一種新型高壓開關柜弧光檢測與保護方案設計

楊 奕，廖仕利，張柏年，陳鴻君

(重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶 400054)

高壓開關柜主要用于大型電站、電力公司對電源進行有效的變壓輸送。近年來，大功率的用電造成的電廠電力事故的原因是高壓開關柜由于溫度過高以及弧光故障使系統短路。高壓開關柜內部電弧燃燒產生的巨大能量可引起火災、輻射等安全事故，造成人員傷害和經濟損失。國外在20世紀90年代初開始研究電弧光現象的危害機理，并研制開發了各種保護措施。《2013年中國電弧光保護系統市場調查研究報告》指出，現階段中國對電弧光保護系統的研究處于關鍵時期，該領域研究空間大，經濟效益好，發展前景廣。本文通過對高壓開關柜內部電弧光機理進行研究，提出了一種新型的弧光保護系統，克服了目前弧光保護動作時間長的缺點。

1 弧光機理特性分析

1.1 電弧產生原因

電路元器件損壞:電力設備長期工作在強電壓、高溫的環境下，設備本身或者內部元器件會有一定的老化或者磨損，很容易發生電力事故，從而造成損失。

開光內部絕緣層破壞:①開光柜中絕緣材料的爬距不滿足絕緣要求，在周圍環境惡劣的條件下會發生絕緣事故;② 開關柜自身絕緣材料材質差，電力設備運行時間長，造成絕緣層老化引起故障。

外在原因:在對電力設備進行維護時，工作人員對部分工作區域檢測時誤操作、忘記維護設備等。

開關柜內產生過電壓:由電網內開關操作引起，特點是具有隨機性，在最不利情況下過電壓倍數較高，過高的電壓容易造成事故的發生。

1.2 弧光保護機理現狀分析

目前對高壓開關柜弧光保護的主流方式有3種，分別為檢測弧光信號、檢測電流諧波或者檢測溫度。這3種檢測信號的切除時間對設備影響如圖1所示。

弧光檢測保護針對配電柜內部電流短路等原因造成的故障。系統對產生電弧光信號進行檢測，一旦檢測到立即啟動保護裝置。這種方式作用時間為1.0 ～2.5 s，作用時間較長，且放射的能量較多，會引起火災等災害。通過圖1可以發現，在100 ms之內顯然無法快速切除母線故障。

圖1 不同檢測方法切除時間對設備的影響

電流諧波檢測是在弧光檢測的基礎上提出的一種保護方式。系統產生弧光時，作用不明顯，弧光保護系統很難判別出來，電流檢測保護解決了這一問題。電流諧波檢測測得信號后啟動保護裝置的時間略長，同時系統發生故障時產生的這種信號是隨機的，對配電柜的保護是單一方面的。

溫度檢測是對配電柜內部的實時監控，當溫度值高于預設值時啟動保護裝置對系統進行保護。該保護措施作用時間較長。

1.3 一種新型弧光保護方案

通過分析比較發現，上述3種方案都存在一定缺陷，雖然目前也有少部分保護采用的是同時檢測兩種信號(同時檢測弧光和諧波或者弧光和溫度)，但是通過圖1可以看出，該方式也會存在延遲和判別現象。本文考慮3種方案的特點，提出一種新型的配電柜保護方案，采用3種傳感器同時檢測3種信號，并通過光纖傳輸檢測信號進行故障判斷與保護。本方案既解決了作用時間長的問題，也形成了對配電柜立體式的保護，成本較低，實用性強，減少了配電柜內部故障的發生。

2 電弧光檢測與保護系統方案

圖2為總體方案設計及系統方框圖。弧光保護系統主要由微處理器STM32F103構成的主控單元、電流檢測單元、弧光檢測單元、溫度檢測單元組成。溫度檢測單元主要采用PerkinElmer公司生產的TPS534紅外溫度傳感器，弧光檢測單元采用由紫外光的弧光探頭構成的光纖電弧傳感器裝置，電流檢測單元采用霍爾電流傳感器。

