PDS590系列电弧光保护系统使用说明书

PDS590系列

电弧光保护系统

使用手册

国电南京自动化股份有限公司

中国·南京

1简介

1．1 引言

众所周知，开关柜内部弧光短路故障是配电系统中一种非常严重的故障，它的发生往往会造成灾难性的后果，其内部电弧燃烧释放的巨大能量所产生的各种故障电弧效应，严重烧毁昂贵的开关设备，短路电流冲击可损坏主变压器，造成长时间停电。更严重的是，它还会造成附近工作人员的人身伤亡事故。

国外自20世纪60年代开始关注开关柜内部故障电弧对人员伤害的严重性，并对开关柜内部故障特性进行深入的实验研究。在90年代初开发出基于检测电弧光的中低压开关柜保护系统，并开始在电力系统，厂矿企业投入运行。近年来，在欧美一些国家，越来越多的用户采用电弧光保护作为中低压开关柜内部故障保护，并且在一些国家该保护装置已成为中，低压开关柜的标准配置。

国外的应用实验表明，电弧光保护系统除了最大限度地减轻开关设备的损坏程度及为附近工作人员提供人身保护外，还可大大减少开关柜内部故障造成的停电时间，因而对用户来说它的应用也具有很大的经济效益。

1.2 中低压开关柜内部故障特性分析

1.2.1故障电弧产生的原因

引起开关柜弧光短路故障的原因很多，一般分为以下五类

□绝缘故障主要是柜中绝缘材料爬距不足，未满足加强绝缘要求，在脏污环境，天气潮湿下发生绝缘故障。另外，由于绝缘材料材质缺陷，运行年限较长的开关柜，在强电磁场作

用下绝缘老化，也可能造成绝缘损坏而导致故障。

□载流回路不良由于一些接头截面不够，紧固螺栓松动，手车柜触头接触不良，在大电流流过时引起发热，冒火进而引起相间，相对地击穿等等。

□外来物体的进入如小动物（老鼠等）进入开关柜内部，或维修人员在工作完成后将工具遗留在开关柜内。

□认为操作错误如走错间隔，误操作，未对工作区域进行接地，未对工作区域进行验电等。

□系统方面的原因如系统容量增大，接地方式改变，电缆应用增多，保护及自控装置配置不当，系统谐振过电压等。

1.2.2故障电弧的特性及危害

开关柜发生内部弧光故障产生的短路功率可高达8-60MW，所产生的能量则主要与电弧的燃烧时间以及短路电流的平方值成正比，其他因素则包括柜体几何尺寸以及所使用的材料等等。

开关柜内部故障电弧燃烧所造成的故障效应包括压力效应，燃烧效应（热燃烧），辐射和声响效应。中压开关柜在发生内部电弧故障时，电弧温度可达到20000度，燃烧的电弧将周围的空气加热，引起空气膨胀，并在开关柜内部产生巨大的压力。开关柜的门可能被炸开，配电房建筑物的墙或天花板可能会倒塌。此外，压力也会使某些不牢固的部件从开关柜中抛出。电弧将使用电极材料熔化和蒸发，这些热量通过辐射形式使可燃烧材料（如运行维护人员的服装）着火，非可燃性材料热分解。同时高温高压气体，伴随电弧效应产生炽热的金属和非金属材料颗粒由柜体逸出，造成人身伤害，甚至引起火灾。发生弧光故障时产生的明亮弧光，还可能引起维护人员暂时性失明，巨大的声响效应可能引起休克，这都增加弧光故障伤害的危险性。总之，开关柜发生内部电弧故障，不论是对开发设备还是对附近的工作人员，其危险性都很大。

开关柜内部故障电弧燃烧所产生的能量，主要与短路故障电流及电弧燃烧的时间有关。

若电弧燃烧持续时间超过100ms，所释放的能量开始急剧增加，接着各种故障效应对开关设备的电缆，铜排以及钢材造成严重损坏。所以，从保护设备的角度来说，目前所普遍采用的变压器后备过流保护长达1.2-2.0s的动作时间，到保护动作，跳开断路器时，事故现场的开关柜已烧得面目全非，而事故故障电弧起始点已很难确定；如果在故障发生时附近有工作人员，特别是在开关柜门打开维修时，则电弧燃烧释放的巨大能量对人员的伤害也就不可避免了。

