郜世杰，羅寧昭

（1.海軍駐廣州427廠軍事代表室，廣東廣州 510715；2.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430033）

船用中壓變壓器電弧故障檢測方法研究

郜世杰1，羅寧昭2

（1.海軍駐廣州427廠軍事代表室，廣東廣州 510715；2.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430033）

通過分析各種故障電弧檢測技術(shù)方案，確定基于弧光的電弧檢測方法適合船舶中壓變壓器，該檢測方法可靠性高、速度快，能夠滿足船用環(huán)境要求。

中壓變壓器；電弧檢測

0 引言

電弧是一種由電流通過介質(zhì)所產(chǎn)生的瞬間氣體放電現(xiàn)象，過程中產(chǎn)生的游離導(dǎo)電氣體具有溫度很高、導(dǎo)電電流小且持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)。產(chǎn)生的巨大熱量，會(huì)引起周圍其他介質(zhì)的燃燒，從而造成火災(zāi)以及爆炸。有專業(yè)數(shù)據(jù)顯示，約有30%的火災(zāi)是由建筑中輸配電設(shè)施的老化或者不合理而造成的，且隨著自然損耗及人為因素，這個(gè)數(shù)據(jù)在以平均每年1%的速度持續(xù)上升；對(duì)于個(gè)體，人們?cè)谑褂貌遄鍟r(shí)約有6.6%的人曾有過被電擊的經(jīng)歷。美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）在分析商業(yè)飛機(jī)事故過程中發(fā)現(xiàn)，電氣故障是引起諸多事故中的一個(gè)主要問題；同時(shí)電氣故障也被美國軍方列為造成飛機(jī)安全問題和不能準(zhǔn)時(shí)起飛的“頭號(hào)殺手”。在引起這些事故的電氣原因中，電弧可能就是始作俑者[1～2]。

目前在大型水面船舶上通常采用中壓供電。較高的電壓容易導(dǎo)致絕緣擊穿，而船舶的震動(dòng)環(huán)境會(huì)使電纜連接處松動(dòng)，這些故障都會(huì)產(chǎn)生電弧，這些電弧極易引起火災(zāi)。而中壓變壓器又是船舶中壓電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其安全性直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。船用中壓變壓器通常被封閉在變壓器柜體內(nèi)，這為對(duì)變壓器進(jìn)行電弧檢測創(chuàng)造了有利的環(huán)境條件，本文將根據(jù)船舶電力系統(tǒng)特殊環(huán)境選擇適合船舶的中壓變壓器電弧故障監(jiān)測裝置，以保護(hù)變壓器的安全運(yùn)行以和船員的人身安全。

1 電弧故障原理

從技術(shù)角度給出電弧的定義是：兩個(gè)絕緣介質(zhì)之間由氣態(tài)帶電粒子維持的導(dǎo)電過程。然而大部分電氣設(shè)備正常操作的過程必然會(huì)引起上述現(xiàn)象。例如打開熱水器的開關(guān)或是電動(dòng)機(jī)間的交換。然而這些設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造之初就人為的將周圍環(huán)境與可能產(chǎn)生的電弧隔絕開來，且這種隔絕是行之有效的?？墒请娀∵€是被不希望發(fā)生的，因?yàn)檫@種粒子的熱游離現(xiàn)象對(duì)介質(zhì)具有極強(qiáng)的破壞作用。通常的絕緣介質(zhì)可以是一種間隙（油或空氣）、電子線路的絕緣層，或是任何其他的絕緣體，這些絕緣體將電極或電子線路分離，以使導(dǎo)體中立。在120V～240V(AC)系統(tǒng)中，要讓電弧持續(xù)發(fā)生，并引起點(diǎn)燃，是很困難的。除非有持續(xù)不斷的外界加電壓，或者是電極之間的虛接導(dǎo)致一個(gè)持續(xù)不斷的放弧，從而引起電弧故障。但在6kV～10kV系統(tǒng)中電弧極易發(fā)生，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，6.6kV電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，電弧重燃概率高達(dá)20%以上。而變壓器繞組間隙小，工作溫度高，發(fā)生絕緣故障時(shí)出現(xiàn)電弧的可能性也隨之升高，因此電弧檢測裝置十分必要[3～4]。

2 電弧檢測方法

2.1 基于電壓的檢測方法

輸配電線路中發(fā)生電弧時(shí)，會(huì)引起故障電路中電壓發(fā)生劇烈變化。電弧電壓波形較為復(fù)雜，存在典型階躍特征。電弧電壓在零區(qū)時(shí)間間隔非常短，電弧電壓變化率較大，在電流過零時(shí)最大，這一特征可用于電弧電壓波形的識(shí)別。

