電子傳感技術(shù)在弧光保護中的應(yīng)用研究

高霏霏

(宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械與汽車工程系，安徽 宣城 242000)

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電子傳感技術(shù)在弧光保護中的應(yīng)用研究

高霏霏

(宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械與汽車工程系，安徽 宣城 242000)

目前中低壓母線短路保護的應(yīng)用方案不能滿足開關(guān)柜內(nèi)部電弧光短路的保護要求，因而需要引進(jìn)新的專用于母線保護的方案，來解決電力系統(tǒng)及廠礦企業(yè)提高供電可靠性，減少停電時間的問題.電弧光保護技術(shù)在電力領(lǐng)域已經(jīng)趨于成熟并得到成功應(yīng)用.詳細(xì)給出了電子傳感器技術(shù)在弧光保護中的應(yīng)用策略和實驗方法.

電子傳感器；弧光保護技術(shù)；弧光故障

在出線或母線發(fā)生了單相接地故障時會產(chǎn)生電弧，此時接地點的容性電流很大，電弧在此電流下不能熄滅.電弧電阻又使短路電流低于過流速斷整定值，因此保護裝置的過流速斷保護不能動作，故障不能被快速切除，加上開關(guān)柜內(nèi)部由于各種原因?qū)е缕渌O(shè)備的絕緣水平又低，在這種情況下單相接地故障就會很快轉(zhuǎn)變?yōu)橄嚅g短路[1].電弧燃燒后，大量的能量被釋放出來，會導(dǎo)致點燃開關(guān)柜內(nèi)器件等各類故障電弧效應(yīng)，引起火災(zāi)等事故的發(fā)生，配電設(shè)備可能會被大面積損毀，甚至能夠破壞站內(nèi)的直流系統(tǒng)，斷流電路的沖擊可能會損壞主變壓器.如果事態(tài)進(jìn)一步發(fā)展，可能會導(dǎo)致輸電網(wǎng)事故，造成的損失將會非常巨大[2-3].更嚴(yán)重的是，還會造成現(xiàn)場工作人員的傷亡事故，造成災(zāi)難性的后果.

因此研究應(yīng)用弧光保護，進(jìn)而采取有效的保護措施解決弧光短路所造成的問題，來保證變壓器及母線開關(guān)設(shè)備的安全運行，在減少停電時間、維持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定以及經(jīng)濟損失降低方面都發(fā)揮出應(yīng)有的作用.本文重點研究電子傳感技術(shù)在弧光保護中的應(yīng)用，因為弧光傳感器可以布置在開關(guān)柜內(nèi)部任何位置，所以電弧光保護系統(tǒng)的保護范圍可以不受限制，可以覆蓋所要保護的任何范圍.

1　電弧光保護技術(shù)

1.1電弧光保護系統(tǒng)的原理

通過對弧光傳感器的物理位置進(jìn)行構(gòu)建，電弧光保護系統(tǒng)判斷，對開關(guān)柜內(nèi)部的弧光檢測來判斷是否發(fā)生了弧光故障.方法是利用弧光傳感器檢測電弧是否發(fā)生了明顯的變化，如果有明顯的變化，則通過傳感器將非電量信號電弧轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行處理，發(fā)出跳閘信號，實現(xiàn)對弧光故障的保護.

在實際應(yīng)用中，常常還引入過流信號來避免外界光干擾引起的誤跳閘.即要先檢測是否有弧光信號，如果存在有弧光信號，則再檢測電流是否有突變量，如果兩者同時滿足條件，就認(rèn)為發(fā)生了弧光故障，發(fā)跳閘指令來切除故障；即只檢測到弧光和電流突變其中之一時發(fā)報警信號，同時檢測到這兩種信號則發(fā)跳閘命令.兩者配合提高了系統(tǒng)的可靠性，防止系統(tǒng)誤動，其原理如圖1所示.弧光探頭的覆蓋范圍是由其分布決定的.同時通過對弧光探頭的位置信息進(jìn)行檢測，弧光保護系統(tǒng)可以實現(xiàn)故障定位功能，幫助尋找故障點并進(jìn)行維修.

圖1　電弧光保護原理示意圖

圖2　電弧光保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2電弧光保護系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

目前的電弧光保護系統(tǒng)，大多都采用了模塊化結(jié)構(gòu)，主要由主控單元、電流單元、弧光單元、擴展單元、弧光傳感器等多個模塊構(gòu)成，如圖2所示.

弧光傳感器至采集器一般采用塑料光纖傳輸弧光信號，電弧光的光電轉(zhuǎn)換在采集器內(nèi)完成.目前芬蘭VAMP公司采用電纜傳輸弧光信號，光電轉(zhuǎn)換在弧光傳感器內(nèi)完成[4].

