基于電量及非電量提取的故障電弧識別方法

許守東，張樹培，劉柱揆，丁心志，沈鑫，張麗，韓鈺

（1. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2. 云南電力試驗研究院（集團）有限公司，昆明 650217；3.云南電網有限責任公司保山供電局，云南 保山 678000）

0 前言

電力系統中，按目前的保護方案[1]，35 kV及以下電壓等級的母線，無論其出線條數多少、復雜程度如何，一般都均未裝設專門的母線保護[2-4]。而開關柜內部弧光故障是配電系統中一種非常嚴重的故障，因為故障點容性電流比較大，故障點的故障電弧很難完全熄滅，電弧反復重燃，由于電弧電阻的原因，短路時故障電流通常未達到過流保護速斷定值，導致不能立即切除故障，同時因為相關設備絕緣水平過低，并快速發展成為相間短路故障，設備電弧不斷燃燒的結果將會釋放出巨大的能量，對人身及設備帶來極大的損害[5-7]。所以，研究并運用三特征量法，提高弧光保護的可靠性，解決系統故障時，弧光產生點能迅速與系統隔離，保證電力系統的安全可靠運行。

基于上述分析，本文采用弧光和電流、電壓相結合的方式實現對故障電弧的診斷，光譜、電流及電壓的特征，實現故障電弧的有效識別的非電量加電氣量的三特征量弧光保護。

1 電弧光保護系統的原理

1.1 電壓、電流變化量分析

當單相接地故障后，且電流很小，故障電流流過零值時，電弧光將自行熄滅，故障自然消失；而單相接地故障電流大于30安時，將再次產生穩定電弧光，形成連續性電弧光接地故障，導致設備損壞，同時形成兩相或者三相短路；當接地電流大于10安小于30安時，極有可能產生穩定的間歇性故障電弧，當系統中性點不直接接地時，發生間歇性弧光接地故障時，由于電弧時而熄滅時而重燃，致使系統故障對地電容反復積累和重新分配。而非故障相的電感電容回路上將產生高頻過電壓，幅值可達3.1至3.5倍相電壓，從而破壞電網的絕緣。以工頻電流過零時熄弧來分析過電壓發展過程的理論，稱為工頻熄弧理論[8]。

圖1 中性點不接地系統網絡接線圖

當線路較長或者電纜出線比較多時，對地電流會很大，將導致電弧接地不容易消除，并且將出現電弧接地過電壓。仍考慮圖1所示電路，設三相電源為公式（1）

當A相角度為ωt=π/2，發生接地故障后，B相和C相對地電壓幅值由-0.5 UM降低-1.5 UM；當在A相電流幅值過零點即ωt=3π/2時，電弧熄滅。同理當ωt=7π/2時，電弧再次熄滅，此時各相電壓與ωt=3π/2時完全相同，其熄弧和再次燃弧與前相同。

依據工頻熄弧理論分析，故障相與非故障相電壓明顯不同，且故障相和非故障相的最大電壓分別具有相同的極性。所以，發生電弧故障勢必使得相電流增大。

通過對電弧電壓、電流信號進行檢測，提取電弧電壓的突降信息，電弧電流的突增信息，作為弧光保護電量判據。

1.2 弧光探測方法

通常弧光保護裝置利用采集到的光強度強弱作為弧光保護邏輯判斷的依據，只要弧光保護傳感器采集到的光強度大于設定的光強閾值，認為滿足弧光條件，否則，弧光保護將判斷系統沒有接地故障。盡管弧光保護的光強靈敏度設置較高，如果用手電筒直接照射的光強度弧光保護依然能動作。

大量試驗表明，系統故障時，產生的電弧光中含有可見光、紫外光和近紅外光三個部分，通過對弧光中的光譜進行分析獲得，紫外光中的波長在230～400 nm之間，其中部分波長在230～280 nm區間，被稱之為“日盲區”。所以為了減少電弧放電檢測過程中可見光的干擾[9-10]，可以利用太陽盲區，采用特定的紫外弧光傳感器，檢測光譜在280 nm的波長以下的紫外光，并將其作為弧光保護的判據。因此，當故障時利用弧光保護的紫外特征，作為弧光保護的判據，將大大減少弧光保護的誤動發生。

