基于電子傳感技術(shù)的低壓開關(guān)柜弧光保護方法

劉立忠，柴衛(wèi)軍，鄭小翠

（1.江山海維科技有限公司，江山324100；2.江山市鑫源電氣有限公司，江山324100）

低壓開關(guān)柜是一種轉(zhuǎn)換輸電、配電及電能的裝置。從結(jié)構(gòu)上劃分，固定分隔式低壓開關(guān)柜將各個電器元件固定在開關(guān)柜中，不同的構(gòu)件分布組合為一個整體的柜體?；」馐请娏ο到y(tǒng)中因為短路所引起的弧光?；」庖砸欢ǖ乃俣缺l(fā)，破壞弧光輻射面內(nèi)的所有物質(zhì)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的紊亂。電弧在電力系統(tǒng)中是一個持續(xù)的過程，當(dāng)電力系統(tǒng)中兩點間的電壓超過其工頻強度極限時就會產(chǎn)生。

總體而言，低壓開關(guān)柜中形成電弧的過程可分為壓縮、拓展、發(fā)射以及發(fā)熱4 個階段。①壓縮階段 電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的電弧占據(jù)整個氣體空間，柜內(nèi)形成對流及輻射，柜內(nèi)的空氣被加熱；②拓展階段 由于過熱的空氣，柜內(nèi)內(nèi)部壓力增加，拓展時會形成一個熱空氣流動空洞；③發(fā)射階段 隨著空洞內(nèi)壓力的不斷增大，弧光被壓力擠壓產(chǎn)生發(fā)射過程；④發(fā)熱階段 發(fā)射后的弧光占據(jù)原有空氣的位置，開關(guān)柜中的溫度不斷升高，受到弧光的影響，開關(guān)柜內(nèi)部的金屬受到侵蝕融為一體，破壞開關(guān)柜的正常運行。

1 開關(guān)柜弧光保護方法

固定分隔式低壓開關(guān)柜在實際運行時，弧光觸發(fā)開關(guān)柜內(nèi)部線路產(chǎn)生大量渦流損耗，導(dǎo)致實際保護弧光數(shù)值變小，開關(guān)柜中產(chǎn)生的熱量差變大，因此低壓開關(guān)柜頻繁發(fā)生弧光短路故障。對此，文獻[1]提出了低壓柜故障分析方法，針對寧波軌道交通1 號線變電所低壓全所失電及低壓柜部分抽屜被燒毀情況，從設(shè)備的繼電保護設(shè)置及開關(guān)柜裝配2 個方面進行分析，在分析的基礎(chǔ)上提出保護方案，適當(dāng)減少繼電保護動作時間，增加弧光保護。文獻[2]提出了開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的保護方法，利用超快速接地開關(guān)快速接地來轉(zhuǎn)移開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧電流，同時利用超快速接地開關(guān)在300 ms 內(nèi)完成合閘和分閘操作，熄滅電弧并減輕因電弧對柜內(nèi)絕緣和元件的損壞，這樣可以讓開關(guān)柜母線上的斷路器完成重合閘操作，恢復(fù)供電。

然而，這2 種方法由于弧光保護數(shù)值過小，開關(guān)柜中產(chǎn)生的熱量差數(shù)值過大，導(dǎo)致開關(guān)柜弧光保護效果不佳。對此，本文提出基于電子傳感技術(shù)的固定分隔式低壓開關(guān)柜弧光保護方法，解決了傳統(tǒng)方法存在的問題。

2 固定分隔式低壓開關(guān)柜弧光保護方法

2.1 開關(guān)柜內(nèi)電流采集

圖1 中性點的網(wǎng)絡(luò)連接Fig.1 Network connections of neutral points

由圖可見，從短路點出發(fā)，Rd可看作是有源二端口的負(fù)載電阻；開關(guān)柜的開路電壓即為A 的相對地電壓[3]。假設(shè)在接地點存在1 個零序電壓，由低壓開關(guān)柜中各個元件與對地電容構(gòu)成，忽略開關(guān)柜中輸電線路的阻抗，此時電網(wǎng)中的零序阻抗為

