開關柜快速電弧光保護方案

沈宇龍，夏成林，郄朝輝，周劭亮

(1.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3.智能電網保護和運行控制國家重點實驗室，江蘇 南京 211106)

0 引言

在中低壓電力系統中，如果不及時切除電弧光故障，將嚴重威脅現場工作人員的人身安全及電力系統安全穩定運行[1-3]，業界對電弧光原理及故障特性進行了研究[4-10]。文獻[11]～文獻[12]分別提出了紫外光加電流及弧光、電流加溫度判據的弧光保護方案。這些方案整體故障切除時間(繼電器出口時間斷路器開斷時間)不超過IEC 298標準附錄中規定的中低壓開關柜耐受最大燃弧時間(100 ms)。文獻[13]～文獻[14]提出快速接地開關滅弧的方法，滅弧時間短至4～6 ms。該方法滅弧后，需要保護裝置在IEEE C57.12要求的變壓器金屬性短路電流耐受時間(2 s)內，切除由于三相短路所引入的短路電流。本文提出了一種以弧聲、弧光和電流為判據的弧光保護方案，能夠快速識別并徹底清除電弧光故障。

1 弧光的聲、光、電效應

1.1 弧聲產生原理及研究

電弧的弧聲源于電弧能量的變化，表現為電弧陰極與陽極之間等離子體體積的變化。體積的變化會引起等離子流的運動，帶動電弧周圍質點偏移平衡位置，并由近至遠地傳播機械運動量。這就形成了電弧聲波[15]。

在故障電弧光形成之前，空氣等離子體的擾動就已形成了弧聲。進入穩定燃弧階段后，電弧聲音不再隨外界環境改變，弧聲頻率穩定在5～10 kHz，背景噪聲主要集中在4 kHz以下[16-17]。隨著傳感器技術的發展，根據電弧聲的頻率特性，可以通過濾除背景噪聲來采集理想的電弧聲信號，并將電弧聲信號作為弧光保護的判據。

1.2 弧聲產生原理及研究

電弧光是氣體放電的最終形式。當圍繞氣體原子的電子被電離為等離子體后，成為游離的自由電子，并在外界電離因素或較高電場作用下向外輻射電磁波。這種在放電通道周圍向外輻射的電磁波就是電弧光。

此時，受激發而電離產生的電弧光中，有近70%處于250～380 nm的紫外光波段[18-19]。這是電弧光的主要特點。燃弧一旦開始，電弧就持續向外輻射能量，從而可以在合適的距離與角度采集到顯著的故障電弧光。因此，可根據光傳感器的信號檢測電弧光。

以系統電壓15 kV、故障電流50 kA的系統為例，在距電弧中心910 mm處，弧光能量與時間關系如圖1所示[20]。弧光能量與時間呈正比關系。當燃弧持續100 ms時，釋放的能量能夠引起電纜燃燒；持續150 ms，引起銅排燃燒；持續200 ms，引起鋼材燃燒。因此，為防止設備持續損害，應在100 ms內徹底清除弧光故障。

圖1 弧光能量與時間關系圖

1.3 弧光故障電流研究

開關柜中弧光故障電流大致等于金屬性短路故障電流[13]。仍以系統電壓15 kV、金屬性短路電流50 kA的系統為例，根據IEEE 1548-2018中HCB型弧光故障模型，弧光短路電流簡化計算公式如下：

logIarc=k1+k2logIbf

(1)

式中：Iarc為弧光短路電流；Ibf為金屬性短路故障電流。

取k1=0.008 693、k2=0.999、Ibf=50 kA，代入式(1)，可得：

logIarc=0.008 693+0.999log(50)=1.709 64

Iarc=101.705 964=50.81 kA

從上述公式可以看出，Iarc與Ibf大致相當。

當故障電弧形成后，通常在10 ns內，故障點電弧電壓從擊穿值顯著下降，電流快速上升；約1 μs后，電壓電流接近穩定狀態[21]。也就是在燃弧初期，故障電氣量特征明顯，有利于故障電流判別。一旦開關柜內各種金屬構件及絕緣材料開始燃燒，故障電流將復雜多變，判別難度增加。根據燃弧引發的故障電流特點，采用電流采樣點的突變特征，可得到較高的處理精度。

