一種新型高壓開關(guān)柜弧光檢測與保護方案設(shè)計

楊 奕，廖仕利，張柏年，陳鴻君

(重慶理工大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，重慶 400054)

高壓開關(guān)柜主要用于大型電站、電力公司對電源進行有效的變壓輸送。近年來，大功率的用電造成的電廠電力事故的原因是高壓開關(guān)柜由于溫度過高以及弧光故障使系統(tǒng)短路。高壓開關(guān)柜內(nèi)部電弧燃燒產(chǎn)生的巨大能量可引起火災(zāi)、輻射等安全事故，造成人員傷害和經(jīng)濟損失。國外在20世紀(jì)90年代初開始研究電弧光現(xiàn)象的危害機理，并研制開發(fā)了各種保護措施。《2013年中國電弧光保護系統(tǒng)市場調(diào)查研究報告》指出，現(xiàn)階段中國對電弧光保護系統(tǒng)的研究處于關(guān)鍵時期，該領(lǐng)域研究空間大，經(jīng)濟效益好，發(fā)展前景廣。本文通過對高壓開關(guān)柜內(nèi)部電弧光機理進行研究，提出了一種新型的弧光保護系統(tǒng)，克服了目前弧光保護動作時間長的缺點。

1 弧光機理特性分析

1.1 電弧產(chǎn)生原因

電路元器件損壞:電力設(shè)備長期工作在強電壓、高溫的環(huán)境下，設(shè)備本身或者內(nèi)部元器件會有一定的老化或者磨損，很容易發(fā)生電力事故，從而造成損失。

開光內(nèi)部絕緣層破壞:①開光柜中絕緣材料的爬距不滿足絕緣要求，在周圍環(huán)境惡劣的條件下會發(fā)生絕緣事故;② 開關(guān)柜自身絕緣材料材質(zhì)差，電力設(shè)備運行時間長，造成絕緣層老化引起故障。

外在原因:在對電力設(shè)備進行維護時，工作人員對部分工作區(qū)域檢測時誤操作、忘記維護設(shè)備等。

開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生過電壓:由電網(wǎng)內(nèi)開關(guān)操作引起，特點是具有隨機性，在最不利情況下過電壓倍數(shù)較高，過高的電壓容易造成事故的發(fā)生。

1.2 弧光保護機理現(xiàn)狀分析

目前對高壓開關(guān)柜弧光保護的主流方式有3種，分別為檢測弧光信號、檢測電流諧波或者檢測溫度。這3種檢測信號的切除時間對設(shè)備影響如圖1所示。

弧光檢測保護針對配電柜內(nèi)部電流短路等原因造成的故障。系統(tǒng)對產(chǎn)生電弧光信號進行檢測，一旦檢測到立即啟動保護裝置。這種方式作用時間為1.0 ～2.5 s，作用時間較長，且放射的能量較多，會引起火災(zāi)等災(zāi)害。通過圖1可以發(fā)現(xiàn)，在100 ms之內(nèi)顯然無法快速切除母線故障。

圖1 不同檢測方法切除時間對設(shè)備的影響

電流諧波檢測是在弧光檢測的基礎(chǔ)上提出的一種保護方式。系統(tǒng)產(chǎn)生弧光時，作用不明顯，弧光保護系統(tǒng)很難判別出來，電流檢測保護解決了這一問題。電流諧波檢測測得信號后啟動保護裝置的時間略長，同時系統(tǒng)發(fā)生故障時產(chǎn)生的這種信號是隨機的，對配電柜的保護是單一方面的。

溫度檢測是對配電柜內(nèi)部的實時監(jiān)控，當(dāng)溫度值高于預(yù)設(shè)值時啟動保護裝置對系統(tǒng)進行保護。該保護措施作用時間較長。

1.3 一種新型弧光保護方案

通過分析比較發(fā)現(xiàn)，上述3種方案都存在一定缺陷，雖然目前也有少部分保護采用的是同時檢測兩種信號(同時檢測弧光和諧波或者弧光和溫度)，但是通過圖1可以看出，該方式也會存在延遲和判別現(xiàn)象。本文考慮3種方案的特點，提出一種新型的配電柜保護方案，采用3種傳感器同時檢測3種信號，并通過光纖傳輸檢測信號進行故障判斷與保護。本方案既解決了作用時間長的問題，也形成了對配電柜立體式的保護，成本較低，實用性強，減少了配電柜內(nèi)部故障的發(fā)生。

2 電弧光檢測與保護系統(tǒng)方案

圖2為總體方案設(shè)計及系統(tǒng)方框圖。弧光保護系統(tǒng)主要由微處理器STM32F103構(gòu)成的主控單元、電流檢測單元、弧光檢測單元、溫度檢測單元組成。溫度檢測單元主要采用PerkinElmer公司生產(chǎn)的TPS534紅外溫度傳感器，弧光檢測單元采用由紫外光的弧光探頭構(gòu)成的光纖電弧傳感器裝置，電流檢測單元采用霍爾電流傳感器。