1.3 现有的开关柜内部故障保护方案

目前，在实际运行；中的中低压开关柜及母线故障保护方案只要有以下三种：

□变压器后备过流保护方案这是目前国内应用最广泛的中压母线保护方案。由于主变后备保护的动作时限必须与出线及分段开关的过流保护按阶梯原则配合以提供选择性，因而采用这种保护方案的母线故障的切除时间比较长，保护跳闸时间一般整定为1.5-2.0s,有的甚至长达2.0-2.6s。

显然它远不能满足在100ms内快速切除中压母线故障的要求。

□馈线过流保护闭锁变压器过流保护方案这是随着近年来微机过流保护在中压馈线的广泛应

这种保护方案的动作速度有了一定的提高，达到300-400ms，但它仍不能满足100ms切除中低压母线故障的要求。

□采用环流原理的高阻抗母线保护方案这是一种专用电流差动中压母线保护方案，在国外某些重要项目中有时采用。该保护的典型动作时间为35ms-60ms，这比上述两种方案快，总的故障清除时间大约在100ms左右，基本上满足动作快速性的要求。但这种保护方案的保护范围由于受到CT安装位置的限制而使保护范围受到限制，不能保护到电缆室的电缆接头部分，而该处却是故障概率较高的地方。此外，这种保护方案由于接线复杂，对CT的要求高，不能提供故障定位，并且安装在6-35KV母线上有很多困难，也很不经济等原因，因而也不适合中低压母线保护应用。

以上所述的三种中低压母线保护方案。均不能满足快速切除故障或保护覆盖范围的要求，迫切需要采用一种快速的，经济而适用性强的新型中低压母线保护系统，以解决中低压母线发生故障概率较高，延迟切除故障导致故障发展，扩大，从而造成巨大经济损失问题。

1.4电弧光保护工作原理

1.4.1电弧的检测方法

电弧保护的目的，是在发生电弧故障时通过限制电弧燃烧时间来保护附近工作人员及设备；。为此，电弧保护首先必须检测故障电弧，然后才能切断流过的故障电流。在中低开关柜内部故障保护中，一般是通过跳开断路器来切除故障使故障电弧熄灭的。

电弧燃烧时伴随着电光，声以及电磁波形式的辐射。通过分析电弧光，声波，红外线或无线电频率的辐射可以检测到电弧的存在，甚至连由电弧产生的压力波也已经用来检测它的存在。

然而，最广泛使用的方法还是通过检测电弧光来实现的。

1.4.2电弧光保护的工作原理

电弧光保护系统通过检测开关柜内部发生故障时发生的电弧光来判断是否发生故障。弧光是电弧的最明显且变化最快的特征物理量，因而电弧光保护具有超高速的动作性能，整套保护

的动作时间可保证在几毫秒以内。对开关柜内部故障保护来说，这种超高速动作性能是最重要的。

为了避免外界光干扰可能引发系统的误跳闸，在实际应用中往往还引过流闭锁信号，即只有同时检测到弧光信号及过流动作信号才发出跳闸指令切除故障，从而进一步提高保护系统动作的可靠性。

图1 系统原理图

1.5电弧光保护系统的作用

电弧光保护系统具有非常快的动作速度，其整套保护的动作时间在几毫秒以内，远快于传统母线保护方案。所以，对开关柜各单元室的总故障清除时间可控制在100ms以内。因此，在发生弧光故障，柜内压力和温度急剧增加以前，电弧光保护系统就可以发出跳闸指令切除供给的短路电流，使设备损坏及人员伤害的损失减小到最小。

对于中低压开关柜来说，以最快的速度切除故障意味着最大限度的限制电弧燃烧释放的能量，其益处是：

1. 保护附近工作人员免受电弧故障效应的伤害。

2. 开关柜内部部件的损坏限制到最小。

3. 大大减少开关设备损坏的维修费用。

4. 最大限度地减少用户的停电时间，可尽快恢复生产。

5. 对于使用年限很长需要进行改进的开关柜，采用电弧光保护可有效延长其使用寿

命，从而减少对开关设备的投资费用。

电弧光保护作为中低压母线保护，对配电系统还将提供以下益处：

1. 保护昂贵的主变压器或厂用变压器免受巨大的短路电流冲击而损坏。

2. 防止波及站用直流系统，避免事故扩大而造成的经济损失。

1.6 电弧光保护系统在国外的应用情况

系统在芬兰，瑞典，南非，美国等国家得到广泛的应用，其他国家和地区如中国，挪威，波兰，英国，法国，德国，荷兰，葡萄牙，澳大利亚，新西兰，墨西哥，阿根廷，科威特，马来西亚，新加坡等也有不少系统在运行。这些电弧光保护系统应用于400V-33KV中，低压开关柜及母线，应用领域遍及电力公司的各类发电厂的厂用电系统和配电变电站，工业系统的炼钢厂，金属冶炼厂，石油化工厂，造纸厂，造船长，塑料厂，矿山等供电系统以及电信，商业中心的配电系统。

