新型弧光保護裝置的設計

吳振躍 肖登明

（電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海交通大學電氣工程系，上海 200240）

新型弧光保護裝置的設計

吳振躍 肖登明

（電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海交通大學電氣工程系，上海 200240）

隨著配電電網的發(fā)展，成套開關柜大量應用在中低壓系統中。由于設備自身原因、運行環(huán)境等各種因素影響中低壓母線弧光短路故障頻發(fā)，對電網的供電可靠性以及操作人員的人身安全造成了極大的威脅。本文在分析中低壓領域內部弧光故障產生機理的基礎上設計了一種新型弧光保護系統，其組成包括超聲檢測模塊、過電流檢測模塊、電弧光檢測模塊、邏輯處理模塊及快速接地單元等。該裝置不但能夠實現在電弧故障發(fā)生之前發(fā)出警報信號提醒運行維護人員前來檢修，還能夠能在極短的時間（＜5ms）內將電弧故障轉換為金屬性短路從而熄滅故障電弧，最終再由上游斷路器清除故障電流，極大地提高了中低壓開關設備的可靠性。

弧光故障；快速接地開關；超聲檢測模塊；中低壓開關柜保護

成套開關柜大量應用在中低壓系統配電中，由于設備自身原因、運行環(huán)境等各種因素影響，弧光短路故障頻發(fā)。中低壓母線發(fā)生的弧光故障具有發(fā)展迅速、無法預測、破壞力大等特點，會造成開關柜、母線燒毀或爆炸等嚴重后果[1]。目前我國現有的低壓母線保護無法快速切除弧光故障，開發(fā)新型高速電弧光保護系統具有重大的現實意義。

中低壓開關柜作為母線上的一個節(jié)點，它的故障不能僅僅看成一種特殊的故障，而應看成是母線短路故障發(fā)生在相對狹小密封空間的一種特殊形式。發(fā)生在狹小空間決定了開關柜作為整個線路的絕緣薄弱環(huán)節(jié)，其絕緣故障的高發(fā)性；而相對密封的空間決定了其在發(fā)生弧光短路故障后的危險性，即由于短路弧光高達8～60MW的功率[2]，當在狹小的空間釋放時極容易導致故障危害的蔓延甚至是開關柜發(fā)生劇烈的爆炸。因此，分析開關柜弧光短路故障的產生機理、發(fā)展過程、應對措施乃至提出新一代中低壓開關柜弧光故障保護系統是非常有價值的。本文在在分析開關柜電弧短路的物理特性、電弧效應和相關數學模型的基礎上，提出了以檢測超聲波、電弧電流和電弧光三種信號為保護原理的新型高速電弧光保護系統。通過研究電弧光保護的動作原理和組成結構，詳細分析了電弧光保護的可靠性和控制策略，完成了保護裝置的設計。引入超聲波檢測和快速接地裝置等改進保護動作控制策略的措施，提高了保護裝置的可靠性和選擇性。

1 開關柜弧光短路故障的產生機理

1.1 單相對地短路分析

單相接地時電網的主要故障形式，約占60%以上[3]。我國現有的現有的電網中心點接地方式主要有中心點直接接地、經過消弧線圈接地和不接地三種。后兩種稱為小電流接地方式，而目前在中低壓電網中廣泛采用的正是小電流接地方式。這種接地方式的優(yōu)點是可靠性較高，但是當電網的接地電容電流達到某一臨界值（5～10A）時，一旦發(fā)生單相接地故障接地電弧，就難以瞬間自行熄滅，特別是由此產生的間歇性電弧接地過電壓，作用時間一般較長且遍及整個電網。開關柜作為電網中絕緣的薄弱環(huán)節(jié)在這種情況極容易發(fā)展成為相間弧光短路故障甚至發(fā)生爆炸。

圖1 中心點不接地系統

如圖1所示，接地電流Ijd等于非故障相對地電容電流的總和：

在對于6～35kV架空線路，每千米對地電容約為 0.005～0.006μF，其中有避雷線的取較大數值。電纜電容電流計算修正公式I0=K·U·L

式中，S（mm2）為電纜截面[4]。

相對于35kV開關柜1250A的額定運行電壓，這個對地短路電流并不是開關柜弧光短路爆炸的直接原因。它的危害在于當接地電弧不能自熄而反復拉弧時一方面在于會不斷地侵蝕本相的絕緣，極大的加快本相絕緣的老化；另一方面在于會在另外兩相產生 3.5倍相電壓甚至更高的弧光接地過電壓，在開關柜絕緣水平不足的情況下很快就會從單相對地短路發(fā)展成為相間短路，從而導致開關柜爆炸等嚴重后果。