主控單元：又叫主單元，用于管理、控制整套電弧光安全監(jiān)控系統(tǒng)，是整個電弧光保護系統(tǒng)的核心.同時還實現(xiàn)系統(tǒng)的各項保護邏輯、通信、自檢及其他輔助功能.

電流單元：在進(jìn)線電源開關(guān)柜中安裝的，對電源點電流信息可就地采集的同時實現(xiàn)系統(tǒng)就近跳閘即成為電流單元.通過光纜或電纜和主控單元高速通信都可以實現(xiàn)，但不同的是前者實時傳送給后者采集到的信息，后者傳送給前者控制命令.

弧光單元：用來解決主控單元的傳感器接口不夠用的問題.各個廠家弧光單元傳感器接口容量不一樣，一般為8～16個傳感器接口.在對弧光單元進(jìn)行安裝時，其安裝位置要靠近需要保護的位置，所以通常節(jié)省了光纖費用，僅需一對普通單模通信光纜即可完成弧光單元到主控單元的安裝.當(dāng)一些檢測點距離主控單元超過100 m時，使用通信光纜聯(lián)接弧光單元可以非常方便地對系統(tǒng)進(jìn)行擴展.

擴展單元：擴展單元主要用來擴展弧光傳感器或者跳閘出口的容量.

弧光傳感器：弧光傳感器主要分為兩類，一類為帶式光纖弧光傳感器，一類為探頭式弧光傳感器.[5]

2　弧光保護系統(tǒng)的試驗系統(tǒng)和方案

2.1弧光保護判據(jù)及電弧光傳感器測量精度的試驗方法[6]

2.1.1弧光單判據(jù)速斷保護試驗

測試配置如圖3所示.

測試方法：a)按圖3連接好；b)配置對應(yīng)的電弧光傳感器定值；c)打開理想光源，測試弧光保護裝置動作時間與可靠性.

2.1.2弧光過流雙判據(jù)保護試驗

測試配置如圖4所示.

測試方法：a)按圖4連接好；b)配置對應(yīng)的弧光傳感器定值；c)按過流保護測試要求配置對應(yīng)的電流定值；d)打開理想光源，測試弧光保護裝置動作時間與可靠性.

圖3　單判據(jù)測試配置圖

圖4　雙判據(jù)測試配置圖

2.1.3電弧光傳感器測量精度試驗

試驗器材：標(biāo)準(zhǔn)測試光源，照度檢測儀，封閉的黑色內(nèi)壁測試箱，被測弧光保護裝置.

試驗步驟如下：

a)在沒有干擾光的黑色內(nèi)壁測試箱內(nèi)，如圖5所示，安裝好標(biāo)準(zhǔn)測試光源，標(biāo)準(zhǔn)照度檢測儀傳感器，被測電弧光傳感器，將電弧光傳感器連接在弧光保護裝置上，配置如圖6所示；

圖5　弧光測試箱

圖6　電弧光傳感器測量精度試驗配置圖

b)將弧光保護裝置的動作邏輯設(shè)置為：僅檢測弧光；

c)打開標(biāo)準(zhǔn)測試光源，弧光傳感器未動作；

d)用推桿推動電弧光傳感器靠近光源，觀察弧光保護裝置動作情況；

e)當(dāng)弧光保護裝置可靠動作時，停止推桿移動，從標(biāo)準(zhǔn)照度檢測儀上讀取可靠動作值；

f)不斷按下裝置復(fù)歸按鈕，同時拖動推桿遠(yuǎn)離光源，當(dāng)裝置可靠不動作時，從標(biāo)準(zhǔn)照度檢測儀上讀取可靠不動作值；

g)重復(fù)上述步驟5～10次，記錄每次的試驗數(shù)據(jù)；

h)將試驗數(shù)據(jù)求平均值，作為本次測試的最終數(shù)據(jù).

2.2電弧光保護系統(tǒng)的試驗系統(tǒng)和方案

2.2.1檢測系統(tǒng)試驗平臺示意圖

圖7所示為弧光保護系統(tǒng)簡易測試平臺，用來對弧光保護系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的試驗[7].電源通過保護裝置和測試平臺連接，通過保護裝置對試驗平臺進(jìn)行保護.保護裝置主要是控制器和空氣開關(guān)等，其中控制器是用來從弧光保護終端處獲取控制信號，空氣開關(guān)作為保護使用.弧光保護終端傳感器包括電流單元和弧光單元，其中弧光單元又分為點狀和線狀兩種.電極A和電極B分別為電弧故障發(fā)生時的兩個觸頭，整個回路電阻大概在200 mΩ左右.弧光保護終端傳感器被放置在一個密封的試驗箱內(nèi)，通過兩個觸頭和保護裝置聯(lián)接，同時試驗箱可以用來產(chǎn)生故障電流.