由溫度檢測單元、弧光檢測單元與電流檢測單元分別檢測開關(guān)柜內(nèi)部溫度及發(fā)生故障時產(chǎn)生的電弧光與過流信號。檢測的信號由光電發(fā)射裝置處理，經(jīng)光纖傳輸，光電接收裝置將光信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，對電壓信號放大濾波，傳輸?shù)娇刂坪诵腟TM32F103。微處理器對信號進行分析處理、判斷后發(fā)出預(yù)警信號，顯示溫度示數(shù)，同時將輸出信號經(jīng)光電收發(fā)裝置傳輸?shù)奖Ｗo裝置，對開關(guān)柜進行實時有效的保護。

圖2 電弧光保護系統(tǒng)總體方案設(shè)計及系統(tǒng)方框圖

2.1 電弧光檢測原理分析

通過對電弧光光譜的分析，300～450 nm的紫外光波段和450～800 nm的可見光波段是電弧光的能量積聚所在，并且電弧光中80%以上均為紫外光。

若采用傳統(tǒng)的光傳感器，由于在日常生活中突發(fā)性的光源較多，可能產(chǎn)生干擾光源而使弧光保護裝置發(fā)生誤動。采用專門的紫外弧光探頭則可以避免環(huán)境中可見光引起的不穩(wěn)定情況。

當(dāng)產(chǎn)生電弧光信號后，傳感器將檢測到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號傳輸?shù)焦怆娛瞻l(fā)裝置，轉(zhuǎn)化關(guān)系如下:

其中:h為普朗克常數(shù)，h=6.626 ×10－34(J·s);v為光的頻率(s－1)。

其中:m為電子質(zhì)量;vo為電子逸出速度。

光電轉(zhuǎn)換效率為

光電效率IPCE與光捕獲效率LHE(l)、電子注入量子效率finj以及注入電子在納米晶膜與導(dǎo)電玻璃的后接觸面上的收集效率fc有關(guān)，其公式如下:

通過電弧光光譜分析可知，電弧光中80%以上均為紫外光。傳統(tǒng)的電弧光傳感器采集的光源中大多數(shù)以可見光為主，在日常生活中突發(fā)性的光源較多，例如雷電產(chǎn)生的光、閃光燈等?；趥鹘y(tǒng)可見光采集弧光傳感器可能采集到干擾光源，促使弧光保護裝置發(fā)生誤動。經(jīng)過計算分析發(fā)現(xiàn)，采用紫外弧光探頭可以避免環(huán)境中可見光引起的不穩(wěn)定性情況，采集光信號強度高，轉(zhuǎn)換電信號精度高。

2.2 過流信號檢測原理分析

霍爾電流電壓傳感器是根據(jù)霍爾原理制成的一種檢測電流的元件。電流通過導(dǎo)線時會在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場B，磁場的大小與通過導(dǎo)線的電流成正比。在磁場B中放置霍爾器件，電路中產(chǎn)生的電流I提供給霍爾器件的兩端，霍爾器件的另外兩端會輸出一個霍爾電壓Uh。輸入電流I與輸出電壓Uh滿足下面的式子:

式中:KH為霍爾系數(shù);θ為電流與磁場的夾角。

霍爾器件是采用半導(dǎo)體材料制作而成的一種磁與電之間轉(zhuǎn)換的元器件。在輸入端提供控制電流IC，讓磁場B通過霍爾器件感應(yīng)磁場的一面，則在霍爾器件的輸出端產(chǎn)生霍爾電勢VH。

霍爾電勢VH的大小與控制電流IC、磁通密度B的關(guān)系如下:

由理論分析可以得出:電流傳感器是電－磁－電的絕緣隔離轉(zhuǎn)換，測量高壓開關(guān)柜中電流信號的大小可以通過測量霍爾電勢大小反映出來，且測量精度較高。利用霍爾電流傳感器可以對高壓開關(guān)柜內(nèi)部的電流信號大小進行檢測。

2.3 電光、光電信號轉(zhuǎn)換原理

光纖傳輸信號具有傳輸頻帶寬、通信容量大、損耗低、抗干擾強等優(yōu)點。光纖傳輸過程中采用光電收發(fā)裝置。光電收發(fā)裝置由光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片、光信號接口和電信號接口組成，其中光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片OEMC為該裝置的核心控件，其兼容性強。光電轉(zhuǎn)換電路將采集到的電信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為光信號，由光電發(fā)射裝置發(fā)射光信號，通過光纖傳輸，經(jīng)過接收裝置后由光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)放大濾波傳輸?shù)胶诵目刂铺幚黼娐?。電光、光電信號轉(zhuǎn)換原理見圖3。

