷提高。在以人為本的今天，我們絕不能因?yàn)椤皼](méi)有系統(tǒng)穩(wěn)定性的問(wèn)題”而忽略了安全生產(chǎn)。我國(guó)于2004年開(kāi)始使用進(jìn)口專用母線電弧光保護(hù)，目前電力系統(tǒng)，尤其是發(fā)電系統(tǒng)，約70%-80%的新建電廠均采用了專用母線電弧光保護(hù)，一些電網(wǎng)公司，例如廣東、甘肅等也開(kāi)始批量使用專用母線電弧光保護(hù)。成功案例：2010年4月22日08：16（當(dāng)日有雷雨），南方電網(wǎng)（廣東茂名110kV變電站）10kV母線51PT柜A相避雷器發(fā)生爆炸；弧光造成三相短路，隨后弧光保護(hù)動(dòng)作，在50ms內(nèi)跳開(kāi)#1主變低側(cè)501開(kāi)關(guān)，有效避免了開(kāi)關(guān)柜“火燒連營(yíng)”重大事故的發(fā)生。近期，其他省電力公司也高度重視，并開(kāi)始了對(duì)快速專用母線電弧光保護(hù)的試點(diǎn)、評(píng)估及應(yīng)用工作。必要性1:國(guó)內(nèi)中壓開(kāi)關(guān)柜保護(hù)的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題6KV（10KV）廠用/配電中壓開(kāi)關(guān)柜為全廠輔機(jī)/供電系統(tǒng)的供電樞紐。在發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，是否能迅速地切除故障，對(duì)全廠/配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。但是，按目前的保護(hù)方案：中壓母線尚沒(méi)有配置任何專門(mén)的保護(hù)；而是由進(jìn)線開(kāi)關(guān)的相關(guān)后備保護(hù)來(lái)兼顧的。但是進(jìn)線開(kāi)關(guān)與出線開(kāi)關(guān)的保護(hù)需要相互配合：一般速斷保護(hù)延時(shí)的級(jí)差至少為300毫秒，甚至500毫秒；而過(guò)流保護(hù)的配合級(jí)差更是長(zhǎng)達(dá)1—2秒。所以，廠用/配電系統(tǒng)中壓母線上所發(fā)生的任何故障都至少要延時(shí)切除。換句話說(shuō)，現(xiàn)有的廠用中壓母線能在第一時(shí)間切除故障的保護(hù)還是個(gè)空白?？墒?，我們只要稍加注意，就會(huì)不難發(fā)現(xiàn)不論是中壓開(kāi)關(guān)母線的上游還是下游的諸多電氣設(shè)備無(wú)一沒(méi)有配有快速保護(hù)。相比之下，我們恐怕很難有充分的理由來(lái)說(shuō)明，中壓母線的安全性可靠性不應(yīng)該受到不同樣的重視。鑒于中壓母線的重要地位，任何故障的延時(shí)切除，都是我們極為不愿意看到的狀況。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)柜內(nèi)的各種故障，其短路電流所產(chǎn)生的電弧及其大量的高溫，使柜內(nèi)氣體急劇膨脹，可在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到頂峰，嚴(yán)重危及人身和設(shè)備安全。必要性2：電弧光對(duì)人員及設(shè)備的傷害電弧光發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的高溫（弧光發(fā)生點(diǎn)的溫度是19427°C）灼燒人員皮膚；強(qiáng)光刺傷眼睛；感電侵害肌肉、神經(jīng)；爆破壓力（爆破點(diǎn)壓力為120kPa，而人體能承受的最大壓力為7.5kPa）造成人員的墜落及碎片飛射；爆破音造成人員的耳膜、內(nèi)臟震動(dòng)損傷；毒氣傷害人員呼吸系統(tǒng)。電弧光發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的大量氣體，其壓力波可造成盤(pán)體變形、破碎；電弧可使銅排氣化的體積膨脹，空氣因高溫而膨脹（壓力為120kPa）；爆破音造成盤(pán)內(nèi)強(qiáng)烈震動(dòng)，使固定元件松脫。高溫可造成電纜在100ms內(nèi)燃燒、及所有絕緣材料的燃燒，造成銅排、鋁在150ms內(nèi)燃燒熔毀氣化，并產(chǎn)生大量的濃黑有毒的煙氣，這些含有大量碳黑煙氣將以300M/s迅速擴(kuò)散至整段母線和開(kāi)關(guān)柜，造成所有一次和二次設(shè)備表面的嚴(yán)重污染，使得絕緣電阻為零。由于開(kāi)關(guān)柜為剛性連接，結(jié)構(gòu)緊湊，空間有限，使得任何方式的清理工作，都將是耗時(shí)，費(fèi)力的。更不用說(shuō)受損設(shè)備的更換了。最為重要的是整段母線的停役，給全廠帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失將是無(wú)法估量的。同時(shí)要想使設(shè)備的絕緣完全恢復(fù)到原來(lái)的水平幾乎是不可能的。