高霏霏

(宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)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(hù)中的應(yīng)用研究

高霏霏

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

目前中低壓母線短路保護(hù)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(hù)要求，因而需要引進(jìn)新的專用于母線保護(hù)的方案，來(lái)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(shí)間的問(wèn)題.電弧光保護(hù)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(hù)中的應(yīng)用策略和實(shí)驗(yàn)方法.

電子傳感器；弧光保護(hù)技術(shù)；弧光故障

在出線或母線發(fā)生了單相接地故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，此時(shí)接地點(diǎn)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(guò)流速斷整定值，因此保護(hù)裝置的過(guò)流速斷保護(hù)不能動(dòng)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(huì)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(lái)，會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)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(huì)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(huì)損壞主變壓器.如果事態(tài)進(jìn)一步發(fā)展，可能會(huì)導(dǎo)致輸電網(wǎng)事故，造成的損失將會(huì)非常巨大[2-3].更嚴(yán)重的是，還會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)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(hù)，進(jìn)而采取有效的保護(hù)措施解決弧光短路所造成的問(wèn)題，來(lái)保證變壓器及母線開關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行，在減少停電時(shí)間、維持系統(tǒng)的安全穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)損失降低方面都發(fā)揮出應(yīng)有的作用.本文重點(diǎn)研究電子傳感技術(shù)在弧光保護(hù)中的應(yīng)用，因?yàn)榛」鈧鞲衅骺梢圆贾迷陂_關(guān)柜內(nèi)部任何位置，所以電弧光保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)范圍可以不受限制，可以覆蓋所要保護(hù)的任何范圍.

1　電弧光保護(hù)技術(shù)

1.1電弧光保護(hù)系統(tǒng)的原理

通過(guò)對(duì)弧光傳感器的物理位置進(jìn)行構(gòu)建，電弧光保護(hù)系統(tǒng)判斷，對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部的弧光檢測(cè)來(lái)判斷是否發(fā)生了弧光故障.方法是利用弧光傳感器檢測(cè)電弧是否發(fā)生了明顯的變化，如果有明顯的變化，則通過(guò)傳感器將非電量信號(hào)電弧轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行處理，發(fā)出跳閘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)弧光故障的保護(hù).

在實(shí)際應(yīng)用中，常常還引入過(guò)流信號(hào)來(lái)避免外界光干擾引起的誤跳閘.即要先檢測(cè)是否有弧光信號(hào)，如果存在有弧光信號(hào)，則再檢測(cè)電流是否有突變量，如果兩者同時(shí)滿足條件，就認(rèn)為發(fā)生了弧光故障，發(fā)跳閘指令來(lái)切除故障；即只檢測(cè)到弧光和電流突變其中之一時(shí)發(fā)報(bào)警信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)到這兩種信號(hào)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(dòng)，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(shí)通過(guò)對(duì)弧光探頭的位置信息進(jìn)行檢測(cè)，弧光保護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)故障定位功能，幫助尋找故障點(diǎn)并進(jìn)行維修.

圖1　電弧光保護(hù)原理示意圖

圖2　電弧光保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2電弧光保護(hù)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

目前的電弧光保護(hù)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(kuò)展單元、弧光傳感器等多個(gè)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(hào)，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(hào)，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(gè)電弧光保護(hù)系統(tǒng)的核心.同時(shí)還實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)保護(hù)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(duì)電源點(diǎn)電流信息可就地采集的同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)就近跳閘即成為電流單元.通過(guò)光纜或電纜和主控單元高速通信都可以實(shí)現(xiàn)，但不同的是前者實(shí)時(shí)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(lái)解決主控單元的傳感器接口不夠用的問(wèn)題.各個(gè)廠家弧光單元傳感器接口容量不一樣，一般為8～16個(gè)傳感器接口.在對(duì)弧光單元進(jìn)行安裝時(shí)，其安裝位置要靠近需要保護(hù)的位置，所以通常節(jié)省了光纖費(fèi)用，僅需一對(duì)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(cè)點(diǎn)距離主控單元超過(guò)100 m時(shí)，使用通信光纜聯(lián)接弧光單元可以非常方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展.

擴(kuò)展單元：擴(kuò)展單元主要用來(lái)擴(kuò)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(hù)系統(tǒng)的試驗(yàn)系統(tǒng)和方案

2.1弧光保護(hù)判據(jù)及電弧光傳感器測(cè)量精度的試驗(yàn)方法[6]

2.1.1弧光單判據(jù)速斷保護(hù)試驗(yàn)

測(cè)試配置如圖3所示.

測(cè)試方法：a)按圖3連接好；b)配置對(duì)應(yīng)的電弧光傳感器定值；c)打開理想光源，測(cè)試弧光保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間與可靠性.

