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KZMGB 母保及過電壓控制柜（母線短路保護(hù)及過電壓控制系統(tǒng)）
一、產(chǎn)品概述
電力系統(tǒng)的母線短路和過電壓現(xiàn)象十分普遍。如果沒有防范和應(yīng)對(duì)措施，隨時(shí)都有可能對(duì)電網(wǎng)和電力設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞，甚至使供電網(wǎng)絡(luò)癱瘓，影響供電的穩(wěn)定性、安全性和連續(xù)性。各種過電壓(以下同，如:弧光過電壓、諧振過電壓、雷電過電壓、操作過電壓、高頻過電壓等)又是引起母線短路的重要因素之一，同時(shí)在母線短路之前會(huì)有5-7倍相電壓沖擊電網(wǎng)，為了綜合治理母線短路保護(hù)和抑制消除各種過電壓，使電網(wǎng)更加安全、穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行，我公司聯(lián)合西安交通大學(xué)、國(guó)電南京自動(dòng)化研究院、研發(fā)出KZMGB母線短路保護(hù)及過電壓控制系統(tǒng)系列產(chǎn)品，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，在母線短路故障發(fā)生之前，先由過電壓控制系統(tǒng)預(yù)防過電壓的產(chǎn)生，如果預(yù)防環(huán)節(jié)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無法消除故障，再由母線短路保護(hù)系統(tǒng)切除故障點(diǎn)，徹底消除母線短路故障，使電力系統(tǒng)母線短路和各種過電壓得到有效的控制和綜合治理，減輕了電動(dòng)力和熱動(dòng)力的危害，大大加強(qiáng)了供電網(wǎng)絡(luò)的安全性和人身安全。
名 稱：KZMGB 母保及過電壓控制柜（母線短路保護(hù)及過電壓控制系統(tǒng)）
電弧光產(chǎn)生原因及其危害
1.1.1電弧光產(chǎn)生的原因
1）開關(guān)設(shè)備內(nèi)電弧光產(chǎn)生的人為原因有：
● 誤入帶電間隔;
● 隔離開關(guān)誤操作;
● 帶接地線合閘;
● 忘記測(cè)量工作區(qū)內(nèi)的電壓等。
2）開關(guān)設(shè)備內(nèi)電弧光產(chǎn)生的技術(shù)原因有：
● 設(shè)備故障和帶電設(shè)備的誤操作;
● 設(shè)備正常檢修后，遺漏工具在開關(guān)設(shè)備內(nèi);
● 錯(cuò)誤的接線和母線連接;
● 絕緣老化、機(jī)械磨損、過電壓、小動(dòng)物(尤其是老鼠)、灰塵、溫度、濕度及腐蝕等環(huán)境因素。
1.1.2電弧光的危害
開關(guān)設(shè)備內(nèi)部間隔發(fā)生故障而產(chǎn)生的電弧光造成開關(guān)設(shè)備中的壓力和溫度迅速增加，如不及時(shí)切除、將造成以下重大危害：
● 電弧光中心溫度相當(dāng)于太陽(yáng)表面溫度的2倍，約為20000℃，由于過熱將導(dǎo)致銅排、鋁排融毀氣化;
● 電纜融毀，電纜護(hù)套著火;
● 過熱導(dǎo)致壓力上升，使開關(guān)設(shè)備爆炸;
● 開關(guān)設(shè)備劇烈振動(dòng)，使固定元件松脫;
● 使上一級(jí)變壓器承受近距離短路故障沖擊，故障電流產(chǎn)生的電動(dòng)力可能導(dǎo)致變壓器繞組變形發(fā)生匝間短路;
● 故障產(chǎn)生的弧光以300m/s的速度爆發(fā)，可摧毀途中的任何物質(zhì)，若波及站內(nèi)直流系統(tǒng)造成全站直流失電，將造成無法彌補(bǔ)的重大損失;
● 高溫灼傷皮膚，強(qiáng)光刺傷眼睛;
● 爆破音振損傷耳膜，肺臟;
● 爆炸碎片飛射，造成人員傷亡。
電弧光故障的危害程度取決于電弧光電流及切除時(shí)間，電弧光產(chǎn)生的能量與 成指數(shù)規(guī)律快速上升。
基本原理及特點(diǎn)
1、母線短路保護(hù)的必要性基本原理及特點(diǎn)
1.1 必要性
中低母線發(fā)生短路故障時(shí)，所產(chǎn)生的短路電流對(duì)設(shè)備及人員會(huì)造成極大地傷害，下圖為典型的電力系統(tǒng)圖，一般電力系統(tǒng)變壓器主保護(hù)有母差保護(hù)，母線以下饋線開關(guān)柜部分有綜保的速斷保護(hù)，但是目前國(guó)內(nèi)中低壓端母線系統(tǒng)中一般不配置專用的快速母線保護(hù)，而是依賴上一級(jí)變壓器的后備保護(hù)切除母線短路故障，這樣導(dǎo)致了故障切除時(shí)間延長(zhǎng)，加大了設(shè)備的損傷程度，破壞嚴(yán)重時(shí)可能造成事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，威脅到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，該問題引起業(yè)內(nèi)人士的高度重視。
裝置耐壓水平
母線短路保護(hù):繼電器動(dòng)作時(shí)間<8ms,完成保護(hù)動(dòng)作時(shí)間<100ms.