式中：Z0為開關(guān)柜的零序阻抗；Xc為電網(wǎng)相對地阻抗。假設(shè)，固定分隔式低壓開關(guān)柜A 相S 點發(fā)生單相接地短路故障，則該線路的電壓為

式中：EA為線路的電動勢；C1，C2，C3分別為開關(guān)柜中的3 條線路的電容；Rd為線路電阻；ω 為線路的數(shù)量。當(dāng)金屬性接地時，Rd＝0，此時開關(guān)柜線路中各相對地電壓、母線上的零序電壓為

式中：UAD，UBD，UCD分別為不同中性點之間控制線路的電壓；EA，EB，EC分別為開關(guān)柜線路中性點的電動勢。中性點間發(fā)生短路后，線路中發(fā)生弧光，此時圖1 中故障相A 相對地電壓為零[4]，流經(jīng)電容的電流也為零。所以此時不同線路間產(chǎn)生弧光時的電流數(shù)值為

式中：j為零序電流系數(shù)；C為線路總電容；I0為零序電流；其余參數(shù)表示不同中性點的電流值。根據(jù)弧光傳感器得到的引起弧光的電流值，設(shè)定一個跳斷路器，保證開關(guān)柜的正常運行[5]。

2.2 計算開關(guān)柜內(nèi)部熱量

利用上述得到的弧光電流值，在計算線路產(chǎn)生的熱量前，分析弧光電流電荷形成的電場，采用麥克斯韋方程電場可表示弧光電荷形成的電場，即

式中：H 為磁場強度矢量；J 為總電流密度矢量；D為電位移矢量；t為時間；Δ為微分算子。開關(guān)柜中多線路形成的多種弧光構(gòu)成一個渦流場，渦流場在開關(guān)柜中導(dǎo)電材料的影響下，形成一個穩(wěn)定的電磁場[6]。該電磁場為

式中：μ 為開關(guān)柜分隔板材料的磁導(dǎo)率；σ 為開關(guān)柜分隔板材料的電導(dǎo)率；B 為磁感應(yīng)強度矢量；其余參數(shù)含義不變。在考慮分隔式開關(guān)柜結(jié)構(gòu)下，綜合所有分隔板在渦流中形成的磁矢量[7]，此時固定分隔式開關(guān)柜內(nèi)部的磁場為

表示所有 Q(hkl) 的平均值.G是粉末樣品的剪切模量，而且G可由超聲波結(jié)果外推和理論計算得到.

式中：A 為磁矢量位，其余參數(shù)含義不變。將功率損耗作為開關(guān)柜中升溫的熱源，分隔式開關(guān)柜內(nèi)磁場的單位功率損耗為

式中：P為功率損耗；V為開關(guān)柜中的電壓值?；」饫眠@部分功率損耗產(chǎn)生熱量，引起開關(guān)柜內(nèi)部溫度變化[8]。假設(shè)弧光與開關(guān)柜間的溫差為t1-t2，則開關(guān)柜通過弧光熱傳導(dǎo)的熱量為

式中：λ 為熱傳導(dǎo)系數(shù)；d為弧光與開關(guān)柜內(nèi)物體的距離。除了部分熱傳導(dǎo)的熱量外，弧光還會產(chǎn)生部分的輻射熱量[9]，這部分輻射熱量為

式中：Q1為輻射熱量；ε 為開關(guān)柜的黑度；T1，T2為開關(guān)柜表面的溫度；其余參數(shù)保持不變。弧光熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱量使開關(guān)柜內(nèi)部線路及零件溫度升高，開關(guān)柜內(nèi)部的空氣也會隨著弧光的輻射溫度上升，造成開關(guān)柜中產(chǎn)生一定數(shù)值的熱量差[10]，計算該部分的熱量差Q′為

