弧光保護通道自檢技術(shù)的應(yīng)用研究

王 杰，侯 煒，陳 俊，牛洪海

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引 言

隨著配電網(wǎng)的發(fā)展，中低壓開關(guān)柜數(shù)量越來越多。6～35 kV中低壓開關(guān)柜作為中低壓母線的載體，由于其空間狹小，發(fā)生故障時，往往伴隨柜體燃弧、起火。若不能及時切除故障，弧光迅速蔓延會帶來嚴重的經(jīng)濟和財產(chǎn)損失。傳統(tǒng)的中低壓開關(guān)柜一般無專門的保護，柜內(nèi)發(fā)生故障時大多依靠帶延時的變壓器低壓側(cè)后備保護來切除故障，延時較長，設(shè)備損傷較大，恢復(fù)供電周期較長?；」獗Ｗo以發(fā)生故障時的弧光檢測為主要依據(jù)，同時結(jié)合故障電流判據(jù)，可快速切除開關(guān)柜內(nèi)短路故障。由于響應(yīng)快，動作可靠，弧光保護在許多中低壓開關(guān)柜得到使用[1-2]。

弧光保護裝置能否及時、快速地檢測并切除故障，很大程度上取決于弧光傳感器性能的好壞[3-5]。由于無源傳感器在傳感器損壞或者弧光傳感器光纖斷裂時，保護裝置無法感知故障信號并及時發(fā)出告警信息，對裝置的可靠運行帶來隱患。所以有必要對傳感器自檢技術(shù)進行完善。

1 弧光傳感器自檢技術(shù)方案

1.1 弧光采集回路自檢方案設(shè)計

弧光傳感器一般安裝在開關(guān)柜母線室和斷路器室。無源式弧光傳感器通過光敏物質(zhì)采集弧光信號，并通過傳輸光纖將信號傳輸給保護裝置，弧光信號采集如圖1所示。由于傳感器處于較封閉的環(huán)境，假如傳感器損壞或傳輸光纖斷裂，保護裝置采集到的信號并未有大的變化，發(fā)生故障時，保護裝置將不能采集到正確的弧光信號而導(dǎo)致裝置拒動。

圖1 弧光信號采集

為實現(xiàn)弧光傳輸通道實時自檢，設(shè)計了基于分光原理的弧光采集回路自檢方法，如圖2所示。通過弧光采集單元實時發(fā)送幅值、脈寬均可調(diào)制的脈沖光，然后疊加在弧光傳輸通道中。脈沖光信號經(jīng)傳感器透鏡反射后經(jīng)弧光采集單元發(fā)送給主機單元。主機單元實時檢索疊加在傳感器采樣信號中的脈沖光，并與預(yù)設(shè)的脈沖光特性參數(shù)比較從而判斷弧光傳輸通道是否完好。

圖2 弧光通道自檢方案

LED脈沖光發(fā)射光源在驅(qū)動電路驅(qū)動下，發(fā)出周期、脈寬均可調(diào)制的脈沖光。脈沖光經(jīng)聚光透鏡耦合在弧光傳輸光纖中。在弧光傳感器玻璃球面內(nèi)反射膜的作用下，脈沖光信號重新通過傳輸光纖返回至采集單元。主機單元接收到光信號后進行數(shù)據(jù)處理，如若能收到脈沖光源發(fā)出的光脈沖信號，則可說明光纖通道無損；反之，則說明傳感器或光纖通道運行不正常，裝置需及時發(fā)出報警信號提醒運行人員進行故障排查及檢修。

弧光保護裝置以是否接收到LED脈沖光源發(fā)出的光脈沖作為弧光通道是否正常工作的依據(jù)，所以光脈沖的檢索是弧光通道自檢技術(shù)的關(guān)鍵?；」馔ǖ蜡B加脈沖光示意圖如圖3所示。

圖3 弧光通道疊加脈沖光

為使計算值接近真實環(huán)境，將T時間內(nèi)所有采樣原始值求平均值計算得到背景光的計算公式為

(1)

式中：sp(n)為弧光采集數(shù)據(jù)原值；Lbase(n)為環(huán)境背景光強值。

由于光具有疊加性，裝置在接收到LED光脈沖時，采樣值根據(jù)脈沖信號強弱在背景光基礎(chǔ)上有光增量，根據(jù)光增量ΔL的大小可以判斷是否接收到脈沖信號，即

ΔL=sc(n)-Lbase(n)>ΔLset

(2)

式中：sc(n)為濾波后的弧光采樣值；ΔLset為設(shè)定的光增量值。

當(dāng)實時采樣值的光增量大于預(yù)先設(shè)定的增量值，即可認為接受到LED光源發(fā)出的光脈沖。假定第1次接收到脈沖信號時間記為T1，再次接收到脈沖信號時間記為T2，根據(jù)兩次接收到脈沖信號的時間間隔ΔT與脈沖光源周期作比較，即可判斷弧光通道是否完好。

圖4為弧光通道自檢示意。圖中在710 ms時，人為剪短弧光傳輸光纖以模擬現(xiàn)場傳輸光纖損壞，弧光采集單元不能接受到返回的光脈沖信號，在1210 ms時，弧光傳感器通道發(fā)出傳感器異常報警信號，提示運檢人員進行異常檢修。