以下為國(guó)外的資料介紹的各種燃弧時(shí)間下對(duì)設(shè)備造成的損壞程度：35ms沒(méi)有顯著的損壞，一般可以在檢驗(yàn)絕緣電阻后投入使用100ms損壞較小，在開(kāi)關(guān)柜再次投入運(yùn)行以前需要進(jìn)行清潔或可能的某些小的修理500ms設(shè)備損壞很嚴(yán)重，在現(xiàn)場(chǎng)的人員也受到嚴(yán)重的傷害，必須更換部分設(shè)備更換才可以再投入運(yùn)行。這里可能需要指出的是，電廠的廠用中壓母線的短路水平，即使是300MW等級(jí)的電廠，也達(dá)近30KA—40KA。這對(duì)于母線或開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的故障點(diǎn)來(lái)說(shuō)，任何延時(shí)的切除，都將是不能容忍的。按照IEC62271-200規(guī)定，開(kāi)關(guān)柜承受內(nèi)部燃弧時(shí)間僅為100ms。任何時(shí)間的延長(zhǎng)，都將超出開(kāi)關(guān)柜本身的設(shè)計(jì)承受極限。這與開(kāi)關(guān)的遮斷容量完全不是一個(gè)概念。必要性3：低壓母線故障對(duì)變壓器的沖擊嚴(yán)重?fù)?jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，一些地區(qū)的110kV及以上等級(jí)的變壓器在遭受穿越故障電流沖擊而直接導(dǎo)致?lián)p壞的事故，約占全部事故的50%以上。與前幾年相比呈大幅上升的趨勢(shì)。特別是變壓器低壓側(cè)出口（低壓母線）短路時(shí)形成的故障一般需要更換繞組，嚴(yán)重時(shí)可能要更換全部繞組，其后果和損失是何等的慘重。按國(guó)際規(guī)定，110KV及以上等級(jí)變壓器的熱穩(wěn)定允許時(shí)間為2秒；動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間為0.25秒，但實(shí)際上，在低壓側(cè)出口短路故障，靠過(guò)流后備保護(hù)切除的動(dòng)作時(shí)間往往在1—2秒以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變壓器的動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間.所以，可以說(shuō)，目前保護(hù)配置的不完善，是造成變壓器損壞的重要原因.設(shè)備受損與否，或輕重與否，關(guān)鍵是能否在第一時(shí)間將故障電流切除。所以，針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的廠用和配電中壓母線保護(hù)配置的現(xiàn)狀，非常有必要增設(shè)快速保護(hù)。國(guó)內(nèi)一些專家也一直強(qiáng)調(diào)裝設(shè)專用中低壓母線保護(hù)的重要性，用戶也希望可以提供一種造價(jià)較低、原理簡(jiǎn)單、適用于6—35KV的母線保護(hù)，以最大限度減少母線故障對(duì)設(shè)備的損害，提高供電可靠性。專用母線電弧光保護(hù)不僅動(dòng)作速度快，可靠性高而且與其它專用母線保護(hù)相比有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。母線電弧光保護(hù)系統(tǒng)的可靠性由于光電式電弧光保護(hù)系統(tǒng)測(cè)量的光和電是兩個(gè)完全不同物理性質(zhì)的參數(shù)，采用光信號(hào)，故障電流信號(hào)雙判據(jù)的動(dòng)作原理決定了他的誤動(dòng)率要比系統(tǒng)中其他主保護(hù)（包括變壓器、進(jìn)線、饋線保護(hù)）誤動(dòng)概率要小。采用專用母線電弧光保護(hù)的好處保護(hù)附近工作人員免受電弧光對(duì)人身的傷害；保護(hù)中低壓設(shè)備免受嚴(yán)重破壞，防止火災(zāi)發(fā)生；保護(hù)主變壓器或者廠用變壓器免受嚴(yán)重沖擊而損壞；防止波及站用直流系統(tǒng)，避免造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；最大限度地減少用戶的停電時(shí)間（用戶停電恢復(fù)時(shí)間，由原來(lái)的2-3個(gè)星期減少到幾個(gè)小時(shí)以內(nèi)）；延長(zhǎng)現(xiàn)有開(kāi)關(guān)設(shè)備的使用壽命。結(jié)束語(yǔ)：隨著人們對(duì)電弧光故障的進(jìn)一步研究和認(rèn)識(shí)，在上個(gè)世紀(jì)八十年代末及九十年代初，歐洲、美國(guó)相關(guān)專業(yè)協(xié)會(huì)及政府相關(guān)部門(mén)針對(duì)電弧光故障及其危害開(kāi)始增改或制定相應(yīng)的政策措施、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及安全規(guī)范。雖然中低壓母線快速專用保護(hù)至今沒(méi)有寫(xiě)入我國(guó)電力設(shè)計(jì)規(guī)程或電力二十五條反措當(dāng)中。但是，隨著人們對(duì)電網(wǎng)