開關(guān)柜中由弧光所產(chǎn)生的熱量差，導(dǎo)致柜內(nèi)線路與零件發(fā)生熱熔，導(dǎo)致線路短路，使用式（11）計算出的熱量差，設(shè)定一個溫度跳斷路器，保護弧光熱量的作用對象。

2.3 設(shè)定跳斷路器

根據(jù)處理所得的溫度差及熱量數(shù)值，設(shè)計一個壓力傳感器，傳感開關(guān)柜中弧光因溫度所產(chǎn)生的壓力。設(shè)計的閥式傳感器如圖2 所示。

圖2 閥式傳感器Fig.2 Valve type sensor

圖中，傳感器的框架用于保證傳感器的穩(wěn)定；葉片負(fù)責(zé)感知開關(guān)柜中由空氣壓力引起的氣流[11]；耳柄與開關(guān)柜的分隔板相連。當(dāng)開關(guān)柜中發(fā)生弧光時，弧光引起的氣流會促使葉片發(fā)生轉(zhuǎn)動，將弧光產(chǎn)生的熱量通過葉片傳輸?shù)介_關(guān)柜的分隔板上[12]。為了消除分隔板上的熱量，伸長分隔板上的線路金屬絲，設(shè)定多個接點，形成一個跳斷路器，具體如圖3 所示。

圖3 設(shè)計的跳斷路器Fig.3 Designed circuit breaker

由圖可見，當(dāng)葉片的氣流壓力下，斷路器中的半導(dǎo)體開關(guān)啟動，接點K1 直接閉合，此時中間繼電器Kl 線圈連接，接點KL 自動閉合，整個開關(guān)柜閉合[13]。因分隔式開關(guān)柜內(nèi)部的線路為一個并聯(lián)模式，跳斷路器存在一個電流總線。為排除該部分電流的影響，采用一個光敏電阻，在開關(guān)柜的電流總線處設(shè)計一個弧光接地保護電路[14]。所設(shè)計的接地保護電路如圖4 所示。

圖4 接地保護電路Fig.4 Grounding protection circuit

由圖可見，當(dāng)開關(guān)柜電流總線中的電流過大時，流經(jīng)繼電器K1 的電流也增大，經(jīng)過接點K2 與K3 的接連閉合，光敏電阻觸發(fā)斷路器，開關(guān)柜停止工作[15]。

綜合以上處理，完成對基于電子傳感技術(shù)的固定分隔式低壓開關(guān)柜弧光保護方法的設(shè)計。

3 仿真試驗分析

3.1 試驗準(zhǔn)備

為驗證所設(shè)計保護方法的性能，準(zhǔn)備1 個外殼為鋁、母線材料為銅、絕緣子為復(fù)合材料的開關(guān)柜。開關(guān)柜的具體材料參數(shù)見表1。

表1 開關(guān)柜材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of switch cabinet

以表1 所示參數(shù)控制下的開關(guān)柜為試驗對象，在開關(guān)柜中模擬實際開關(guān)柜中弧光的產(chǎn)生，采用控制臺、油浸變壓器及放電裝置構(gòu)建1 個弧光產(chǎn)生裝置，如圖5 所示。

通過所構(gòu)建的弧光產(chǎn)生裝置，采用放電支架與電機構(gòu)成放電裝置。調(diào)節(jié)控制臺電極間的電壓范圍為10～45 kV，控制臺輸出電壓為低壓，經(jīng)過變壓器處理后電壓值達到放電電壓。電極采用球形形狀，模擬開關(guān)柜內(nèi)的放電過程。采用FOM 硅光纖聲音傳感器顯示弧光產(chǎn)生裝置的弧光強度數(shù)值，外部連接1 個增強型的PIN 硅光電二極管作為弧光探測器，以探測裝置是否產(chǎn)生試驗所需的弧光。