圖4 弧光通道自檢

1.2 基于遞歸中值濾波算法的弧光信號處理

由于通道自檢方案在弧光信號采集回路中人為疊加了幅值、脈寬均可調(diào)制的脈沖光，為防止脈沖光對保護裝置的正常運行造成影響，需要在弧光采樣信號參與邏輯運算之前將疊加的脈沖光濾除，從而保證弧光保護裝置正常運行。下面使用遞歸中值濾波算法對弧光采樣信號進行濾波[6]。

采樣序列為{x(n)}(n=1,2,3…)，設(shè)中值窗長為l(l為奇數(shù))，從中連續(xù)抽取l個數(shù)據(jù)：{x(i-k),x(i-k+1),…,x(i-1),x(i),x(i+1),…,x(i+k-1),x(i+k)}，其中，k=(l-1)/2,x(i)為位于窗口中心的數(shù)據(jù)。

中值濾波可表示為

y(i)=Median{x(i-k),x(i-k+1),…,x(i-1),

x(i),x(i+1),…,x(i+k-1),x(i+k)}

(3)

式中：Median為中值濾波函數(shù)；y(i)為中值濾波結(jié)果。

將中值濾波的結(jié)果形成新的數(shù)列，并將該數(shù)列再次進行新的中值濾波，結(jié)果即為遞歸中值濾波，用公式表示為

y(i)=Median{y(i-k),y(i-k+1),…,y(i-

1),y(i),y(i+1),…,y(i+k-1),y(i+k)}

(4)

遞歸中值濾波可以濾除脈沖寬度小于l/2的脈沖干擾，且對強度較大的脈沖噪聲有一定的去噪能力。

為使脈沖光源不造成弧光裝置誤動，需滿足式(5)。

Th≤kTs

(5)

式中：Th為LED光源發(fā)出的光脈沖脈寬；Ts為弧光信號采樣周期。

引入可靠系數(shù)λ(λ≤1)，即

Th=λkTs

(6)

式(6)表明，只要光脈沖信號脈寬設(shè)定合理，弧光采樣值在參與邏輯運算之前會通過中值濾波把光脈沖信號濾除，而不會對裝置正常運行造成影響。

所設(shè)計的中值濾波窗長l=9，則k=4?？煽肯禂?shù)λ=0.8，得到濾波前與濾波后的波形對比圖如圖5所示。

圖5 中值濾波前后波形對比

圖5中，采樣信號濾波前的尖峰為LED光源發(fā)出的光脈沖，經(jīng)中值濾波后，脈沖信號被濾除，不會對弧光保護邏輯造成干擾。

1.3 脈沖光對環(huán)境背景光影響的誤差估計

(7)

假定弧光傳感器所處環(huán)境的背景光和光脈沖基于環(huán)境光的增量大致相等時，脈沖光對背景光的影響百分比為脈沖光脈寬和周期的比值。文中計算得到δ值為0.024%，可見，光脈沖信號對背景光的影響可忽略不計。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實驗

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

弧光保護系統(tǒng)如圖6所示，由弧光主機單元、弧光采集單元、弧光傳感器以及光纖等組成[7-8]。

圖6 系統(tǒng)組成

弧光主機單元采集被保護母線的進線或分段電流。弧光傳感器將采集到的弧光信號通過弧光傳輸光纖連接至弧光采集單元。弧光采集單元對光強信號進行采樣，并將數(shù)據(jù)通過光纖傳給主機單元。主機單元通過光強信號、電流信號進線邏輯判據(jù)選擇跳開相應(yīng)的開關(guān)。

2.2 工作原理

保護裝置采用基于工頻變化量原理的電氣檢測判據(jù)，當(dāng)發(fā)生故障時，電流突變量大于設(shè)定門檻，電流判據(jù)滿足，即

ΔIφφ>KΔIφφth+ΔIφφth

(8)

式中：ΔIφφ為相電流變化量；ΔIφφth為浮動門檻，隨著變化量輸出增大而逐步自動提高；K為比例系數(shù)，保證浮動門檻始終大于不平衡輸出；Iφφth為固定門檻，需躲過正常負荷電流波動值最大值?；」獗Ｗo邏輯如圖7所示。

圖7 弧光保護邏輯

2.3 實驗結(jié)果

基于以上理論基礎(chǔ)開發(fā)的弧光保護裝置[9-11]，在模擬弧光故障時記錄的波形如圖8所示。

圖8 故障錄波

在圖8中，0 ms時由于電流突變到達設(shè)定門檻，整組啟動。4 ms時發(fā)生弧光故障，7 ms時弧光信號標志位變位，同時弧光保護動作。假定機構(gòu)動作時間30～40 ms，可保證在50 ms內(nèi)切除故障，有效防止弧光故障對人員和設(shè)備造成損傷。

模擬兩路弧光信號：弧光傳感器01可以接收到自檢脈沖光，且故障時可以接收到弧光信號，該傳感器異常信號為0；傳感器02接收不到自檢脈沖光，故障時也無法接收到弧光信號，故該傳感器異常信號為1；發(fā)生故障的傳感器異常時，不影響其他傳感器正常工作。經(jīng)實驗，傳感器02異常，傳感器01正常，在采集到弧光信號時，依然可以正確動作。

3 結(jié) 論

前面介紹了電弧光保護弧光傳感器通道自檢的原理和方法。該方法可消除因弧光傳感器損壞而導(dǎo)致裝置拒動的隱患，提高整個系統(tǒng)可靠運行的能力。基于所提通道自檢技術(shù)的電弧光保護裝置已在多個廠站投入使用，運行結(jié)果表明，該保護能為中低壓開關(guān)柜提供有效、可靠的保護方案。