2 快速弧光保護的原理與實現

2.1 總體方案設計

本方案的弧光保護裝置就地安裝于開關柜儀表室，通過傳感器對檢測到的弧聲、弧光和電流信號進行處理。根據開關柜設計構造、運行條件等因素，弧光保護判據需要進行靈活設置，在保證可靠性的前提下，解決不同運行條件下的選擇性，以適應不同的運行場景。弧光保護裝置可設置三種模式：①弧光模式，根據弧光信號進行保護動作判斷；②弧光和電流模式，弧光和電流均滿足判據后滿足動作條件；③弧聲、弧光和電流模式，需要同時滿足弧聲、弧光和電流判據。弧光保護總體方案如圖2所示。裝置實時采集傳感器數據，滿足動作判據后跳閘開關，快速切除電源，隔離并消除弧光故障。

圖2 弧光保護總體方案圖

弧光保護可作為獨立的保護單元，通過弧光傳感器、弧聲傳感器及電流互感器采集故障信息，迅速識別弧光故障并通過快速繼電器跳本間隔斷路器。同時，在常規站中，可通過硬接點信號發送跳進線電源斷路器命令，在智能站中通過面向通用對象變電站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)發送跳進線電源斷路器命令。將告警信息、動作報告及故障波形通過IEC 60870-5-103規約或制造報文規范(manufacturing message specification，MMS)上傳到站內監控后臺，供事故分析與調查。

本弧光保護可與其他保護裝置配合，通過電纜接線或GOOSE接收其他保護裝置的跳閘命令，也可將自身采集到的聲、光信號轉化為開關量，通過GOOSE發送給其他保護裝置使用。

2.2 保護實現方法

弧光保護具體判據通過電流判據投入、弧聲判據投入的不同方式，可實現弧光保護裝置的三種模式的切換。具體可采集兩路電流輸入、三路弧光信號輸入及三路弧聲信號，分別通過電流值突變、弧光越上限、弧聲越上限實現電流、弧光和弧聲判據。

當滿足動作條件后，出口電路中與繼電器并聯的二極管迅速導通，并形成跳閘回路。待繼電器節點閉合后，電流轉移至已閉合的繼電器觸點。該電路在7 ms內跳閘，同時通過電纜或GOOSE跳進線開關(開斷時間為40～60 ms)。裝置能在60～70 ms徹底清除電弧光故障，保障設備和人員的安全。設備通過傳感器處理聲、光、電信號，通過中央處理器(central processing,CUP)和數字信號處理器(digital signal process,DSP)進行數據處理和判據計算，并由繼電器或GOOSE輸出跳閘信號。同時，裝置具備以太網接口，可實現和保信子站、監控系統的連接。

2.2.1 弧聲采集與判斷

本方案采用高精度次聲光纖傳感器(精度范圍0.5～14 kHz)采集聲音信號，將模擬信號通過光纖傳給裝置。裝置對信號進行放大、模擬/數字(analog/digital,A/D)轉換，并通過DSP，以7.5 kHz為弧聲中心頻率進行濾波、計算，將帶寬5～10 kHz的弧聲信號從背景噪聲中提取出來。

弧聲在燃弧前就會由于離子擾動而出現，但音量小于燃弧時的聲音。因此，本方案設置了兩套弧聲定值：一套為報警定值，可根據實際工況，將定值設置得較小，只用來觸發裝置的報警信號；另一套的定值可設置得稍大一些，作為與弧光和電流一起構成的跳閘判據。單獨設置出一套弧聲告警定值有以下優點。①開關柜內絕緣材料的腐蝕、老化是一個緩慢的過程，加上灰塵、潮氣等影響因素，雖然不會直接形成燃弧，但很有可能形成弧聲。這時，裝置能夠提前發出告警信號及時提醒運維人員，避免事故的形成。②一旦將弧聲傳感器固定于開關柜內的裝設點，傳感器及光纖本身的檢修將變得十分困難。參照繼電保護裝置“通信對點”的概念，只需投入弧聲報警功能并人工播放特定頻段的錄音，觀察是否有弧聲報警，即可判斷開柜內弧聲傳感器及光纖通道是否正常。

2.2.2 弧光采集與通道自檢

本方案采用雙通道無源帶光纖回路自檢功能的弧光傳感器。該傳感器可采集可見光(波長400～600 nm)和紫外光(波長300～380 nm)，光照度啟動閾值為1～20 kLux，探頭檢測范圍不小于270°。當采集到故障弧光信號后，通過光纖將模擬光信號傳送給弧光保護單元進行光電轉換、放大后送至DSP進行處理，從而得到可靠的弧光判據。