1.2 弧光接地過電壓

是否在單相接地時產生間隙電弧，與系統的單相接地電流大小直接相關。若系統較小，線路又不長，那么在一些暫時性弧光接地電流故障過后電弧可自定熄滅，系統很快恢復正常?？墒请S著系統電壓的提高以及系統的發(fā)展，單相接地電流會成比例增長。運行經驗表明當 10～35kV系統電容電流超過10A時此時的接地電弧將難以自動熄滅。

到目前為止，在分析電弧過程有三種理論即以高頻振蕩電流第一次過零時熄弧來分析電壓發(fā)展過程的高頻熄弧理論、以工頻過零時熄弧來分析電壓發(fā)展過程的工頻熄弧理論以及蘇聯專家提出的熄弧恢復抗電強度理論。其中工頻熄弧理論和高頻熄弧理論經過數學分析可以分別產生3.5倍和7.5倍的過電壓。蘇聯對電網實測過的弧光接地過電壓最高一次為4.3倍，美國IEEE標準認為弧光接地過電壓一般不超過4倍，我國規(guī)程也認為不超過3.5倍。可見弧光接地過電壓倍數具有很強的隨機性，工頻熄弧以及高頻熄弧的可能性同時存在，對電網尤其是電網中的絕緣薄弱點具有極大的威脅。

1.3 開關柜弧光故障的原因

中低開關柜故障電弧產生的原因主要有以下幾個方面：中、低壓開關柜絕緣材料爬距不足，未滿足加強絕緣要求；開關柜絕緣材料發(fā)生老化等絕緣故障；由于一些電纜接頭截面不夠，緊固螺栓松動，手車柜觸頭接觸不良，在大電流流過時引起發(fā)熱，冒火進而引起相間、相對地擊穿；外來物體如小動物（老鼠等）進入開關柜內部；人為錯誤操作；系統容量增大，接地方式改變，雷電入侵，保護及自控裝置配置不當引起系統諧振過電壓等[5]。

通過總結，可以發(fā)現大多數的開關柜弧光短路故障都是從單相對地間歇性拉弧發(fā)展為兩相甚至三相相間短路的。

2 新型弧光保護系統的設計

目前故障電弧的防止主要有兩個辦法，一為被動方法，即在開關設備內采取釋壓措施，釋放故障電弧的壓力和熱效應?，F在一般中壓開關設備都采取這個方法，并且對于內部電弧級中壓開關設備在國家乃至國際標準中都有嚴格的故障電弧強制性實驗規(guī)程。另一為主動方法，就是將故障電弧消除在萌芽狀態(tài)，不讓其形成高壓力和強大的熱效應從而從而避免其對開關柜產生破壞[5-6]。由上節(jié)的分析可知，新型弧光保護系統前面臨兩個關鍵任務：①在開關柜單相對地閃絡時發(fā)出警報提醒運行人員前來檢查，將故障消除在開始之前；②在發(fā)生相間短路時能夠盡快的熄滅故障電弧。目前國內已有的弧光保護系統存在不能在發(fā)生局放、閃絡、乃至單相對地短路的時候發(fā)出警報，提醒運行維護人員前來排除故障以及傳統弧光保護裝置一般通過上游斷路器熄弧來保護開關柜，然而普通的斷路器的動作時間一般在30ms到60ms，無法快速熄滅電弧保護設備的問題。針對上訴缺陷，本文設計并完成了新型弧光保護裝置，通過引入預警裝置和快速熄弧裝置成功的解決了以上的問題。本文提出了新型弧光接地裝置就是主動應對思想下的產物，相比較傳統的弧光保護系統，它在運行機理、保護模式上都有較大的突破。

2.1 弧聲預警單元

開關柜在某一時刻發(fā)生弧光短路并迅速發(fā)生故障電弧燃燒，除可產生肉眼可以識別的可見光外，還有多種輻射現象，如聲波、紅外線、紫外線或電磁波的輻射等。超聲波作為弧光故障的一種伴生現象，以其作為弧光故障的一種必要性判據是完全可行的。國內外一些學者，已經對弧光故障時所產生超聲波進行驗證性研究。如 TarlochanS.Sidhu等人在《金屬鎧裝中壓開關柜中多傳感器檢測電弧故障的研究》中，就分析了超聲波在不同測試環(huán)境下均能可靠檢測到電弧故障。而廣西工學院的藍會立和華僑大學的楊建紅等人通過實驗、仿真等手段得到了故障早期弧聲的頻率范圍，為用硬件實現弧聲預警裝置打下了基礎[7-10]。