由溫度檢測單元、弧光檢測單元與電流檢測單元分別檢測開關柜內部溫度及發生故障時產生的電弧光與過流信號。檢測的信號由光電發射裝置處理，經光纖傳輸，光電接收裝置將光信號轉化為電壓信號，對電壓信號放大濾波，傳輸到控制核心STM32F103。微處理器對信號進行分析處理、判斷后發出預警信號，顯示溫度示數，同時將輸出信號經光電收發裝置傳輸到保護裝置，對開關柜進行實時有效的保護。

圖2 電弧光保護系統總體方案設計及系統方框圖

2.1 電弧光檢測原理分析

通過對電弧光光譜的分析，300～450 nm的紫外光波段和450～800 nm的可見光波段是電弧光的能量積聚所在，并且電弧光中80%以上均為紫外光。

若采用傳統的光傳感器，由于在日常生活中突發性的光源較多，可能產生干擾光源而使弧光保護裝置發生誤動。采用專門的紫外弧光探頭則可以避免環境中可見光引起的不穩定情況。

當產生電弧光信號后，傳感器將檢測到的光信號轉化為電信號傳輸到光電收發裝置，轉化關系如下:

其中:h為普朗克常數，h=6.626 ×10－34(J·s);v為光的頻率(s－1)。

其中:m為電子質量;vo為電子逸出速度。

光電轉換效率為

光電效率IPCE與光捕獲效率LHE(l)、電子注入量子效率finj以及注入電子在納米晶膜與導電玻璃的后接觸面上的收集效率fc有關，其公式如下:

通過電弧光光譜分析可知，電弧光中80%以上均為紫外光。傳統的電弧光傳感器采集的光源中大多數以可見光為主，在日常生活中突發性的光源較多，例如雷電產生的光、閃光燈等。基于傳統可見光采集弧光傳感器可能采集到干擾光源，促使弧光保護裝置發生誤動。經過計算分析發現，采用紫外弧光探頭可以避免環境中可見光引起的不穩定性情況，采集光信號強度高，轉換電信號精度高。

2.2 過流信號檢測原理分析

霍爾電流電壓傳感器是根據霍爾原理制成的一種檢測電流的元件。電流通過導線時會在導線周圍產生磁場B，磁場的大小與通過導線的電流成正比。在磁場B中放置霍爾器件，電路中產生的電流I提供給霍爾器件的兩端，霍爾器件的另外兩端會輸出一個霍爾電壓Uh。輸入電流I與輸出電壓Uh滿足下面的式子:

式中:KH為霍爾系數;θ為電流與磁場的夾角。

霍爾器件是采用半導體材料制作而成的一種磁與電之間轉換的元器件。在輸入端提供控制電流IC，讓磁場B通過霍爾器件感應磁場的一面，則在霍爾器件的輸出端產生霍爾電勢VH。

霍爾電勢VH的大小與控制電流IC、磁通密度B的關系如下:

由理論分析可以得出:電流傳感器是電－磁－電的絕緣隔離轉換，測量高壓開關柜中電流信號的大小可以通過測量霍爾電勢大小反映出來，且測量精度較高。利用霍爾電流傳感器可以對高壓開關柜內部的電流信號大小進行檢測。

2.3 電光、光電信號轉換原理

光纖傳輸信號具有傳輸頻帶寬、通信容量大、損耗低、抗干擾強等優點。光纖傳輸過程中采用光電收發裝置。光電收發裝置由光電介質轉換芯片、光信號接口和電信號接口組成，其中光電介質轉換芯片OEMC為該裝置的核心控件，其兼容性強。光電轉換電路將采集到的電信號統一轉換為光信號，由光電發射裝置發射光信號，通過光纖傳輸，經過接收裝置后由光電介質轉換電路轉換為電信號，再經放大濾波傳輸到核心控制處理電路。電光、光電信號轉換原理見圖3。