2 PDS590系统介绍

2.1 PDS590系统组成

PDS590弧光保护系统是一个模块化系统，主要包括母线弧光保护主控单元（PDS591A/PDS591B）、母线弧光保护扩展单元（PDS591P）、馈线弧光保护主控单元1（PDS591C）、馈线弧光保护电流单元（PDS591M）和弧光传感器单元(PDS591S)等组件。

系统构成示意图如下图所示：

图2 PDS590弧光保护系统结构示意图

本系统配置模块化，可适合于各种不同场合的电弧光保护应用, 可以组成只有一个母线弧光保护单元的简单系统，也可以组成包含多个单元，能用于选择性电弧光保护的复杂系统。

本系统通过通讯管理装置和站内监控系统通信，母线弧光保护单元可选配1路485通讯、1路以太网+1路485通讯或2路485，通信规约支持部颁IEC60870-5-103、104和ModBus等常用通讯规约标准，亦可扩展IEC61850。方便地接入站内综自系统。

2.2 PDS590系统功能

2.2.1 主要保护功能

●弧光单判据速断保护

选择弧光单判据方式：

1)弧光动作门槛值范围：（5 ～20） klux或(1～10) mW/cm2；也可采用此区间

内的某个固定定值作为定值；

2)弧光整定误差：不超过±10%；

3)动作时间：≤10 ms。

●弧光过流双判据保护

1)选择电流、弧光双判据方式：

2)弧光动作门槛值范围：（5 ～20） klux或(1～10) mW/cm2；也可采用此区间

内的某个固定定值作为定值；

3)弧光整定误差：不超过±10%；

4)电流整定值范围：0.5 In～10 In；

5)电流整定误差：±5％；

6)动作时间（2倍电流整定值以上）：≤15 ms。

●断路器失灵保护

1)电流整定误差：不超过±2.5%或±0.02 In；

2)延时整定范围：50 ms～300 ms；误差：不超过20 ms。

2.2.2 主控单元其它功能

1)主控单元装置具有自检功能，包括装置硬件故障、软件故障等自检，自检回路

有继电器出口，当装置检测到本身硬件故障时，发出告警信号，同时闭锁整套

保护。硬件故障包括：采样回路故障、RAM出错、定值出错等。

2)主控单元装置具备运行、通信、跳闸、装置异常等状态指示。

3)主控单元装置具有显示时间、定值、配置、采集量、动作信息等信息，并有信

息查询功能。

4)主控单元装置具有断路器启动失灵保护，弧光保护动作时启动失灵保护。

5)主控单元装置具有预警功能，能够实时将电流及弧光越限信号传输至监控后

台，进行预警监视。

6)主控单元装置具有故障定位功能，及时准确的发出故障点所在位置。

7)主控单元装置提供通信接口，符合通信传输协议DL/T 667-1999、DL/T 860

（61850规约）或Modbus的有关规定。

2.3 PDS591A母线弧光保护主控单元

PDS591A母线弧光保护主控单元采用一体化设计，内置了电源模块、电流采集模块、光电转换模块及I/O模块，可实现直接采集直接控制。装置具备2路快速继电器和4路常规继电器输出。能够实现自检和故障闭锁。

2.3.1 PDS591A面板布置图

图3 PDS591A面板布置图

2.3.1.1指示灯

1“运行”灯为绿灯，装置正常运行时，每秒闪烁1次，如果闪烁不正常说明CPU处于不正常运行状态；

2“告警”灯为红灯，正常运行时熄灭，任一保护功能告警或装置自检出错时点亮。当装置做为备自投应用时, “告警”灯不起指示作用；

3“跳闸”灯为红灯，正常运行时熄灭，任一保护功能跳闸时点亮。

2.3.1.2键盘

键盘上共有九个按键和一个按钮，控制键包括“复归”、“确认”和“取消”；内容更改键包括“＋”和“－”；光标移动键包括“上”、“下”、“左”、“右”；还有一个专门用于复位装置的复位按键。其功能分述如下：