圖1 電弧電壓檢測原理圖

首先經(jīng)電壓傳感器檢測到含有電弧信息的線路電壓。然后經(jīng)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，調(diào)理電路包括變換、放大、濾波等環(huán)節(jié)。經(jīng)調(diào)理電路處理過的電壓信號(hào)，傳輸至脈沖轉(zhuǎn)換器，將電壓的階躍降信息變成脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)再經(jīng)由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、積分器組成的調(diào)理電路進(jìn)行整形、二次變換等處理。再將脈沖信號(hào)變?yōu)轭l率隨脈沖信號(hào)變化且幅值恒定、寬度不變的脈沖，再經(jīng)積分器進(jìn)行積分變換后作為比較器的輸入信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)的幅值超過比較器的設(shè)定值時(shí)，比較器輸出保護(hù)信號(hào)。該方法需要對(duì)電弧電壓信號(hào)進(jìn)行檢測，提取電弧電壓的突降信息。然而電弧電壓信號(hào)易受電網(wǎng)負(fù)載及其他因素的干擾，容易造成誤判，準(zhǔn)確性不高可，僅可視為一種對(duì)輸電線路中可能存的故障電弧發(fā)出的提示、警告。

2.2 基于電流的檢測方法

Delphi研究室基于故障電弧時(shí)電流會(huì)有突增或者突降的特性，設(shè)計(jì)了FDC 模塊，開發(fā)出了一種電弧檢測裝置。該裝置是為汽車獨(dú)立封閉式配電網(wǎng)絡(luò)量身訂做的，用于汽車系統(tǒng)電弧的檢測。但該裝置的缺點(diǎn)是當(dāng)開關(guān)閉合后，系統(tǒng)要求負(fù)載不能有太大的變化，而事實(shí)上在大部分輸配電系統(tǒng)的線路終端，負(fù)載均會(huì)發(fā)生變化。例如負(fù)載為非線性負(fù)載或者負(fù)載的熱插拔，此種情況都會(huì)造成上述故障電弧檢測裝置的誤動(dòng)作。R.Spyker等人針對(duì)電弧電流的頻域特征進(jìn)行研究，在直流串聯(lián)電弧中發(fā)現(xiàn)，在10kHz到100kHz的頻率范圍內(nèi)，電流的諧波含量明顯增多。該現(xiàn)象證明了在頻域進(jìn)行故障電弧檢測的可能性。于是在綜合考慮電流值和電壓值的情況下，James A.Momoh等人將傅立葉分解引入了電弧檢測中。將采集到的能量信號(hào)進(jìn)行傅立葉分解，傅立葉分解的結(jié)果就可以作為判斷故障電弧的依據(jù)。然而，考慮到負(fù)載性質(zhì)、電源質(zhì)量等因素，為了防止產(chǎn)生誤判斷，又引入了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。將傅立葉分解后的結(jié)果引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)行訓(xùn)練，然后得到較為精確的結(jié)果。但是，傳統(tǒng)的FFT變換要求系統(tǒng)線性以及穩(wěn)定的信號(hào)，但是故障電弧信號(hào)具有非線性以及隨機(jī)性的特征，國內(nèi)外學(xué)者又將小波分析引入了故障電弧檢測中。韓國學(xué)者針對(duì)韓國的154kV的高壓傳輸系統(tǒng)的高阻故障電弧，利用小波變換進(jìn)行了研究。研制出一種基于故障電弧時(shí)電壓特性電子式故障電弧檢測器。首先，將電壓變換放大、濾波。濾波器對(duì)電壓信號(hào)的諧波處理后輸至脈沖成型器，將信息變成脈沖，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，再至比較器，當(dāng)積分器輸出幅值超過比較器的設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)線路，經(jīng)延時(shí)后，發(fā)出脫扣信號(hào)，故障電弧的上游斷路器分閘。這種電子式故障電弧檢測器缺點(diǎn)是電弧電壓信號(hào)的檢測會(huì)受電網(wǎng)負(fù)載及其它因素的干擾，容易出現(xiàn)誤判。由此可見基于電流的電弧檢測方法受負(fù)載以及電網(wǎng)變化的影響，目前在船舶工程領(lǐng)域還不能很好的作為一種檢測故障電弧的手段。