超聲檢測系統結構如圖2所示。該系統由多個超聲波探測器、放大電路、濾波電路和比較電路構成，最后結果輸出到電弧光保護裝置中。

圖2 超聲檢測系統結構圖

1）超聲波傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波。本裝置決定采用壓電陶瓷式超聲波傳感器作為系統超聲波檢測單元。大量的理論和試驗研究表明弧聲信號中心頻率不隨外界環(huán)境的改變而改變。通過對采集電弧弧聲的頻譜分析可以知道本實驗中電弧弧聲頻率在 5.2～9.8kHz之間，中心頻率在7.5kHz左右。系統使用的超聲波傳感器的中心頻帶最大寬度2～15kHz。

2）放大電路。由于開關柜的噪聲環(huán)境較強以及采集的超聲波信號很微弱，為了能讓后續(xù)的采集電路符合采集要求，必須通過放大電路進行信號放大。本裝置采用帶寬達16MHz的MC34082作為輸入運算放大器，其低噪聲，高增益，高共模抑制比和良好的高頻特性滿足超聲波檢測的要求，設計放大電路如圖3所示。

圖3 放大電路

3）濾波電路。在實際開關柜環(huán)境中，存在各種對超聲波檢測產生干擾的噪聲，其中主要包括機械振動噪聲、電磁輻射干擾等，因此有必要對電路中對檢測的信號進行濾波以消除低頻和高頻的干擾信號。本文所采用的帶通濾波電路圖如圖4所示。

圖4 濾波電路

4）比較電路。通過設定超聲波參考信號值，可以區(qū)分開關柜局部放電的嚴重程度。據局部放電的檢驗值，當超聲波數值大于 15～25dB時，就可以視為開關柜內部存在嚴重的絕緣缺陷。為了增強抗干擾能力和考慮電弧光短路的實際情況，在實際應用中，可以適當提高超聲波參考信號值。比較電路采用均方根直流轉換器 AD637與雙電壓比較器LM393實現，其實現電路如下圖所示。AD637是帶寬可達8MHz的高精度高速轉換芯片，能計算高頻信號的有效值。LM393及其外圍電路實現了超聲波信號的有效值與整定值的比較。當檢測到的超聲波大于整定值時，比較器輸出高電位，輸入至電邏輯判斷單元。

圖5 比較電路

2.2 電流檢測單元

電流檢測單元為一個獨立的單元，通過檢測電流的變化率以及閾值來判斷過電流。傳統的過流檢測僅僅通過比較閾值來實現過流警報。本系統通過采用高速運算單元提高了系統對于過流的反應速度，而閾值及變化率雙判據則在提高判斷速度的基礎上保持了判斷的可靠性。

1）利用配電站內現有的上游母線 CT（電流互感器）來獲取過電流信號，這樣沒有增加母線的電氣節(jié)點，不影響系統的正常運行，同時可以大大節(jié)省設備投資。

2）采用TBC50E型霍爾電流傳感器進行光電隔離，保證了信號傳輸的精度和速度，同時實現了過電流監(jiān)測系統與數據采集部分的電氣隔離。

3）以TI公司的1GHz高性能數字信號處理器（DSP）TMS320C6416T實現信號變換與傳輸，同時實現過電流的識別。

本系統共需要監(jiān)測A、B、C三相過電流信號（在需要的情況下可擴展至 N線），因此系統有三路模擬信號輸入通道。從電流互感器二次側傳來的電壓信號經過信號調理和光電隔離以后，進入高速 A/D轉換器。DSP對電流信號的判斷是通過比較電流上升率以及電流閾值來實現的。定義電流上升率為K，單位為 mA/s，其中（i≥1，i為整數）存在一個臨界電流上升率和臨界電流閾值，當DSP通過信號采樣值與基準值的比較判斷出出現過電流以后，立即向邏輯判斷單元發(fā)出過流信號，完成對過流部分的檢測。