與弧聲傳感器一樣，無源弧光傳感器及光纖通道一旦裝設于開關柜內，需要運維人員打開柜體蓋板才能檢查其是否正常。這樣既費時費力，又不安全。本方案采用一種新型帶回路自檢功能的弧光采集方法，能夠對采集回路進行實時自檢測。一旦發現光纖回路異常，立即報警并閉鎖弧光保護，并將報警信號送往監控后臺，通知運維人員。弧光回路自檢如圖3所示。裝置內置的高精密自檢光源按固定周期發送自檢光脈沖。光脈沖通過光纖發送通道進入弧光傳感器，經特殊結構反射并通過接收通道進入裝置。裝置接收光脈沖并進行檢查：如果裝置沒有定期接收到測試脈沖，表明回路異常。

圖3 弧光回路自檢示意圖

自檢光收發脈沖波形如圖4所示。

圖4 自檢光收發脈沖波形

圖4中：P1波形為自檢光源發送的、脈寬為250 μs的光脈沖；P2波形為裝置接收到的自檢光脈沖。

由于弧光檢測模塊對微弱光源極其敏感，而裝置運行于不同工況下的背景光強度不同，因此裝置具備背景光補償功能，可通過參數設置實現背景光濾除，提高弧光檢測的靈敏度和可靠性。

2.2.3 電流突變判據

本方案采用電流突變量作為判據，將當前t時刻連續多個采樣點的值與(t-T)(T為采樣周期)時刻及(t-2T)時刻采樣點的值進行比較。相較于傳統的快速傅里葉變換算法，本方案提高了判別速度，能快速、可靠地計算出故障電流。

突變電流采樣時刻如圖5所示。

圖5 突變電流采樣時刻示意圖

電流突變量采用至少連續6個采樣點(采樣頻率為4 kHz，6個采樣點為1.5ms)均滿足正向突變且大于突變定值作為動作條件，可消除因干擾而引入的毛刺影響。

2.3 試驗驗證

通過建立試驗檢測環境，驗證弧光保護裝置動作的可靠性。弧光保護測試如圖6所示。上位機通過網絡交換機連接測試儀進行控制，連接弧光保護裝置進行定值修改和動作過程監測；測試儀按狀態序列輸出故障電流及弧光階躍信號。

圖6 弧光保護測試示意圖

保護跳閘延時整定為0 ms，電流定值整定為2 A，光照度定值整定為10 kLux，測試次數為5次。測試儀輸出電流值為4 A，輸出光照度為20 kLux，弧聲傳感器接輸出頻率為5～10 kHz的音響，使弧聲判據一直處于滿足狀態。電弧光保護裝置在僅判弧光，判弧光和電流，以及判弧光、電流和弧聲這3種模式下的保護動作時間如表1所示。

表1 保護動作時間

由表1數據可得，裝置在三種模式下均能夠在7 ms以內可靠跳閘出口，跳閘出口時間再加上40～60 ms的斷路器開斷時間，裝置可以在70 ms內切除弧光故障。

文獻[11]采用弧光和電流判據并使用固態繼電器出口跳閘，出口時間為4 ms。文獻[12] 將弧光和電流作為判據，出口時間為4 ms，未說明所使用的繼電器類型，溫度條件僅作為告警判據而未參與跳閘邏輯。本方案在跳閘出口時間上大于上述兩個方案，但跳閘判據可選擇弧光、電流和弧聲這3種判據，因此對弧光故障特征的判別更可靠，且采用常規繼電器的跳閘電路也更安全。

3 結論

本文研究了開關柜弧聲產生的原理及頻率特點，電弧光的形成原理、能量幅值及頻率特點，并通過對弧光故障電流特性的分析，提出了一種基于弧聲、弧光及電流三種判據組成的開關柜快速弧光保護方案。經過試驗分析，該方案滿足繼電保護裝置可靠性與快速性的要求，是一種靈活、有效的開關柜快速電弧光保護方案。

目前，本方案通過識別更多的表征信息來有效判別電弧光故障，增加了裝置動作的可靠性，并通過并聯二極管來提高硬件電路的跳閘速度。然而，常規斷路器的開斷時間為40～60 ms。與之相比，無論是本方案7 ms的跳閘出口速度，還是其他文獻提出的4 ms，甚至更短的跳閘出口速度，都不能從原理上顯著縮減電弧光故障的清除時間。本文后續工作將進行燃弧前電氣特征及物理特征的研究，在弧光故障發生前提供更早的預警及人工干預措施，以達到消除弧光故障危害的目的。使用該原理和方法開發的裝置已在國外多個站點投入使用。2018年，在古巴某站成功檢測到一起因小動物引起銅排安全間距短路造成的弧光故障并正確動作，檢驗了裝置的可靠性。