2.3 基于弧聲的檢測方法

電弧在發(fā)生的過程中會(huì)伴隨“噼啪”的聲音，這是由于電弧產(chǎn)生的熱量使周圍空氣發(fā)生膨脹、收縮而引起的振動(dòng)。這種明顯的物理現(xiàn)象可作為故障電弧報(bào)警的判據(jù)之一。超聲檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示該系統(tǒng)由不同型號(hào)的壓電傳感器、前置儀用放大器、濾波電路、后置放大電路和信號(hào)采集電路以及數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)構(gòu)成。

圖2 電弧超聲波檢測原理圖

所選用的壓電傳感器是一種超聲波換能器，可將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。超聲波換能器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，可選用頻率范圍40kHz～200kHz、性能可靠的壓電傳感器，其核心部件為鍍膜壓電晶片，頻率誤差小，外部結(jié)構(gòu)采用多層阻抗匹配及優(yōu)良的被襯材料，具有良好的振動(dòng)阻尼特性，且時(shí)間和溫度穩(wěn)定性好、靈敏度高。前置放大電路采用儀用放大器，其主要特點(diǎn)是高靈敏度，高輸入阻抗，低輸出阻抗，既可對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，又可過濾苴流分量。然而筆者認(rèn)為在故障電弧弧聲檢測過程中還存以下因素作為真實(shí)故障的判據(jù)：一是首先要排除周圍環(huán)境噪聲干擾，主要是低頻的機(jī)械振動(dòng)噪聲(20kHz以下)、高頻的電磁輻射干擾，同時(shí)考慮船舶環(huán)境鋼制結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)噪聲干擾。通過對(duì)大量船舶噪聲環(huán)境的測量以及噪聲頻譜數(shù)據(jù)的積累分析，甄別出船舶電力系統(tǒng)短路電弧弧聲信號(hào)特征；二是通過試驗(yàn)或模型分析得出具有故障危害的電弧弧聲信號(hào)；三是要考慮到被檢測超聲波信號(hào)隨距離不同而衰減，需針對(duì)不同的檢測距離和弧聲強(qiáng)度，進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)節(jié)后置放大電路的放大倍數(shù)。通過上述三種因素的排除、明確以及最終的合理配置，直至最后計(jì)算機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)的進(jìn)行分析處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電弧保護(hù)。綜上所述基于弧聲監(jiān)測短路電弧的方法目前在船舶中壓領(lǐng)域的應(yīng)用尚不能作為主要判定故障電弧的依據(jù)，其有效性和準(zhǔn)確性尚待進(jìn)一步開發(fā)。

2.4 基于電弧壓力效應(yīng)的檢測方法

電弧在開關(guān)裝置內(nèi)部發(fā)生時(shí)，伴隨一個(gè)瞬間電能轉(zhuǎn)換為熱能，從而引起周圍氣體溫度升高，壓力增大的類爆炸過程。這種“爆炸”對(duì)開關(guān)裝置造成短時(shí)而劇烈的沖擊。理論表明通過選用相應(yīng)氣體壓力比例微分傳感器是可以有效的監(jiān)測到這種變化，從而發(fā)現(xiàn)、控制開關(guān)內(nèi)部電弧的產(chǎn)生。目前，利用故障電弧的壓力效應(yīng)西門子公司，已經(jīng)開發(fā)了一種壓力開關(guān)系統(tǒng)，從出現(xiàn)短路電流引起的壓力波到斷路器分閘的時(shí)間可有效控制在100ms內(nèi)。但利用壓力特性開發(fā)的故障電弧探測系統(tǒng)，雖然具有良好的效果，但基于被探測物理量——短路電弧產(chǎn)生的高壓氣體其需泄壓的特性通常此類壓力開關(guān)系統(tǒng)需具備密性良好、且泄放可靠雙工藝標(biāo)準(zhǔn)，因而目前并未廣泛被制造商所接收，推廣難度較大。