2.2.2試驗分析

(1)試驗平臺的信號產(chǎn)生情況

如圖7所示的弧光保護系統(tǒng)試驗平臺中，只有200 mΩ以下，這已經(jīng)包括了電極A、B在內(nèi)的整個電阻.圖8為試驗獲得的電壓電流信號波形圖，實線為電流波形圖，虛線為電壓波形圖.圖示的電流電壓波形圖是對整個試驗回路的電能質(zhì)量進(jìn)行相應(yīng)處理后的波形圖，進(jìn)行處理的目的是為了減小諧波對試驗的影響.

圖7　弧光保護系統(tǒng)試驗平臺

圖8　電壓、電流信號波形圖

(2)弧光保護系統(tǒng)電流單元檢測情況

為了使三相電流達(dá)到一致的短路電流，可以通過調(diào)節(jié)電極的不同位置來實現(xiàn).圖9所示為具體的三相短路電流的波形，其中A相電流單元用Ia標(biāo)注，B相相電流單元用Ib標(biāo)注，C相電流單元用Ic標(biāo)注，A、B和C的觸發(fā)時間分別為3.1 ms、3.7 ms和3.6 ms.

圖9　三相短路電流波形圖

圖10　弧光故障時的波形和數(shù)據(jù)

(3)不同弧光單元檢測情況

弧光保護系統(tǒng)中，弧光單元可分為兩種，分別為點狀和線狀.其中前者的觸頭是點狀的，所以在使用該弧光單元時只能檢測一個點的弧光情況，后者是線狀的光纖，只要在其通過范圍之內(nèi)，所有的弧光情況都能被檢測到.

圖10為電流單元、點狀弧光單元、線狀弧光單元在發(fā)生弧光故障時監(jiān)測的一些具體波形和數(shù)據(jù).從波形圖上可以看出，在弧光單元飽和時，電流單元檢測到的短路電流還沒有達(dá)到最大，在弧光單元飽和后，短路電流上升的速度非?？?，很快就達(dá)到最大值，經(jīng)過4個周期后，故障被切除，此時短路電流為零.線狀弧光單元比點狀的衰減的更快，也更快到達(dá)零位.

3　結(jié)論

在弧光保護中電子傳感器的應(yīng)用能很大程度上改善保護系統(tǒng)的整體功能.因為傳感器可以布置在開關(guān)柜內(nèi)部任何位置，因此電弧光保護系統(tǒng)的保護范圍可以不受限制，能夠覆蓋所要保護的任何范圍.另外，通過檢測弧光信息，這種保護系統(tǒng)還可以提供一些輔助功能，比如故障定位，通過故障定位功能，能夠迅速定位故障點并進(jìn)行維修，盡快恢復(fù)供電.

[1]PADHYE J,FIROIU V,TOWNSLEY D,et al.Modelling TCP throughput:A simple model and its empirical validation[J].Communications Architectures and protocols,1998(8):304-314.

[2]MATHIS,SEMKE,MAHDANVI.The macroscopic behavior of the TCP congestion avoidance algorithm[J].Computer Communication Review,1997,27(3):1010-1021.

[3]李霞.電弧光保護系統(tǒng)在中低壓母線保護中的應(yīng)用[D].江西：南昌大學(xué)碩士論文，2007.

[4]丁心志，劉柱揆，畢志周，等.弧光保護系統(tǒng)測試技術(shù)研究[C].2012年云南電力技術(shù)論壇論文集,2012：168-171.

[5]田廣青.電弧光保護及其在中低壓開關(guān)柜和母線保護中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2004(5):51-53.

[6]張思.弧光保護誤動事故的分析及預(yù)防措施[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012(3)：19-23.

[7]龔偉.電子式電流互感器傳感頭的研究與設(shè)計[D].長沙：湖南大學(xué)，2009.

[責(zé)任編輯王新奇]

Research on Application of Electronic Sensing Technology in Arc Protection

GAO Fei-fei

(Department of Mechanical and Automotive Engineering, Xuancheng Vocational and Technical College, Xuancheng 242000, China)

The current application program of short circuit protection of medium and low voltage busbar cannot meet the requirements of the protection of switchgear arc short circuit. Therefore, a new scheme for busbar protection need to be introduced to solve the problems of improving the reliability of power supply for power system and industrial enterprises and reducing outage time. Arc protection technology in electric power field has matured and applied successfully. The application strategy and experimental method of electronic sensor technology in arc protection is given in detail.

electronic sensor; arc protection technology; arc fault

1008-5564(2016)02-0028-05

2015-11-06

高霏霏(1983—)，女，安徽宣城人，宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械與汽車工程系講師，碩士，主要從事電子通信研究.

TP212.6

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