圖3 電光、光電信號轉換原理

2.4 弧光保護設計

系統保護電路采用斷路器失靈保護。電力系統中母線連接元件上發生短路等電力故障時，若斷路器未能正確地啟動斷路保護，則微處理器STM32F103會傳輸指令驅動失靈保護裝置及時斷開電源。失靈保護由電壓閉鎖元件、保護動作與電流判別構成的啟動回路，時間元件及跳閘出口回路組成。

3 軟件設計

系統核心軟件主要有溫度檢測控制單元、弧光保護控制單元和電流諧波檢測單元。在溫度檢測控制單元中，溫度信號經霍爾傳感器采集到溫度控制單元后，經光纖收發裝置轉換，放大、濾波后在控制核心單元中將輸出信號與預設值進行比較。若溫度過高，則系統發出預警信號并顯示溫度，工作人員對高壓開關柜故障發生部位進行維護和保修，從而保證開關柜正常工作。在弧光保護控制單元、電流諧波檢測單元中，系統初始化后，若未檢測到電弧光或電流諧波，則指示燈發亮，系統正常工作;當電弧光傳感器采集到電弧光信號或者電流諧波信號后，系統開始工作，對采集到的信號經過放大、濾波、判斷處理后，信號被最終傳輸到主控核心進行比對分析，控制核心發出指令進行斷電保護。溫度預警流程和弧光采集流程分別見圖4、5所示。

圖4 溫度預警流程

圖5 弧光采集流程

4 數據測試

4.1 部分核心控制單元測試

1)溫度預警測試

溫度檢測采用調壓變壓器供電，通過調節加熱帶電壓使其所附銅線排的溫度隨之變化。實驗室測試平臺由調壓變壓器、3個不同寬度的銅排(8 cm，s cm，4 cm)、3 個不同寬度的鋁排(8 cm，s cm，4 cm)、1條加熱帶組成，可模擬10～150℃的溫度環境。溫度傳感器可用于監測開關柜內部的重要部件(如母線、元件、保護元件)的溫度，在超過其整定值時主報警器會發出報警信號。

2)弧光保護機制測試

在針對弧光保護機制的測試中，電弧光在實驗室很難模擬，故采用不同型號的燈泡和紫外光發生器來提供不同的光質，測試弧光保護機制系統的斷電保護功能和最好的光質條件，并進行參數最優設置。

4.2 測試結果

在系統測試中，模擬采用SZ11－1250KVA有載調壓變壓器調制不同溫度環境下的電壓值來觀察該系統是否能正常運行。經過測試發現，當超過100℃時系統發生預警。

不同溫度環境中，系統預警發生的情況見表1。

表1 不同溫度環境中系統預警發生情況

在不同的光質的情況下，該系統的斷電情況見表2。

表2 不同光質情況中系統斷電情況

與普通保護裝置動作時間比較，該系統斷電保護的時間見表3。

表3 弧光保護與普通繼電保護的斷電保護時間比較

4.3 測試結果分析

測試結果表明:系統能夠在不同溫度、不同光強度環境中預警和實現斷電保護電路。當開關柜內部產生弧光或者過流信號時，該系統能夠在4 ms的時間內瞬時對電源進行自動斷電保護;當溫度高于110℃時，系統啟動預警功能，發出警報，工作人員對故障進行維修。

5 結束語

隨著現代光電子的發展，各種母線保護技術層出不窮，弧光保護作為一種新型的高壓開關柜保護措施具有廣闊的發展前景。

本文設計的保護方案有利于保障大型供電公司中電力設備的安全運行，為避免高壓開關柜、母線和其他變電設備中產生電弧光故障提供了可靠的保障，同時降低了對輸電設備的損害和工作人員生命安全的威脅，保障了供電電網的安全穩定運行，提高了輸電效率，減少了經濟損失。

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