圖5 弧光產(chǎn)生裝置Fig.5 Arc generation device

設(shè)定弧光產(chǎn)生裝置后，在裝置外部設(shè)置1 個推桿，推桿上安裝一個便攜式照度儀，選用照度水平在0．01～50000 lx 間的照度儀，試驗使用的照度儀及連接方式如圖6 所示。

圖6 照度儀連接方式Fig.6 Connection mode of illuminance meter

通過照度儀連接方式，將弧光產(chǎn)生裝置與照度儀放置在與中軸線等距的位置，保證弧光產(chǎn)生裝置能夠準(zhǔn)確接收弧光產(chǎn)生裝置的弧光照度，不斷調(diào)節(jié)試驗利用推桿與弧光產(chǎn)生裝置間的距離，來模擬低壓開關(guān)柜中不同強度的弧光。在該試驗環(huán)境下，分別使用文獻[1]方法、文獻[2]方法與本文保護方法進行試驗，對比這3 種保護方法的保護性能。

3.2 試驗結(jié)果及分析

在試驗中，不斷變換推桿與弧光產(chǎn)生裝置間的距離，模擬10 種弧光強度。以FOM 光纖聲音傳感器顯示的弧光強度數(shù)值，作為弧光產(chǎn)生裝置的強度值；以便攜式照度儀顯示的數(shù)值作為保護方法實施后開關(guān)柜中的實際弧光強度。對這2 種數(shù)值做數(shù)值差處理，以該數(shù)值作為不同方法的實際弧光保護數(shù)值，最終3 種弧光保護方法弧光的保護數(shù)值結(jié)果見表2。

表2 三種弧光保護方法試驗結(jié)果Tab.2 Test results of three arc protection methods

由3 種弧光保護方法試驗結(jié)果數(shù)值可知，模擬固定分隔式低壓開關(guān)柜不同強度的弧光，3 種弧光保護方法均有不同程度的保護作用。以3 種保護方法弧光強度差值作為保護數(shù)值，由表可知，文獻[1]方法得到的弧光保護數(shù)值為874．4 lx，對開關(guān)柜的保護能力較??；文獻[2]方法平均弧光保護數(shù)值為1037．4 lx，弧光保護數(shù)值較大；本文方法平均弧光平均保護數(shù)值為1205．2 lx。綜合分析可知，本文方法對弧光的阻擋作用最強，能夠在低壓開光柜中起到較強的保護作用。

為了進一步驗證本文方法的有效性，采用文獻[1]方法、文獻[2]方法和本文保護方法，對開關(guān)柜中由弧光產(chǎn)生的熱量差數(shù)值進行對比分析，對比結(jié)果如圖7 所示。

圖7 產(chǎn)生的熱量差數(shù)值對比結(jié)果Fig.7 Results of numerical comparison of heat difference generated

由圖可見，對于開關(guān)柜中產(chǎn)生的熱量差值，文獻[1]方法比文獻[2]方法的數(shù)值大，而本文方法的數(shù)值在這3 種保護方法中最小。這是因為本文方法設(shè)定了1 個溫度跳斷路器，有于保護弧光熱量的作用對象，減小了開關(guān)柜中由弧光產(chǎn)生的熱量差數(shù)值，降低了固定分隔式低壓開關(guān)柜內(nèi)線路與零件發(fā)生的熱熔現(xiàn)象。

4 結(jié)語

作為電力系統(tǒng)中重要的控制組成，低壓開關(guān)柜頻繁發(fā)生弧光短路故障。在此所提出的基于電子傳感器技術(shù)的固定分隔式低壓開關(guān)柜弧光保護方法，能夠改善傳統(tǒng)保護方法弧光保護數(shù)值過小，開關(guān)柜中產(chǎn)生的熱量差數(shù)值過大等不足。由于該方法線路連接接口過多，操作過程較為復(fù)雜，導(dǎo)致操作時間較長，因此有必要在后續(xù)的工作中做進一步研究改進。