張亮,張認(rèn)成,吳仕平,蔡潔

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院,福建泉州362021)

利用弧聲信號的電弧預(yù)警保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張亮,張認(rèn)成,吳仕平,蔡潔

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院,福建泉州362021)

基于開關(guān)柜電壓在電弧故障時(shí)電壓變化率在零區(qū)時(shí)最大的規(guī)律,研制一種弧聲信號的電弧預(yù)警保護(hù)系統(tǒng).根據(jù)電弧發(fā)生燃弧現(xiàn)象之前會有比較明顯的弧聲信號的情況,用相應(yīng)的聲音傳感器將電弧聲音從復(fù)雜的背景噪聲中提取出來,經(jīng)過信號調(diào)理電路和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的運(yùn)算,設(shè)定合適的幅值閾值,實(shí)現(xiàn)對故障電弧的報(bào)警.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的電弧預(yù)警保護(hù)系統(tǒng)效果良好.

故障電弧;開關(guān)柜;弧聲;預(yù)警;電壓

開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧是配電系統(tǒng)中一種非常嚴(yán)重的故障[1].故障電弧一旦產(chǎn)生,將會通過各種效應(yīng),釋放出巨大的聲、光、電、熱等能量,輕則使母線燒毀、開關(guān)設(shè)備報(bào)廢、變壓器損壞,重則引起燃燒爆炸,危及人身安全,造成重大的社會經(jīng)濟(jì)問題[2].因此,研究故障電弧的早期探測方法,降低故障電弧產(chǎn)生的危害和幾率,具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義.目前的很多種母線保護(hù)措施,其響應(yīng)時(shí)間都超過ICE 298標(biāo)準(zhǔn)附錄中規(guī)定的中低壓開關(guān)柜內(nèi)部耐受的最大燃弧時(shí)間100 m s,容易造成誤判和漏判,無法滿足快速性和可靠性.本文以燃弧伴生的弧聲信號為判據(jù),建立了一種故障電弧預(yù)警保護(hù)系統(tǒng).

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of the system

1 系統(tǒng)原理

電弧預(yù)警保護(hù)系統(tǒng)是基于開關(guān)柜電壓在電弧故障時(shí),其電壓變化率在零區(qū)時(shí)出現(xiàn)最大的規(guī)律,如圖1所示.

首先,將采集到的弧聲信號變換并放大、濾波.用濾波器對電壓信號的諧波進(jìn)行處理后輸至脈沖成型器,將電壓的突降信息變成脈沖.該脈沖經(jīng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器后形成恒定幅值、寬度不變的脈沖,輸至積分器進(jìn)行積分輸出值,然后至比較器.當(dāng)積分器輸出幅值超過比較器的設(shè)定值時(shí),啟動線路,經(jīng)延時(shí)后發(fā)出脫扣信號,故障電弧的上游斷路器分閘,從而實(shí)現(xiàn)對故障電弧的預(yù)警保護(hù).

2 實(shí)驗(yàn)平臺的建立

為了研究在多種復(fù)雜因素下伴生弧聲信號的內(nèi)在特征,建立一個(gè)適合多種類型放電的試驗(yàn)系統(tǒng).故障電弧探測實(shí)驗(yàn)平臺,主要由電弧放電發(fā)生裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成.

數(shù)據(jù)采集是溝通實(shí)驗(yàn)平臺和信號處理模塊之間的橋梁.它采用支持DMA方式和雙緩沖區(qū)模式的PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡(美國N I公司),保證了實(shí)時(shí)信號不間斷采集與存儲.該數(shù)據(jù)采集卡的主要參數(shù): (1)16路單端/8路差分模擬輸入;(2)采樣速率為200 k Hz·s-1;(3)輸入精度為12 bits;(4)輸入范圍:-10～10 V,-5～5 V,-1～1 V,-0.05～0.05 V;(5)輸入增益為1,10,100;(6)8個(gè)數(shù)字I/O; (7)2個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;(8)采樣精度0.008 m V.