電弧光產(chǎn)生原因及其危害
1.1.1電弧光產(chǎn)生的原因
1)開關(guān)設(shè)備內(nèi)電弧光產(chǎn)生的人為原因有：
● 誤入帶電間隔;
● 隔離開關(guān)誤操作;
● 帶接地線合閘;
● 忘記測(cè)量工作區(qū)內(nèi)的電壓等。
2) 開關(guān)設(shè)備內(nèi)電弧光產(chǎn)生的技術(shù)原因有：
● 設(shè)備故障和帶電設(shè)備的誤操作;
● 設(shè)備正常檢修后，遺漏工具在開關(guān)設(shè)備內(nèi);
● 錯(cuò)誤的接線和母線連接;
● 絕緣老化、機(jī)械磨損、過電壓、小動(dòng)物(尤其是老鼠)、灰塵、溫度、濕度及腐蝕等環(huán)境因素。
1.1.2電弧光的危害
開關(guān)設(shè)備內(nèi)部間隔發(fā)生故障而產(chǎn)生的電弧光造成開關(guān)設(shè)備中的壓力和溫度迅速增加，如不及時(shí)切除、將造成以下重大危害：
● 電弧光中心溫度相當(dāng)于太陽(yáng)表面溫度的2倍，約為20000℃，由于過熱將導(dǎo)致銅排、鋁排融毀氣化;
● 電纜融毀，電纜護(hù)套著火;
● 過熱導(dǎo)致壓力上升，使開關(guān)設(shè)備爆炸;
● 開關(guān)設(shè)備劇烈振動(dòng)，使固定元件松脫;
● 使上一級(jí)變壓器承受近距離短路故障沖擊，故障電流產(chǎn)生的電動(dòng)力可能導(dǎo)致變壓器繞組變形發(fā)生匝間短路;
● 故障產(chǎn)生的弧光以300m/s的速度爆發(fā)，可摧毀途中的任何物質(zhì)，若波及站內(nèi)直流系統(tǒng)造成全站直流失電，將造成無法彌補(bǔ)的重大損失;
● 高溫灼傷皮膚，強(qiáng)光刺傷眼睛;
● 爆破音振損傷耳膜，肺臟;
● 爆炸碎片飛射，造成人員傷亡。
電弧光故障的危害程度取決于電弧光電流及切除時(shí)間，電弧光產(chǎn)生的能量與成指數(shù)規(guī)律快速上升。
基本原理及特點(diǎn)
1、母線短路保護(hù)的必要性基本原理及特點(diǎn)
1.1 必要性
中低母線發(fā)生短路故障時(shí)，所產(chǎn)生的短路電流對(duì)設(shè)備及人員會(huì)造成極大地傷害，下圖為典型的電力系統(tǒng)圖，一般電力系統(tǒng)變壓器主保護(hù)有母差保護(hù)，母線以下饋線開關(guān)柜部分有綜保的速斷保護(hù)，但是目前國(guó)內(nèi)中低壓端母線系統(tǒng)中一般不配置專用的快速母線保護(hù)，而是依賴上一級(jí)變壓器的后備保護(hù)切除母線短路故障，這樣導(dǎo)致了故障切除時(shí)間延長(zhǎng)，加大了設(shè)備的損傷程度，破壞嚴(yán)重時(shí)可能造成事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，威脅到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，該問題引起業(yè)內(nèi)人士的高度重視。
有關(guān)專家在安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化檢查評(píng)價(jià)后指出：母線無快速保護(hù)，破壞了繼電保護(hù)的速動(dòng)性，必須在合適時(shí)機(jī)進(jìn)行母線保護(hù)改造和完善。為了保證變壓器及母線開關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行，根據(jù)繼電保護(hù)快速性的要求，迫切需要配置專用中低壓母線保護(hù)。
合肥凱正電氣技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱凱正電氣)研制的KZMGB母線短路保護(hù)及過電壓控制系統(tǒng)采用弧光檢測(cè)和過電流檢測(cè)雙判據(jù)原理，保護(hù)動(dòng)作快、可靠性高。選用快速繼電器出口跳閘時(shí)間為4ms，選用常規(guī)繼電器出口跳閘時(shí)間為8ms，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)母線短路保護(hù)，對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部弧光故障總切除時(shí)間為100ms以內(nèi)。