2.3 弧光檢測單元

弧光探頭設計的難點在于如何整定弧光動作閾值以及避免探頭在日光、維修人員手電等非動作光源下的誤動作。清華大學魏念榮等人提出了使用熒光光纖檢測局部放電的方法，該方法是利用熒光光纖的Stokes頻移特性使進入光電轉換器的光譜范圍更好的與光電轉換器配合，提高了光電轉換的效率以及避免了誤動作的幾率，弧光檢測探頭借鑒了這一思路[11]。

圖6 典型氣體的放電伏安特性曲線

圖6為典型氣體的放電伏安特性曲線，曲線G到H為弧光放電過渡區(qū)，H點之后為弧光放電區(qū)，為了能夠準確在弧光發(fā)生時動作，弧光探頭的動作點應該選在曲線G點之后?？紤]到典型開關柜的尺寸、弧光探頭的大小以及開關柜中存在的遮擋與反射，綜合起來將閾值設定為100μW。

當出現弧光時，弧光通過弧光探頭的光學窗口端照射到熒光材料上，弧光中與熒光材料激發(fā)波長相吻合的光能量被熒光材料轉換為弧光信號導入光纖中；弧光中與熒光材料激發(fā)波長不相吻合的光能量被熒光材料散射，部分散射光能量也進入光纖中作為弧光信號，然后通過光纖傳輸給光電轉換電路。

2.4 超速接地開關

開關柜一旦發(fā)生內部故障電弧，電弧的高溫將造成電弧末端金屬材料的融化和氣化，弧光能量會迅速傳遞給周圍的氣體，使柜內溫度和壓力都急劇上升不但會導致柜內元件損毀，甚至有可能擴散到周圍的開關柜內導致多組開關柜同時燒毀的“火燒連營”事故。最為嚴重的是當前電網中投入運行的開關柜大部分都存在機械強度不夠，泄壓能力不強的問題，故障電弧產生的高溫高壓氣體一旦沖出就有可能造成重大人身傷亡事故。內部電弧產生的破壞力與殼體堅固程度、電弧長度、短路電流大小以及電弧持續(xù)燃弧時間有關。為了能夠最大限度的減少故障電弧帶來的損害，最有效的辦法就是減少故障電弧燃弧時間。目前市面上的弧光保護裝置大部分還停留在當檢測裝置檢測到電弧故障后由上游斷路器熄弧的階段。然而一般斷路器分閘時間通常達到30～60ms，加上繼電器動作時間總的延遲將會超過80ms，這就極大的影響了弧光保護裝置的保護效果[12-14]。經過研究，本文提出了以電磁機構推動三相快速接地開關動作，首先將不可控危害大的短路電弧故障轉換成金屬短接電流熄滅電弧，然后由上游斷路器動作清除故障電流的思路，這就極大地保護了設備以及人員安全。本文通過Matlab/Simulink軟件對快速接地開關的效果進行了仿真，仿真電路如圖8所示。

圖8 35kV系統中性點不接地系統

該電路模擬了 35kV中性點不接地系統發(fā)生兩相短路之后，利用快速接地開關把故障電弧轉化為接地開關內部金屬性短路的情況。在電路中通過電路短路模塊來模擬兩相相間短路，用接地開關來模擬系統中使用的快速接地開關。

為了更好地觀察熄弧效果，電路短路發(fā)生時間設為 3/60s，快速接地開關動作時間設為 5/60s。通過圖9圖10的電流波形可以看到一旦三相快速接地開關啟動，故障電弧被迅速短路。通過將弧光短路轉換成金屬性短路完成消弧，再通過上游斷路器清除故障電流，這樣就保障了開關柜設備以及人員的安全?？焖俳拥亻_關通過使用快速電磁操作機構達到快速合閘的目的?？焖匐姶艡C構通過預充電的電容器向分閘或合閘線圈放電產生持續(xù)幾毫秒的脈沖電流，與開關操作連桿固定在一起的可動線圈受到脈沖電磁力的作用，帶動連桿運動從而實現開關的快速關合或分斷。

圖9 35kV系統中性點不接地系統故障時母線電流

圖10 35kV系統中性點不接地系統故障點電流

圖11 快速接地開關示意圖

圖11所示為本裝置使用的快速接地開關，其工作原理為：快速接地開關在初始處于分閘位置，在工作中，工作電源（1000V）首先向儲能電容充電，隨后儲能電容處于待機狀態(tài)。一旦裝置接收到合閘信號，那么控制系統將觸發(fā)信號給予晶閘管，在晶閘管導通后儲能電容瞬間向物流線圈放電，渦流線圈會因此產生一個急速增大的磁場。根據楞次定律會在可動銅盤中感應出一個反方向的磁場從而推動連桿機構向上高速運動，這樣觸頭可以在4ms之內完成整個閉合動作，隨后故障點的弧壓急劇降低，電弧無法持續(xù)而立即熄滅。

