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(dòng)化學(xué)院，重慶 400054)

高壓開(kāi)關(guān)柜主要用于大型電站、電力公司對(duì)電源進(jìn)行有效的變壓輸送。近年來(lái)，大功率的用電造成的電廠電力事故的原因是高壓開(kāi)關(guān)柜由于溫度過(guò)高以及弧光故障使系統(tǒng)短路。高壓開(kāi)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(jì)損失。國(guó)外在20世紀(jì)90年代初開(kāi)始研究電弧光現(xiàn)象的危害機(jī)理，并研制開(kāi)發(fā)了各種保護(hù)措施?！?013年中國(guó)電弧光保護(hù)系統(tǒng)市場(chǎng)調(diào)查研究報(bào)告》指出，現(xiàn)階段中國(guó)對(duì)電弧光保護(hù)系統(tǒng)的研究處于關(guān)鍵時(shí)期，該領(lǐng)域研究空間大，經(jīng)濟(jì)效益好，發(fā)展前景廣。本文通過(guò)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧光機(jī)理進(jìn)行研究，提出了一種新型的弧光保護(hù)系統(tǒng)，克服了目前弧光保護(hù)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。

1 弧光機(jī)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(zhǎng)期工作在強(qiáng)電壓、高溫的環(huán)境下，設(shè)備本身或者內(nèi)部元器件會(huì)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(kāi)光內(nèi)部絕緣層破壞:①開(kāi)光柜中絕緣材料的爬距不滿足絕緣要求，在周?chē)h(huán)境惡劣的條件下會(huì)發(fā)生絕緣事故;② 開(kāi)關(guān)柜自身絕緣材料材質(zhì)差，電力設(shè)備運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，造成絕緣層老化引起故障。

外在原因:在對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行維護(hù)時(shí)，工作人員對(duì)部分工作區(qū)域檢測(cè)時(shí)誤操作、忘記維護(hù)設(shè)備等。

開(kāi)關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生過(guò)電壓:由電網(wǎng)內(nèi)開(kāi)關(guān)操作引起，特點(diǎn)是具有隨機(jī)性，在最不利情況下過(guò)電壓倍數(shù)較高，過(guò)高的電壓容易造成事故的發(fā)生。

1.2 弧光保護(hù)機(jī)理現(xiàn)狀分析

目前對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜弧光保護(hù)的主流方式有3種，分別為檢測(cè)弧光信號(hào)、檢測(cè)電流諧波或者檢測(cè)溫度。這3種檢測(cè)信號(hào)的切除時(shí)間對(duì)設(shè)備影響如圖1所示。

弧光檢測(cè)保護(hù)針對(duì)配電柜內(nèi)部電流短路等原因造成的故障。系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生電弧光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，一旦檢測(cè)到立即啟動(dòng)保護(hù)裝置。這種方式作用時(shí)間為1.0 ～2.5 s，作用時(shí)間較長(zhǎng)，且放射的能量較多，會(huì)引起火災(zāi)等災(zāi)害。通過(guò)圖1可以發(fā)現(xiàn)，在100 ms之內(nèi)顯然無(wú)法快速切除母線故障。

圖1 不同檢測(cè)方法切除時(shí)間對(duì)設(shè)備的影響

電流諧波檢測(cè)是在弧光檢測(cè)的基礎(chǔ)上提出的一種保護(hù)方式。系統(tǒng)產(chǎn)生弧光時(shí)，作用不明顯，弧光保護(hù)系統(tǒng)很難判別出來(lái)，電流檢測(cè)保護(hù)解決了這一問(wèn)題。電流諧波檢測(cè)測(cè)得信號(hào)后啟動(dòng)保護(hù)裝置的時(shí)間略長(zhǎng)，同時(shí)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的這種信號(hào)是隨機(jī)的，對(duì)配電柜的保護(hù)是單一方面的。

溫度檢測(cè)是對(duì)配電柜內(nèi)部的實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)溫度值高于預(yù)設(shè)值時(shí)啟動(dòng)保護(hù)裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。該保護(hù)措施作用時(shí)間較長(zhǎng)。

1.3 一種新型弧光保護(hù)方案

通過(guò)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(hù)采用的是同時(shí)檢測(cè)兩種信號(hào)(同時(shí)檢測(cè)弧光和諧波或者弧光和溫度)，但是通過(guò)圖1可以看出，該方式也會(huì)存在延遲和判別現(xiàn)象。本文考慮3種方案的特點(diǎn)，提出一種新型的配電柜保護(hù)方案，采用3種傳感器同時(shí)檢測(cè)3種信號(hào)，并通過(guò)光纖傳輸檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行故障判斷與保護(hù)。本方案既解決了作用時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，也形成了對(duì)配電柜立體式的保護(hù)，成本較低，實(shí)用性強(qiáng)，減少了配電柜內(nèi)部故障的發(fā)生。

2 電弧光檢測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)方案

圖2為總體方案設(shè)計(jì)及系統(tǒng)方框圖?；」獗Ｗo(hù)系統(tǒng)主要由微處理器STM32F103構(gòu)成的主控單元、電流檢測(cè)單元、弧光檢測(cè)單元、溫度檢測(cè)單元組成。溫度檢測(cè)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(cè)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(cè)單元采用霍爾電流傳感器。

由溫度檢測(cè)單元、弧光檢測(cè)單元與電流檢測(cè)單元分別檢測(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部溫度及發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的電弧光與過(guò)流信號(hào)。檢測(cè)的信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，對(duì)電壓信號(hào)放大濾波，傳輸?shù)娇刂坪诵腟TM32F103。微處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理、判斷后發(fā)出預(yù)警信號(hào)，顯示溫度示數(shù)，同時(shí)將輸出信號(hào)經(jīng)光電收發(fā)裝置傳輸?shù)奖Ｗo(hù)裝置，對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的保護(hù)。