圖3 電光、光電信號轉(zhuǎn)換原理

2.4 弧光保護設(shè)計

系統(tǒng)保護電路采用斷路器失靈保護。電力系統(tǒng)中母線連接元件上發(fā)生短路等電力故障時，若斷路器未能正確地啟動斷路保護，則微處理器STM32F103會傳輸指令驅(qū)動失靈保護裝置及時斷開電源。失靈保護由電壓閉鎖元件、保護動作與電流判別構(gòu)成的啟動回路，時間元件及跳閘出口回路組成。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)核心軟件主要有溫度檢測控制單元、弧光保護控制單元和電流諧波檢測單元。在溫度檢測控制單元中，溫度信號經(jīng)霍爾傳感器采集到溫度控制單元后，經(jīng)光纖收發(fā)裝置轉(zhuǎn)換，放大、濾波后在控制核心單元中將輸出信號與預(yù)設(shè)值進行比較。若溫度過高，則系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號并顯示溫度，工作人員對高壓開關(guān)柜故障發(fā)生部位進行維護和保修，從而保證開關(guān)柜正常工作。在弧光保護控制單元、電流諧波檢測單元中，系統(tǒng)初始化后，若未檢測到電弧光或電流諧波，則指示燈發(fā)亮，系統(tǒng)正常工作;當(dāng)電弧光傳感器采集到電弧光信號或者電流諧波信號后，系統(tǒng)開始工作，對采集到的信號經(jīng)過放大、濾波、判斷處理后，信號被最終傳輸?shù)街骺睾诵倪M行比對分析，控制核心發(fā)出指令進行斷電保護。溫度預(yù)警流程和弧光采集流程分別見圖4、5所示。

圖4 溫度預(yù)警流程

圖5 弧光采集流程

4 數(shù)據(jù)測試

4.1 部分核心控制單元測試

1)溫度預(yù)警測試

溫度檢測采用調(diào)壓變壓器供電，通過調(diào)節(jié)加熱帶電壓使其所附銅線排的溫度隨之變化。實驗室測試平臺由調(diào)壓變壓器、3個不同寬度的銅排(8 cm，s cm，4 cm)、3 個不同寬度的鋁排(8 cm，s cm，4 cm)、1條加熱帶組成，可模擬10～150℃的溫度環(huán)境。溫度傳感器可用于監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)部的重要部件(如母線、元件、保護元件)的溫度，在超過其整定值時主報警器會發(fā)出報警信號。

2)弧光保護機制測試

在針對弧光保護機制的測試中，電弧光在實驗室很難模擬，故采用不同型號的燈泡和紫外光發(fā)生器來提供不同的光質(zhì)，測試弧光保護機制系統(tǒng)的斷電保護功能和最好的光質(zhì)條件，并進行參數(shù)最優(yōu)設(shè)置。

4.2 測試結(jié)果

在系統(tǒng)測試中，模擬采用SZ11－1250KVA有載調(diào)壓變壓器調(diào)制不同溫度環(huán)境下的電壓值來觀察該系統(tǒng)是否能正常運行。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超過100℃時系統(tǒng)發(fā)生預(yù)警。

不同溫度環(huán)境中，系統(tǒng)預(yù)警發(fā)生的情況見表1。

表1 不同溫度環(huán)境中系統(tǒng)預(yù)警發(fā)生情況

在不同的光質(zhì)的情況下，該系統(tǒng)的斷電情況見表2。

表2 不同光質(zhì)情況中系統(tǒng)斷電情況

與普通保護裝置動作時間比較，該系統(tǒng)斷電保護的時間見表3。

表3 弧光保護與普通繼電保護的斷電保護時間比較

4.3 測試結(jié)果分析

測試結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠在不同溫度、不同光強度環(huán)境中預(yù)警和實現(xiàn)斷電保護電路。當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生弧光或者過流信號時，該系統(tǒng)能夠在4 ms的時間內(nèi)瞬時對電源進行自動斷電保護;當(dāng)溫度高于110℃時，系統(tǒng)啟動預(yù)警功能，發(fā)出警報，工作人員對故障進行維修。

5 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代光電子的發(fā)展，各種母線保護技術(shù)層出不窮，弧光保護作為一種新型的高壓開關(guān)柜保護措施具有廣闊的發(fā)展前景。

本文設(shè)計的保護方案有利于保障大型供電公司中電力設(shè)備的安全運行，為避免高壓開關(guān)柜、母線和其他變電設(shè)備中產(chǎn)生電弧光故障提供了可靠的保障，同時降低了對輸電設(shè)備的損害和工作人員生命安全的威脅，保障了供電電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，提高了輸電效率，減少了經(jīng)濟損失。

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