圖2 電弧放電實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Experimental setup layout of arc discharge

電弧產(chǎn)生裝置由輕型高壓試驗(yàn)變壓器、控制箱和放電裝置構(gòu)成,如圖2所示.圖2中,控制箱可以調(diào)節(jié)電極間電壓,調(diào)節(jié)范圍為0～50 kV.在實(shí)驗(yàn)過程中,當(dāng)輕型高壓試驗(yàn)變壓器兩級電壓均勻升高到一定程度時(shí),在兩個(gè)放電電極間就會產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象.為了模擬實(shí)際放電情況,電極有棒形、錐形、球形3種形狀,可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更換.

3 結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn),設(shè)置電極間距為90 mm,不斷增大電極間電壓,會有弧聲和燃弧現(xiàn)象的產(chǎn)生.這個(gè)弧聲是很有規(guī)律的,弧聲信號中心頻率不隨外界環(huán)境的改變而改變[3].通過對采樣弧聲信號的頻譜分析,可以知道弧聲頻率在5.2～9.8 k Hz之間,中心頻率在7.5 k Hz左右.

當(dāng)放電電極選擇針型電極,極間間距為90 mm時(shí),不斷增大電極電壓,其弧聲采樣頻率為60 k Hz的頻譜圖,如圖3所示.從圖3可知,當(dāng)電極間電壓從0 kV逐漸增加到16 kV時(shí),電極間的絕緣介質(zhì)沒有被電壓擊穿,沒有產(chǎn)生弧聲信號;當(dāng)電壓增量到30 kV,雖然無法觀測到弧光的產(chǎn)生,但形成弧光前的電弧聲音已經(jīng)產(chǎn)生.隨著電壓的不斷增大,電弧聲音信號越來越明顯,最后,兩極間絕緣介質(zhì)被徹底擊穿,故障電弧產(chǎn)生.此時(shí),電弧聲仍然存在,并伴隨有強(qiáng)電流產(chǎn)生,兩極間發(fā)出白色眩目的拉弧現(xiàn)象.

從多種放電電極類型在不同電極間距、電極電壓等不同環(huán)境下的頻譜圖[3]可知,電弧聲音將會在發(fā)生故障電弧的早期產(chǎn)生,信號頻率帶寬為5～8 kHz.通過檢測這段頻率的聲音信號是否產(chǎn)生,可以預(yù)測和診斷故障電弧的發(fā)生.

圖3 錐形電極的能量頻譜密度圖Fig.3 Energy spectral density map of conical electrode

4 系統(tǒng)的模擬與開發(fā)

電弧預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,如圖4所示.在模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)兩極間電壓達(dá)到30 kV左右時(shí),開始產(chǎn)生電弧聲;當(dāng)電極電壓達(dá)到45 kV左右時(shí),電極間開始放電,產(chǎn)生燃弧現(xiàn)象[3].放電時(shí)刻產(chǎn)生短路電流,弧聲,弧光等伴生信號都有明顯的變化,如圖5所示.

圖5 伴生信號的波形 Fig.5 Waveform of associated signal

圖4 電弧預(yù)警和報(bào)警系統(tǒng)Fig.4 A rcing early warning and warning system

利用聲音傳感器把外界聲音信號采集進(jìn)來,經(jīng)過調(diào)理電路將被測信號調(diào)理成-5～+5 V輸入信號,送入數(shù)據(jù)采集卡,轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的數(shù)字信號.然后,由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)分析、計(jì)算、輸出處理、顯示圖形,從而實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能.