一般變壓器后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間：
●采樣20-30ms
●跳閘啟動(dòng)10ms
●延時(shí)設(shè)定500-1000ms
●斷路器動(dòng)作時(shí)間50-80ms
發(fā)生故障時(shí)總切除時(shí)間最少為：20+10+500+50=580ms
母線短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間：
●弧光探測(cè)1ms
●過流比較1ms
●輸出繼電器動(dòng)作時(shí)間5-8ms
●短路動(dòng)作時(shí)間為50-80ms
發(fā)生故障時(shí)總切除時(shí)間最少為：1+1+8+80=90ms，一般為60ms左右。
當(dāng)發(fā)生母線短路故障時(shí)，弧光能在1ms內(nèi)迅速產(chǎn)生，在燃弧的同時(shí)，由于空氣電離的作用，會(huì)使附近的電阻迅速發(fā)生變化，弧光電阻將會(huì)逐步接近0歐姆，故障電流將相繼發(fā)生平方關(guān)系的變化，能量公式P=I2t從上述能量積聚效應(yīng)中可看出，弧光的危害，直接與故障電流和燃弧時(shí)間有關(guān)。如下圖所示：
從上圖中可以看出，只有總切除時(shí)間小于100ms，才能保證設(shè)備不受結(jié)構(gòu)性損失。以下為各種燃弧時(shí)間下對(duì)設(shè)備造成的損壞程度一覽表：
1.2基本原理及組成
KZMGB是一個(gè)模塊化系統(tǒng)，包括主控單元、電流單元、弧光擴(kuò)展器和弧光單元、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：
由于配置模塊化，系統(tǒng)適合于各種不同場(chǎng)合的電弧光保護(hù)應(yīng)用, 從只有一個(gè)主控單元的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，到包含多個(gè)單元能用于選擇性電弧光保護(hù)的復(fù)雜解決方案。
系統(tǒng)采用光纖星型連接方式，主控單元和電流單元、主控單元和弧光單元、主控單元和弧光擴(kuò)展單元、弧光單元和弧光擴(kuò)展單元之間采用單模通信光纜連接。
主控單元和弧光探頭、弧光單元和弧光探頭之間采用專用光纜連接。本系統(tǒng)通過主控單元和站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)通信，主控單元可選配2路以太網(wǎng)或2路CAN網(wǎng)，通信規(guī)約支持部頒IEC60870-5-103標(biāo)準(zhǔn)，可方便地接入站內(nèi)綜自系統(tǒng)。
系統(tǒng)原理說明
變低開關(guān)與饋線開關(guān)母線室，母線上其他間隔(PT柜、隔離柜等)屬于母線范疇。每個(gè)間隔安裝弧光傳感器，直接或通過擴(kuò)展器接入主控單元;變低、分段開關(guān)CT直接或通過電流單元接入主控單元;主控單元直接或通過電流單元跳變低、分段開關(guān)。
◇系統(tǒng)分列運(yùn)行：
若d1位置發(fā)生故障，I母關(guān)聯(lián)弧光傳感器(S10…S1n)監(jiān)測(cè)到弧光動(dòng)作，且1#變低電流判據(jù)滿足，則I母區(qū)域弧光保護(hù)動(dòng)作，跳1#變低開關(guān)(Q2)，切除I母故障，若規(guī)定時(shí)間內(nèi)故障未切除，則啟動(dòng)弧光失靈保護(hù)，跳上級(jí)開關(guān)(Q1);
若d2位置發(fā)生故障，II母關(guān)聯(lián)弧光傳感器(S20…S2n)監(jiān)測(cè)到弧光動(dòng)作，且2#變低電流判據(jù)滿足，則II母區(qū)域弧光保護(hù)動(dòng)作，跳2#變低開關(guān)(Q4)，切除II母故障，若規(guī)定時(shí)間內(nèi)故障未切除，則啟動(dòng)弧光失靈保護(hù)，跳上級(jí)開關(guān)(Q3);
◇系統(tǒng)并列運(yùn)行：
