譚風(fēng)雷，陳 昊，丁 凱

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

隨著社會用電量的逐年增長，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，高壓斷路器、變壓器、電抗器等一次設(shè)備在電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]，而二次回路主要用于保護、控制、調(diào)節(jié)一次設(shè)備，其對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義[4-6]。二次回路一旦發(fā)生故障，容易產(chǎn)生電弧，甚至引發(fā)火災(zāi)，嚴重威脅一次設(shè)備的可靠運行。

目前，二次回路故障產(chǎn)生電弧后，現(xiàn)有的保護設(shè)備雖能檢測到故障，但用時較長(400～3 000 ms)，易導(dǎo)致現(xiàn)場險情加劇。為解決常規(guī)保護裝置(如空氣開關(guān)等)判斷故障電弧時間較長的問題，大量專家學(xué)者對故障電弧進行了深入研究[7-11]。文獻[12]提出一種采用電流特征的故障電弧檢測技術(shù)，通過構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了故障電弧的精確檢測。文獻[13]提出一種基于混沌分形原理的故障電弧檢測技術(shù)，利用重構(gòu)相空間、關(guān)聯(lián)維數(shù)對故障電弧電流特征進行定量分析，實現(xiàn)故障電弧的有效識別，并通過試驗驗證了方法的有效性。文獻[14]利用小波分析法研究了故障電弧電流的特征能量比，通過六層小波分解，實現(xiàn)故障電弧典型特征的準(zhǔn)確識別，并通過帶負荷實驗驗證了方法的普適性。盡管當(dāng)前對故障電弧的識別已有較多研究，但現(xiàn)有故障電弧的識別方法主要是利用故障電弧的電流特征[15-16]，未考慮伴隨故障電弧產(chǎn)生的弧光信息，若能結(jié)合弧光信號和電流特征來識別故障電弧，可在保證故障電弧識別速度的基礎(chǔ)上進一步提高故障電弧識別的精度。

鑒于上述分析，基于“電流+弧光”的復(fù)合特征提出二次回路故障電弧檢測技術(shù)。該技術(shù)綜合考慮了故障電流信息和故障弧光信號，可顯著提高故障電弧的識別速度和精確。

1 二次回路故障電弧檢測思路

故障電弧的產(chǎn)生必然伴隨著電流和弧光信息的變化，若能準(zhǔn)確檢測電流和弧光信號，將有助于及時發(fā)現(xiàn)故障電弧，避免事故擴大，對提高二次回路安全運行水平具有重要意義。電流和弧光的檢測需要在二次回路上安裝電流傳感器和弧光采集模塊，安裝位置如圖1所示。二次回路內(nèi)總支路上安裝一組弧光采集模塊和電流傳感器，弧光采集模塊一般安裝在母線上；各支路內(nèi)分別安裝一組弧光采集模塊和電流傳感器。電流傳感器采集電流信號，結(jié)合弧光采集模塊獲取的弧光信號，即可實現(xiàn)對故障電弧的精準(zhǔn)判別。

圖1 弧光采集模塊和電流傳感器配置位置

2 二次回路故障電弧檢測方法

二次回路故障電弧檢測時，首先要獲取故障電流的特征頻率以及弧光判別條件，然后建立故障電弧的判別邏輯，進而實現(xiàn)故障電弧的檢測，流程如圖2所示。

圖2 故障電弧檢測技術(shù)流程

2.1 二次回路故障電流特征頻率計算

假設(shè)經(jīng)傅里葉變換后，二次回路對應(yīng)的故障電流ih(t)為：

其中，F(xiàn)為算法的采樣頻率，Ihj為故障電流對應(yīng)的第j次諧波的有效值，whj為故障電流對應(yīng)的第j次諧波的相位，t為時間。

Ihj按照從大到小進行排序，如果不同次諧波對應(yīng)的有效值相同，則應(yīng)將頻率較低次諧波排在前面。根據(jù)Ihj的排序情況，可得前n次諧波與總諧波的占比Ph(n)：

其中，J(k)為根據(jù)Ihj排序后，第 個諧波對應(yīng)的諧波次數(shù)。文中假設(shè)當(dāng)Ph(n)≥0.8時，排序前n個諧波就是故障電流的特征頻率。IJ(k)為故障電流對應(yīng)的第J(k)次諧波的有效值。