1.3 弧光保護的構成

弧光保護裝置一般設計弧光傳感器安裝的物理位置，去實現對低壓開關柜內部發生故障后，產生的弧光來判斷設備是否真發生了故障，通過采集到的弧光強度大小的明顯變化，首先對設備的故障進行判斷，再把采集到的光信號轉變成電信號后，進一步作為邏輯判據進行判斷。其覆蓋范圍視其弧光探頭的分布情況而定。通過弧光保護系統的弧光采集器安裝的位置可以進行故障定位，以便更好的進行維護檢修。

為了防止外界光強的干擾，而引起保護的誤動，運用的弧光保護裝置往往還需要加入電流、電壓信號，當弧光保護裝置檢測到弧光信號后，同時檢測到電流、電壓的突變量，通過裝置內的保護邏輯判斷后，發出跳閘命令，切除故障，以保證設備的安全穩定運行。其原理如圖2所示。

弧光保護原理簡單，保護動作邏輯判據由三部分組成，分別是非電氣量判據弧光信號和電氣量判據電流、電壓信號。當裝置檢測到的三個特征信號組成“與”的關系直接出口跳閘，當裝置檢測到的三個特征信號組成“或”的關系，裝置發出告警信號。

圖2 電弧光保護原理示意圖

針對中壓開關柜中多發的電弧光短路故障，提出以檢測電弧電壓、電弧電流和弧光三種信號作為保護原理的電弧光保護，完成了保護裝置的結構設計，使其具備安全可靠、快速靈敏和抗干擾等特點，與常規電弧光保護裝置相比，電壓、電流突變量和電弧光三特征信號的電弧光保護裝置可以避免傳統電弧光保護裝置的光信號干擾產生的誤動情況，提高了保護裝置的可靠性。

電氣量和非電氣量三特征法電弧光保護能很好實現對母線的快速保護，并能滿足保護快速性、靈敏性、選擇性和可靠性要求。

2 三特征量法弧光保護運用

2.1 現場事故的簡要經過

某35 kV變電站6 kV出線供電的主井絞車房，開關為705的主絞I線和開關為706主絞II線的兩個回路供電，當開關705主絞I線安裝調試完弧光保護，某公司安裝調試完多點測溫傳感器及采集裝置后，將開關706主絞II線負荷切換至開關705主絞I線 ，當運行人員合上開關705主絞I線時，雙回路切換過程中弧光保護瞬時動作。當時開關705主絞I負荷側柜門被高溫氣浪沖開，現場有濃煙并伴有強烈刺激性焦臭味。

2.2 事故原因分析

常測溫傳感器有兩種，一種為無線感溫傳感器，可以安裝在高壓室內；一種為有線感溫傳感器，只能安裝在低壓室內。而現場安裝的感溫傳感器為有線的，錯誤將其安裝在高壓6 kV開關柜705主絞I線負荷側母排上。由于測溫裝置及傳感器無法承受如此高電壓導致負載A、B相間被擊穿短路，出現大電流并伴隨高強度弧光導致弧光繼電器保護動作。

2.3 弧光保護動作情況分析

根據監控系統動作報告及SOE遙信變位的歷史記錄得知，從開關合閘到再次跳開共83 ms左右，由弧光保護正確切除故障。當時開關705主絞I線路為重要負荷線路，該開關的線路保護裝置的電流速斷投的是限時速斷，延時0.3 s。因事故在83 ms左右即被切除，故開關705主絞I線路保護故障未超過0.3 s故障已被由電壓、電流、弧光構成的保護切除，故過流速斷保護未動作，正確。由于弧光保護動作靈敏、迅速，可靠并將事故瞬時切除，將損失降低至最低。

3 結束語

通過對電流、電壓及弧光特征量構成的弧光保護進行理論分析及現場運用情況表明，將電流、電流信號及各頻段能量譜作為故障電弧的特征量，對故障電弧具有較高的識別率。

由電氣量加非電量構成的電弧光保護要在性能上滿足快速保護母線、使用簡單、可靠性、經濟性上最優化等要求。且與其他保護相互配合，在原有保護或設備的基礎上，增加少量輔助設備既能實現對中低壓母線的保護，又能保持原有的保護功能不丟失，能做到效率高、設備改造投資費用少，即要滿足最優化也要滿足經濟性。