3 裝置的工作原理及特點

3.1 弧光保護系統邏輯

在弧光故障前期，超聲波傳感器檢測潛在的弧光故障的放電現象，當超聲波信號大于整定閥值或者電流檢測單元檢測到過電流的時候，發(fā)出預警信號并開放電弧光保護；如果潛在弧光故障繼續(xù)發(fā)展，此時弧光增量達到整定值，啟動跳閘切除故障。其保護的邏輯圖如圖12所示。

圖12 弧光保護系統邏輯圖

在電弧光尚未發(fā)展成為弧光短路故障時，弧光的微小放電現象能通過超聲波檢測發(fā)現。當超聲波檢測發(fā)出告警后，運行維護人員可以提前對故障進行處理。加入超聲波檢測，可以對開關柜內潛在的電弧故障進行檢測并能進行消除，這樣的話不僅將被動保護方式轉變?yōu)橹鲃臃烙€保留了電弧光保護的快速切除故障的功能，大大降低了弧光故障的發(fā)生以及其產生的危害。

由于超聲波檢測在弧光故障前已經開始，所以采用這樣的動作邏輯不影響弧光保護動作的快速性。同時，引入了超聲波檢測判據后，避免了電流檢測單元有可能在某些情況下雖然發(fā)生弧光故障，但是卻不能動作的情況，極大的增強了保護的可靠性。

3.2 弧光保護系統架構

一套電弧光保護裝置可以實現對多臺開關柜的弧光保護。如圖13所示，保護可設有一個主控單元、若干個電弧光檢測單元、超聲波檢測輔助單元、電流過流檢測單元。

圖13 高速電弧光保護裝置結構圖

當系統接收到各單元傳來的信號時會根據設定邏輯進行判斷。當條件滿足條件動作時會首先向快速接地開關以及上游斷路器發(fā)出動作信號，快速接地開關首先動作，會在5ms之內完成將故障電弧轉換成金屬性短路的任務。上游斷路器會在 60ms內徹底清除短路電流，從而保障了開關柜以及操作人員的安全。最后系統會通過與上位機的通信功能上報故障發(fā)生的地點與時間，為接下來的事故處理提供可靠信息。

4 結論

新型弧光保護系統引入了超聲信號檢測這一新穎的檢測手段并且提出了新的弧光保護三判據原理，在增強了系統反應速度的基礎上，增強了系統的可靠性，保證在一些特殊情況下電流過流檢測單元不能動作的情況下系統的可靠動作。通過在弧光保護系統中引入了快速接地開關進行消弧，極大地提高了消除電弧的效率，形成了接地開關消弧，上游斷路器清除故障電流的全新弧光保護模式。

本裝置的研制能夠極大的增強中壓開關柜的可靠性與安全性。近年來各地變電站頻繁發(fā)生開關柜起火爆炸事件，究其原因都是由于弧光保護裝置不完善從而無法快速熄滅電弧所致。新型電弧光保護系統的研發(fā)能夠極大的增強中壓開關設備的安全性，是未來智能化金屬封閉開關設備的重要組成部分。

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Design of New Arc Protection Device

Wu Zhenyue Xiao Dengming
(Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion, Ministry of Education,Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240)

With the development of distribution network, large number of switchgears are coming into applied in the power system. Because of the own reasons of the equipments, operating environment and other factors , arc short-circuit fault of LV/MV buses often occurs, which causes a great threaten to the safety of operating personnel and the reliability of power system. Based on the analysis of the generation mechanism of the LV/MV internal arc fault, this text designs a new arc protection system which consists of ultrasonic detection module,over-current detection module,arc detection module,high speed earthing switch unit and logic processing module. This device not only can remind the operation and maintenance personnel to come to repair by the alarm signal before the occurrence of an arc fault,but also can extinguish the arc fault in a very short time (＜5ms) and eventually clear the fault arc by the upstream circuit breaker, which greatly improves the reliability of LV/MV switchgear.

arc fault; high speed earthing switch; ultrasonic detection module; LV/MV switchgear protection

吳振躍（1989-）男，碩士研究生，研究方向為電力系統在線監(jiān)測技術，新型環(huán)保絕緣氣體。