2.2 二次回路故障電流檢測條件確認

假設(shè)二次回路內(nèi)第t時刻對應(yīng)的采樣電流為ixt，此時對應(yīng)的電流有效值IS為：

其中，t0為起始時刻。

利用IS計算二次回路電流i(t)：

其中，w0為二次回路電流對應(yīng)的起始相位。

利用i(t)可得電流變化率Y(t)為：

假設(shè)正常情況下，二次回路電流變化率Y(t)對應(yīng)的最大值為Ym。若第ta時刻對應(yīng)的二次回路電流變化率滿足Y(ta)＞Ym，則第ta時刻為電流疑似異常點，當(dāng)Y(ta+1/F)＞Ym和Y(ta+2/F)＞Ym同時滿足時，則第ta時刻為電流異常點。根據(jù)電流異常點ta時刻，可計算故障電流的特征參數(shù)。

求解ta時刻后半個工頻周期內(nèi)電流有效值ISZ：

對ta時刻后半個工頻周期內(nèi)電流進行傅里葉變換：

其中，Ij為ta時刻后半個工頻周期內(nèi)電流對應(yīng)的第j次諧波有效值，wj為ta時刻后半個工頻周期內(nèi)電流對應(yīng)的第j次諧波相位。

計算ta時刻后半個工頻周期內(nèi)電流諧波占比P1：

計算ta時刻后半個工頻周期內(nèi)電流特征頻率占比P2：

其中，K為故障電流特征頻率數(shù)。

2.3 二次回路故障電弧檢測邏輯構(gòu)建

建立故障電弧檢測判據(jù)。

判據(jù)Ⅰ：電流異常點后半個工頻周期內(nèi)電流有效值ISZ大于正常時允許最大電流有效值ISM。

判據(jù)Ⅱ：電流異常點后半個工頻周期內(nèi)電流諧波占比P1大于正常時允許最大諧波占比P1m。

判據(jù)Ⅲ：電流異常點后半個工頻周期內(nèi)電流特征頻率占比P2大于正常時允許最大特征頻率占比P2m。

判據(jù)Ⅳ：當(dāng)識別到弧光信號，G=1，否則G=0。

結(jié)合上述4個檢測判據(jù)，二次回路故障電弧檢測邏輯設(shè)置如下。

(1) 分支路動作邏輯。當(dāng)二次回路中某個分支路滿足判據(jù)Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ，則表示該分支路發(fā)生了電弧故障，延遲10 ms跳開該分支路的空開；當(dāng)二次回路中某個分支路滿足判據(jù)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ，則表示該分支路發(fā)生了電弧故障，可直接跳開該分支路的空開。

(2) 總支路動作邏輯。當(dāng)二次回路中總支路滿足判據(jù)Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ或所有分支路均滿足判據(jù)Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ，則表示該總支路或所有分支路發(fā)生了電弧故障，延遲10 ms跳開該總支路的空開；當(dāng)二次回路中總支路滿足判據(jù)Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ且所有分支路的空開在開位，表示該總支路發(fā)生電弧故障，可直接跳開該總支路的空開；當(dāng)二次回路中總支路滿足判據(jù)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ或所有分支路均滿足判據(jù)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ，表示該總支路或所有分支路發(fā)生電弧故障，可直接跳開該總支路的空開。

3 試驗驗證

為驗證所提出二次回路故障電弧檢測技術(shù)的可行性，搭建了模擬試驗平臺，主要包括工頻電源、弧光發(fā)生器、可調(diào)電阻、電流傳感器和弧光采集模塊等。該平臺利用弧光發(fā)生器模擬二次回路產(chǎn)生的故障弧光，通過分析電流傳感器和弧光采集模塊采集的相關(guān)信息進行綜合判斷，從而實現(xiàn)故障電弧的準(zhǔn)確判別。

利用試驗平臺進行了20次故障電弧模擬試驗，20次試驗均能有效檢測出故障電弧，且檢測時間遠小于常規(guī)保護裝置的判斷時間，從而表明所提出的技術(shù)不僅具有較高的故障電弧檢測精度，而且檢測速度快。

4 結(jié)論

(1) 基于故障電弧的產(chǎn)生伴隨著電流和弧光信息變化這一特征，提出了基于“電流+弧光”復(fù)合特征的二次回路故障電弧檢測技術(shù)。

(2) 介紹了該檢測技術(shù)的基本思路與實現(xiàn)方式。在詳細分析故障電流特征頻率計算方法的基礎(chǔ)上，以二次回路電流有效值、諧波、特征諧波以及弧光信息建立故障電弧檢測判據(jù)，并構(gòu)建二次回路故障電弧檢測判斷邏輯。

(3) 通過搭建故障電弧模擬試驗平臺，并進行了20次模擬試驗，從電弧檢測精度和檢測速度驗證了技術(shù)的有效性。試驗表明，該技術(shù)具有判斷精度高、檢測速度快等優(yōu)勢，可供回路故障電弧檢測參考。