a) 复归键：主要用于对保护告警信号的复归，按下该键后，若保护告警消失，则装置面板上的“告警”灯将熄灭，同时告警输出信号将复归；

b) 确认键：主要用于对某项操作的确认或进入下级菜单，也可对某项操作进行确认。

c) 取消键：主要用于对所作操作的撤消或返回上级菜单，也可对某项操作进行取消。

d) “＋”、“－”键：具有修改功能，包括数值的增加和减少，或不同类型的选择。

“＋”：在“修改密码”、“修改日期”、“修改时间”等操作中，具有对光标所在位的数字加1功能；在控制字修改时则进行“投入”、“退出”等类似操作的转换；在定值修改中，具有按照特定步长增加定值的功能；

“—”：在“修改密码”、“修改日期”、“修改时间”等操作中，具有对光标所在位的数字减1功能；在控制字修改时则进行“退出”、“投入”等类似操作的转换。；在定值修改中，具有按照特定步长减少定值的功能；

e) ↑↓→←光标移动键：完成光标的移动。

“上键”：主要用于对页面中箭头的向上移动，按一下该键则箭头上移一个条目；对于连续的页面还具有翻页功能，当箭头指向该页面中的第一个条目时按下该键则显示与该页连续的上一页。

“下键”：主要用于对页面中箭头的向下移动，按一下该键则箭头下移一个条目；对于连续的页面还具有翻页功能，当箭头指向该页面中的最后一行条目时，若有下一页，则按下该键则显示与该页连续的下一页。

“左键”：在普通修改页面，按一下该键则光标左移一位；对于定值修改页面，该键定义为步长修改功能，每按一下，则步长自动放大10倍；

“右键”：在普通修改页面，按一下该键则光标右移一位；对于定值修改页面，该键定义为步长修改功能，每按一下，则步长自动缩小1/10。

2.3.2 PDS591A原理图

2.3.3 PDS591A端子接线图

2.3.3 PDS591A配置说明

PDS591A是母线弧光保护系统的核心部件，负责输入量的采集、测量、计算及逻辑判断，实现系统的各项保护逻辑、与站内监控系统通信、自检及其他辅助功能。

母线弧光保护主控单元硬件配置及功能见下表：

2.4 PDS591B母线弧光保护主控单元

装置采用一体化设计，内置了电源模块、电流采集模块、光电转换模块及I/O模块，可实现直接采集直接控制。装置具备2路快速继电器和4路常规继电器输出;能够实现自检和故障闭锁。

2.4.1 PDS591B面板布置图

图4 PDS591B面板布置图

2.4.2 PDS591B原理图

2.4.3 PDS591B端子接线图

2.4.3 PDS591B配置说明

PDS591B是母线弧光保护系统的核心部件，负责输入量的采集、测量、计算及逻辑判断，实现系统的各项保护逻辑、与站内监控系统通信、自检及其他辅助功能。

PDS591B硬件配置及功能见下表：

2.5 PDS591C馈线弧光保护单元

馈线开关柜下部的电缆连接头等部位是绝缘的薄弱环节，此处如发生单相对地击穿，短路电流会很小，传统的过流保护一般不易启动。而单相对地击穿很容易发展成为两相或三相对地短路，此时过流保护虽可以动作，但故障已经对设备造成了比较严重的损坏。而PDS591C馈线弧光保护以电弧光为保护判据，能够在单相对地燃弧时就发跳闸指令给馈线开关跳闸，使故障损失减少到最低，一般只需简单的恢复绝缘就能将设备重新投入运行，大大减少了停电时间和维修成本，具有很高的经济价值和很大的实用价值。

装置俯视图如下所示：

DI6+DI6-DI5+DI5-DI4+DI4-DI3+DI3-DI2+DI2-DI1+DI1-

DI1+DI1-DI2+DI2-DI3+DI3-DI4+DI4-DI5+DI5-DI6+DI6-DI7+DI7-DI8+DI8-DI9+DI9-DI10+DI10-DI11+DI11-DI12+DI12-

图5 PDS591C馈线弧光保护单元正视图

PDS591C馈线弧光保护主控单元，内置了电源模块、光电转换模块及I/O模块，可独立对单弧光判据做出判断，也可以通过电流单元（PDS591M）的配合来实现双判据。装置具备6路继电器器输出。可独立保护6路馈线，单独跳闸。能够实现自检和故障闭锁。弧光出口跳闸时间小于5ms。