2.5 基于紫外光的電弧檢測法

由電弧放電以光的形式向周圍輻射能量，輻射的過程產(chǎn)生不同光譜的發(fā)光現(xiàn)象。放電光譜分為紫外、可見光、近紅外3個(gè)譜線區(qū)。因此，監(jiān)測配電開關(guān)中的紫外線強(qiáng)度可以有效識(shí)別放電現(xiàn)象的發(fā)生，確定電弧是否在開關(guān)觸頭部位發(fā)生。目前新型非接觸式紫外光譜探測器可有效探測波長230nm～280nm區(qū)域紫外光，成功排除了自然光譜中紫外光的影響，已在部分高壓輸電線路中開展應(yīng)用。但由于船舶故障電弧通常為中壓電弧，與陸地高壓超高壓系統(tǒng)放電電弧有一定區(qū)別，其電弧電紫外特征尚需研究，以此該種方法還未能應(yīng)用在船舶上。其次，船舶配電系統(tǒng)較陸用配電網(wǎng)絡(luò)更具有集約性，開關(guān)分段保護(hù)點(diǎn)多，裝置內(nèi)部開關(guān)、觸電布置密集，對(duì)傳感器或探測元件的靈敏度、體積、反應(yīng)動(dòng)作時(shí)間要求高，因此在船舶配電系統(tǒng)中選用紫外光譜電弧監(jiān)測法工程實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，推廣應(yīng)用時(shí)機(jī)還未成熟。

2.6 基于弧光的電弧檢測法

弧光是電弧現(xiàn)象過程中產(chǎn)生的一種光輻射，其具有速度快、現(xiàn)象明顯等特點(diǎn)，也是目前監(jiān)測手段較容易捕捉的一種物理量值。通過相應(yīng)探測器并配置合理的斷路保護(hù)裝置，可將電弧從發(fā)生—探測—處置反應(yīng)時(shí)間壓縮至毫秒級(jí)別，因而它是目前比較理想的中低壓配電開關(guān)保護(hù)方案之一。SELCO公司的D1000電弧故障保護(hù)系統(tǒng)，是一個(gè)獨(dú)立的高速弧光保護(hù)模塊，能夠檢測電弧產(chǎn)生時(shí)發(fā)出的可見光，十分適合船舶變壓器電弧保護(hù)使用。D1000同時(shí)支持光點(diǎn)和光纖電弧閃光檢測傳感器技術(shù)，并且最高支持6個(gè)傳感器。傳感器可以根據(jù)設(shè)備和需要進(jìn)行任意組合。D1000可以在小于1ms的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速弧光故障檢測和過流保護(hù)檢測。當(dāng)D1000模塊檢測到一個(gè)電弧閃光故障時(shí)，會(huì)在小于1毫秒時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)分閘的脈沖給斷路器。整個(gè)電弧時(shí)間就會(huì)因此減少為斷路器機(jī)械打開時(shí)間，這個(gè)時(shí)間一般在50毫秒～75毫秒范圍。分閘回路是基于一個(gè)固態(tài)開關(guān)的，提供快速反應(yīng)和驅(qū)動(dòng)最大斷路器的能力。

圖3 D1000電弧保護(hù)系統(tǒng)

D1000高速弧光保護(hù)模塊外接A2000光纖傳感器，該傳感器是基于光纖技術(shù)的光傳感器，A2000光纖傳感器是一個(gè)完全靈活的光纖在整個(gè)光纖長度中都擁有360度探測角度，探測半徑達(dá)到2米。

圖4 A2000光纖傳感器

由于弧光可以在柜體內(nèi)反射柜子內(nèi)部安裝1個(gè)傳感器即可，有嚴(yán)重遮擋時(shí)可安裝2個(gè)傳感器以覆蓋整個(gè)變壓器以及變壓器柜。該種方式能夠準(zhǔn)確判斷電弧故障的發(fā)生，十分適合在船舶上使用。

3 結(jié)論

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有檢測電弧的技術(shù)手段進(jìn)行分析，基于弧光的電弧檢測法具有檢測速度快，可靠性高等特點(diǎn)，適合在船舶上使用。

[1]楊藝,董愛華,付永麗.低壓故障電弧檢測概述[J].低壓電器,2009(5): 1-4,27.

[2]施惠冬,潘東強(qiáng),付華.電弧故障檢測的分析和研究[J].低壓電器,2013(6): 15-20.

[3]黃鵬.高速電弧光保護(hù)系統(tǒng)及應(yīng)用研究[D].華南理工大學(xué),2012.

[4]董榮剛.電弧故障診斷技術(shù)的研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué),2009.

Research on Arc Fault Detection of Middle-Voltage Marine Transformer

GAO Shi-jie1,LUO Ning-zhao2
(1.Navy Representative Office atNO.427 Factory,Guangzhou 510715,China; 2.Electrical Engineering Department,Navy Engineering University,Wuhan 430033,China)

With analysis of various arc fault detection methods,this paper proves that arc detection method based on arc is suitable for middle-voltage marine transformers.The method ensures high reliability,fast detection and meets the requirements of marine environment.

Middle-voltage transformer; arc detection

U665

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.018

郜世杰（1981-），男，工程師，主要從事船舶電氣監(jiān)造工作。