2.1.2弧光過(guò)流雙判據(jù)保護(hù)試驗(yàn)

測(cè)試配置如圖4所示.

測(cè)試方法：a)按圖4連接好；b)配置對(duì)應(yīng)的弧光傳感器定值；c)按過(guò)流保護(hù)測(cè)試要求配置對(duì)應(yīng)的電流定值；d)打開理想光源，測(cè)試弧光保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間與可靠性.

圖3　單判據(jù)測(cè)試配置圖

圖4　雙判據(jù)測(cè)試配置圖

2.1.3電弧光傳感器測(cè)量精度試驗(yàn)

試驗(yàn)器材：標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試光源，照度檢測(cè)儀，封閉的黑色內(nèi)壁測(cè)試箱，被測(cè)弧光保護(hù)裝置.

試驗(yàn)步驟如下：

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

圖5　弧光測(cè)試箱

圖6　電弧光傳感器測(cè)量精度試驗(yàn)配置圖

b)將弧光保護(hù)裝置的動(dòng)作邏輯設(shè)置為：僅檢測(cè)弧光；

c)打開標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試光源，弧光傳感器未動(dòng)作；

d)用推桿推動(dòng)電弧光傳感器靠近光源，觀察弧光保護(hù)裝置動(dòng)作情況；

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

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

g)重復(fù)上述步驟5～10次，記錄每次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

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

2.2電弧光保護(hù)系統(tǒng)的試驗(yàn)系統(tǒng)和方案

2.2.1檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

圖7所示為弧光保護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)易測(cè)試平臺(tái)，用來(lái)對(duì)弧光保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)[7].電源通過(guò)保護(hù)裝置和測(cè)試平臺(tái)連接，通過(guò)保護(hù)裝置對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行保護(hù).保護(hù)裝置主要是控制器和空氣開關(guān)等，其中控制器是用來(lái)從弧光保護(hù)終端處獲取控制信號(hào)，空氣開關(guān)作為保護(hù)使用.弧光保護(hù)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(diǎn)狀和線狀兩種.電極A和電極B分別為電弧故障發(fā)生時(shí)的兩個(gè)觸頭，整個(gè)回路電阻大概在200 mΩ左右.弧光保護(hù)終端傳感器被放置在一個(gè)密封的試驗(yàn)箱內(nèi)，通過(guò)兩個(gè)觸頭和保護(hù)裝置聯(lián)接，同時(shí)試驗(yàn)箱可以用來(lái)產(chǎn)生故障電流.

2.2.2試驗(yàn)分析

(1)試驗(yàn)平臺(tái)的信號(hào)產(chǎn)生情況

如圖7所示的弧光保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)中，只有200 mΩ以下，這已經(jīng)包括了電極A、B在內(nèi)的整個(gè)電阻.圖8為試驗(yàn)獲得的電壓電流信號(hào)波形圖，實(shí)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(duì)整個(gè)試驗(yàn)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(duì)試驗(yàn)的影響.

圖7　弧光保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

圖8　電壓、電流信號(hào)波形圖

(2)弧光保護(hù)系統(tǒng)電流單元檢測(cè)情況

為了使三相電流達(dá)到一致的短路電流，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電極的不同位置來(lái)實(shí)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(shí)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(shí)的波形和數(shù)據(jù)

(3)不同弧光單元檢測(cè)情況

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

圖10為電流單元、點(diǎn)狀弧光單元、線狀弧光單元在發(fā)生弧光故障時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)，電流單元檢測(cè)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(guò)4個(gè)周期后，故障被切除，此時(shí)短路電流為零.線狀弧光單元比點(diǎn)狀的衰減的更快，也更快到達(dá)零位.

3　結(jié)論

在弧光保護(hù)中電子傳感器的應(yīng)用能很大程度上改善保護(hù)系統(tǒng)的整體功能.因?yàn)閭鞲衅骺梢圆贾迷陂_關(guān)柜內(nèi)部任何位置，因此電弧光保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)范圍可以不受限制，能夠覆蓋所要保護(hù)的任何范圍.另外，通過(guò)檢測(cè)弧光信息，這種保護(hù)系統(tǒng)還可以提供一些輔助功能，比如故障定位，通過(guò)故障定位功能，能夠迅速定位故障點(diǎn)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(hù)系統(tǒng)在中低壓母線保護(hù)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(hù)系統(tǒng)測(cè)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(hù)及其在中低壓開關(guān)柜和母線保護(hù)中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2004(5):51-53.

[6]張思.弧光保護(hù)誤動(dòng)事故的分析及預(yù)防措施[J].中國(guó)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(jì)[D].長(zhǎng)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(jī)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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