圖2 電弧光保護(hù)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)及系統(tǒng)方框圖

2.1 電弧光檢測(cè)原理分析

通過(guò)對(duì)電弧光光譜的分析，300～450 nm的紫外光波段和450～800 nm的可見(jiàn)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(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)。采用專門(mén)的紫外弧光探頭則可以避免環(huán)境中可見(jiàn)光引起的不穩(wěn)定情況。

當(dāng)產(chǎn)生電弧光信號(hào)后，傳感器將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)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(guò)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(jiàn)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。基于傳統(tǒng)可見(jiàn)光采集弧光傳感器可能采集到干擾光源，促使弧光保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)。經(jīng)過(guò)計(jì)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(jiàn)光引起的不穩(wěn)定性情況，采集光信號(hào)強(qiáng)度高，轉(zhuǎn)換電信號(hào)精度高。

2.2 過(guò)流信號(hào)檢測(cè)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(cè)電流的元件。電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)會(huì)在導(dǎo)線周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)B，磁場(chǎng)的大小與通過(guò)導(dǎo)線的電流成正比。在磁場(chǎng)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(huì)輸出一個(gè)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(chǎng)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(chǎng)B通過(guò)霍爾器件感應(yīng)磁場(chǎng)的一面，則在霍爾器件的輸出端產(chǎn)生霍爾電勢(shì)VH。

霍爾電勢(shì)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(cè)量高壓開(kāi)關(guān)柜中電流信號(hào)的大小可以通過(guò)測(cè)量霍爾電勢(shì)大小反映出來(lái)，且測(cè)量精度較高。利用霍爾電流傳感器可以對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的電流信號(hào)大小進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 電光、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換原理

光纖傳輸信號(hào)具有傳輸頻帶寬、通信容量大、損耗低、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。光纖傳輸過(guò)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(hào)接口和電信號(hào)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(qiáng)。光電轉(zhuǎn)換電路將采集到的電信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，由光電發(fā)射裝置發(fā)射光信號(hào)，通過(guò)光纖傳輸，經(jīng)過(guò)接收裝置后由光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)放大濾波傳輸?shù)胶诵目刂铺幚黼娐贰ｋ姽?、光電信?hào)轉(zhuǎn)換原理見(jiàn)圖3。

圖3 電光、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換原理

2.4 弧光保護(hù)設(shè)計(jì)

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

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心軟件主要有溫度檢測(cè)控制單元、弧光保護(hù)控制單元和電流諧波檢測(cè)單元。在溫度檢測(cè)控制單元中，溫度信號(hào)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(hào)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較。若溫度過(guò)高，則系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)并顯示溫度，工作人員對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜故障發(fā)生部位進(jìn)行維護(hù)和保修，從而保證開(kāi)關(guān)柜正常工作。在弧光保護(hù)控制單元、電流諧波檢測(cè)單元中，系統(tǒng)初始化后，若未檢測(cè)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(hào)或者電流諧波信號(hào)后，系統(tǒng)開(kāi)始工作，對(duì)采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、判斷處理后，信號(hào)被最終傳輸?shù)街骺睾诵倪M(jìn)行比對(duì)分析，控制核心發(fā)出指令進(jìn)行斷電保護(hù)。溫度預(yù)警流程和弧光采集流程分別見(jiàn)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(cè)試

4.1 部分核心控制單元測(cè)試

1)溫度預(yù)警測(cè)試

溫度檢測(cè)采用調(diào)壓變壓器供電，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱帶電壓使其所附銅線排的溫度隨之變化。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)由調(diào)壓變壓器、3個(gè)不同寬度的銅排(8 cm，s cm，4 cm)、3 個(gè)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(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的重要部件(如母線、元件、保護(hù)元件)的溫度，在超過(guò)其整定值時(shí)主報(bào)警器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2)弧光保護(hù)機(jī)制測(cè)試

在針對(duì)弧光保護(hù)機(jī)制的測(cè)試中，電弧光在實(shí)驗(yàn)室很難模擬，故采用不同型號(hào)的燈泡和紫外光發(fā)生器來(lái)提供不同的光質(zhì)，測(cè)試弧光保護(hù)機(jī)制系統(tǒng)的斷電保護(hù)功能和最好的光質(zhì)條件，并進(jìn)行參數(shù)最優(yōu)設(shè)置。

4.2 測(cè)試結(jié)果

在系統(tǒng)測(cè)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(lái)觀察該系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超過(guò)100℃時(shí)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(jiàn)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(jiàn)表2。

表2 不同光質(zhì)情況中系統(tǒng)斷電情況

與普通保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間比較，該系統(tǒng)斷電保護(hù)的時(shí)間見(jiàn)表3。

表3 弧光保護(hù)與普通繼電保護(hù)的斷電保護(hù)時(shí)間比較

4.3 測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠在不同溫度、不同光強(qiáng)度環(huán)境中預(yù)警和實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)電路。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生弧光或者過(guò)流信號(hào)時(shí)，該系統(tǒng)能夠在4 ms的時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)對(duì)電源進(jìn)行自動(dòng)斷電保護(hù);當(dāng)溫度高于110℃時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)警功能，發(fā)出警報(bào)，工作人員對(duì)故障進(jìn)行維修。

5 結(jié)束語(yǔ)

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

本文設(shè)計(jì)的保護(hù)方案有利于保障大型供電公司中電力設(shè)備的安全運(yùn)行，為避免高壓開(kāi)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(shí)降低了對(duì)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(yùn)行，提高了輸電效率，減少了經(jīng)濟(jì)損失。

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