由1#變帶兩段母線運(yùn)行時(shí)，若d1位置發(fā)生故障，I母關(guān)聯(lián)弧光傳感器(S10…S1n)監(jiān)測(cè)到弧光動(dòng)作，故障電流由1#變低流向故障點(diǎn)d1,而分段開關(guān)無流，1#變低電流判據(jù)滿足，分段開關(guān)電流判據(jù)不滿足，因此只有I母區(qū)域弧光保護(hù)動(dòng)作，跳1#變低開關(guān)(Q2)，分段開關(guān)弧光保護(hù)不動(dòng);若規(guī)定時(shí)間內(nèi)故障未切除，則啟動(dòng)弧光失靈保護(hù)，跳上級(jí)開關(guān)(Q1)。若d2位置發(fā)生故障，II母關(guān)聯(lián) 弧光傳感器(S20…S2n)監(jiān)測(cè)到弧光動(dòng)作，故障電流由1#變低經(jīng)過分段開關(guān)流向故障點(diǎn),1#變低和分段開關(guān)的電流判據(jù)均滿足，由于1#變低電流只關(guān)聯(lián)I母上弧光傳感器(S10…S1n),分段開關(guān)電流關(guān)聯(lián)I母、II母上所有弧光傳感器(S10…S1n、S20…S2n)，故分段開關(guān)的弧光保護(hù)動(dòng)作，跳開分段開關(guān)(Q5)，切除II母故障，I母仍然處于運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有選擇性的跳閘，若規(guī)定時(shí)間內(nèi)故障未切除，則啟動(dòng)弧光失靈保護(hù)，跳上級(jí)開關(guān)(Q1或Q2)。同樣由2#主變帶兩段母線運(yùn)行時(shí)情況同上近述。
1.3主要特點(diǎn)
1.3.1選擇性：弧光保護(hù)系統(tǒng)綜合弧光保護(hù)和高速通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，吸收弧光保護(hù)、失靈保護(hù)和電流保護(hù)的特點(diǎn)，是一種基于選擇性的快速保護(hù)系統(tǒng);
1.3.2可靠性：
◇優(yōu)秀的電磁兼容性能:弧光傳感器采用無源設(shè)計(jì);所有單元之間均采用光纖連接，弧光信號(hào)通過光纖進(jìn)入弧光采集單元，光電轉(zhuǎn)換在采集單元內(nèi)完成。整個(gè)系統(tǒng)可通過國(guó)標(biāo)及IEC最高等級(jí)電磁兼容試驗(yàn)，能夠應(yīng)用在各種復(fù)雜的電磁環(huán)境中;
◇多重判據(jù)：弧光保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為弧光和電流，系統(tǒng)可以整定為只檢測(cè)弧光、同時(shí)檢測(cè)弧光和過流兩種方式，檢測(cè)光強(qiáng)和電流門檻可整定，過電壓控制部分跟母線短路保護(hù)部分是相互通訊，相輔相成的，母線短路保護(hù)的失靈保護(hù)需要過電壓控制系統(tǒng)提供的零序電壓信號(hào)，過電壓控制系統(tǒng)通過母線短路保護(hù)提供的相電流信號(hào)也可以多一個(gè)判據(jù)，這樣彼此的判斷都能足夠準(zhǔn)確，進(jìn)一步提高裝置可靠性;
1.3.3靈敏性：KZMGB母線保護(hù)系統(tǒng)具備頻譜識(shí)別功能，能夠準(zhǔn)確識(shí)別電弧光特征光譜，有效區(qū)分日常工作環(huán)境中的反射陽(yáng)光、照明燈光、檢修用手電光等各種光源，避免其他光源對(duì)弧光保護(hù)系統(tǒng)的干擾，提高保護(hù)裝置動(dòng)作的靈敏性;
1.3.4速動(dòng)性：可以選擇電磁繼電器和固態(tài)繼電器兩種出口，電磁繼電器時(shí)出口時(shí)間不超過8ms,固態(tài)繼電器時(shí)出口時(shí)間不超過4ms,遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)母線保護(hù);
1.3.5智能化數(shù)據(jù)接口：可選配2路以太網(wǎng)或2路CAN網(wǎng)，可接入GPS同步對(duì)時(shí)，自適應(yīng)IRIG—B格式或秒脈沖方式;通信規(guī)約支持IEC61850和IEC60870-5-103標(biāo)準(zhǔn)，支持?jǐn)?shù)字化過程層IEC61850-9-2(SMV)和GOOSE高速通訊，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、過電壓控制系統(tǒng)的必要性原理及特點(diǎn)