由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境噪聲的影響很大,電弧弧聲常常淹沒在強(qiáng)背景噪聲中.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),電弧聲信號中心頻率不隨外界環(huán)境的改變而改變,通過對采樣弧聲信號的頻譜分析,可以知道電弧弧聲的中心頻率在7.5 k Hz左右.預(yù)警程序是在Lab V IEW平臺上完成的.將現(xiàn)場采集的聲音信號輸入到構(gòu)造完整的檢測系統(tǒng)中,利用濾波提取出頻率在7.5 Hz左右的聲音信號,進(jìn)行能量求解.將結(jié)果與初始設(shè)定的閾值比較,若大于這個(gè)閾值,則提取出的聲音信號是弧聲信號,發(fā)出警報(bào);若小于閾值,則提取出的聲音信號中沒有弧聲信號,不發(fā)出警報(bào)[4].

當(dāng)兩極之間電壓增大到45 kV時(shí),兩極間開始放電,同時(shí)伴隨弧光信號和電流信號的產(chǎn)生.利用霍爾電流傳感器和光電探測器,將這兩路信號接入硬件電路中,經(jīng)過放大和比較電路,實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能.由于電流和弧光是同時(shí)發(fā)生,為了避免系統(tǒng)誤判和漏判,在兩路之間加一個(gè)邏輯與門,利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)[5],當(dāng)弧聲的兩種特征信息都存在時(shí),將發(fā)出報(bào)警.

3 結(jié)論

在故障電弧保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)中加入弧聲預(yù)警機(jī)制,可及時(shí)排除電路故障,為故障電弧報(bào)警和切除提供可靠的依據(jù),避免不必要的斷電和滿足故障電弧快速報(bào)警.例如,目前的母線保護(hù)方案報(bào)警時(shí)間在300 m s左右,而弧聲預(yù)警在7 m s內(nèi)可以發(fā)出報(bào)警信號,加上斷路器35～60 m s的跳閘時(shí)間,可以滿足在100 m s內(nèi)切除故障電弧的要求.實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)是可行的,能滿足中低壓開關(guān)柜的故障電弧監(jiān)測要求.

[1] LAND H B,EDD INSC L,GAUTH IER L R,et al.Design of a senso r to p redict arcing faults in nuclear sw itchgear [J].IEEE Trans on Nuclear Science,2003,50(4):1161-1165.

[2] 王冠宇.微弱信號檢測的理論研究及實(shí)踐[D].杭州:浙江大學(xué),1998:14-29.

[3] ZHANG Ren-cheng,YANGJian-hong,DU Jian-hua.Study on in-p rocess detection and diagnosis of faults arc based on early sounds signature and intermittent chaos[J].Key Engineering Materials,2008,381/382:611-614.

[4] 蔡彬,陳德桂,吳銳,等.開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧的在線檢測和保護(hù)裝置[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2005,20(10):83-87.

[5] 仲啟樹,張認(rèn)成,杜建華.數(shù)據(jù)融合技術(shù)在火災(zāi)早期探測中的應(yīng)用[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,29(1):11-13.

Design of Arcing Early Warn ing and Protective System Using Arc Sound Signal

ZHANG Liang,ZHANG Ren-cheng, WU Shi-ping,CA IJie
(College of Mechanical Engineering and Automation,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

An arcing early warning and p rotective system using arc sound signa is designed,based on zero zone’s largest rule of the change rateof sw itchboard voltage in arc fault.Acco rding to the fact that there exists arc sound more obviously befo re its burning,the arc sound was picked up from the complicated background noise using the corresponding sound senso rs.Then,the app rop riate amp litude threshold valueswere established by signal conditioning circuitsand the calculation of computer software system s to realize the early warning of fault arc.Experimental results have p roven the good effectsof the designed arcing early warning and p rotective system.

fault arc;sw itchboard;arc sound;early warning;voltage

TM 560.1+2;TM 711

A

(責(zé)任編輯:陳志賢 英文審校:鄭亞青)

1000-5013(2010)05-0496-03

2008-12-24

張認(rèn)成(1961-),男,教授,主要從事現(xiàn)代檢測技術(shù)、信號實(shí)時(shí)獲得與特征提取的研究.E-mail:phzzrc@ hqu.edu.cn.

福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2009H0031)