2.1必要性
我國(guó)3~35kV系統(tǒng)存在如下幾種過電壓：斷路器開閉動(dòng)作過程產(chǎn)生的操作過電壓、單相接地時(shí)產(chǎn)生的弧光過電壓和雷擊時(shí)產(chǎn)生的大氣過電壓、諧振過電壓等。目前尚無針對(duì)這些過電壓的完整保護(hù)方案，經(jīng)常會(huì)發(fā)生電纜放炮、電動(dòng)機(jī)絕緣擊穿、避雷器爆炸和電壓互感器燒毀等事故。此類事故發(fā)生的原因，除了與系統(tǒng)中裝設(shè)的過電壓保護(hù)器產(chǎn)品的性能有關(guān)系外，系統(tǒng)本身的復(fù)雜性對(duì)過電壓有著重要的影響，對(duì)于不同的系統(tǒng)，使用過電壓保護(hù)產(chǎn)品時(shí)需要考慮系統(tǒng)輸電線路的類型、輸配電線路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)載的性質(zhì)和系統(tǒng)的接地方式等。
針對(duì)如此復(fù)雜的系統(tǒng)，難以孤立的使用某種或某幾種過電壓保護(hù)產(chǎn)品來全面抑制各種類型的系統(tǒng)過電壓，如避雷器、組合式過電壓保護(hù)器、消弧線圈及各種原理的消弧裝置以及PT消諧器等。盡管在這些系統(tǒng)中裝設(shè)各種過電壓保護(hù)產(chǎn)品，但因產(chǎn)品保護(hù)特性不能很好的匹配，而無法徹底有效地抑制系統(tǒng)過電壓，同一系統(tǒng)中裝設(shè)不同廠家的過電壓保護(hù)器產(chǎn)品更是如此。
針對(duì)目前中低壓系統(tǒng)過電壓防治的現(xiàn)狀，我公司研制生產(chǎn)了配電KZMGB母線保護(hù)及過電壓控制系統(tǒng)，該裝置可彌補(bǔ)系統(tǒng)中過電壓保護(hù)元件及裝置的不足，提升了系統(tǒng)的過電壓保護(hù)水平。
過電壓是形成電力系統(tǒng)母線短路一個(gè)重要原因，KZMGB母線短路保護(hù)及過電壓控制系統(tǒng)不僅可以預(yù)防因各種過電壓引起的母線短路，同時(shí)在形成短路之前能把系統(tǒng)過電壓限制在2.5倍相電壓以內(nèi)，減輕對(duì)設(shè)備的損壞。
2.2工作原理及特點(diǎn)
1、KZMGB采用本公司研制的專用過電壓抑制保護(hù)裝置，能夠抑制過電壓尖峰，該裝置采用動(dòng)態(tài)電阻氧化鋅閥片，能夠很大程度降低殘壓值，并且能夠消除系統(tǒng)過電壓時(shí)所產(chǎn)生的大量能量，有效的保證了裝置的自身安全，并且采用了特有的技術(shù)，可同時(shí)消除系統(tǒng)中的諧振過電壓、斷線過電壓等;
2、KZMGB采用了本公司專有技術(shù)，能與系統(tǒng)中的過電壓保護(hù)器及消弧裝置等配合使用，更加完善了系統(tǒng)中各種過電壓保護(hù)器的安全問題，并進(jìn)一步優(yōu)化了系統(tǒng)運(yùn)行，可以更好的消除系統(tǒng)過電壓保護(hù)死區(qū)。
3、KZMGB能根本的解決系統(tǒng)單相接地、諧振等因素而造成PT燒毀事故、有效的保證了電力系統(tǒng)的保護(hù)、測(cè)量事故的發(fā)生;
4、KZMGB使用了本公司特有綜合控制裝置，能夠?qū)⑾到y(tǒng)中的PT斷線，過電壓、低電壓、失壓、諧振等事故進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷處理;
5、KZMGB具備當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)PT斷線、過電壓、低電壓、失壓故障時(shí)，則裝置輸出相應(yīng)的開關(guān)量接點(diǎn)信號(hào)，用于報(bào)警;
6、KZMGB具有故障記憶功能，可實(shí)現(xiàn)最近20次歷史故障記錄;
7、中文液晶顯示，菜單式操作，方便使用;
8、KZMGB可以取代傳統(tǒng)的PT柜，性價(jià)比極高。
結(jié)構(gòu)示意圖
