基于電子傳感技術(shù)的低壓開(kāi)關(guān)柜弧光保護(hù)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(kāi)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(kāi)關(guān)柜將各個(gè)電器元件固定在開(kāi)關(guān)柜中，不同的構(gòu)件分布組合為一個(gè)整體的柜體。弧光是電力系統(tǒng)中因?yàn)槎搪匪鸬幕」狻；」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(gè)持續(xù)的過(guò)程，當(dāng)電力系統(tǒng)中兩點(diǎn)間的電壓超過(guò)其工頻強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)產(chǎn)生。

總體而言，低壓開(kāi)關(guān)柜中形成電弧的過(guò)程可分為壓縮、拓展、發(fā)射以及發(fā)熱4 個(gè)階段。①壓縮階段 電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的電弧占據(jù)整個(gè)氣體空間，柜內(nèi)形成對(duì)流及輻射，柜內(nèi)的空氣被加熱；②拓展階段 由于過(guò)熱的空氣，柜內(nèi)內(nèi)部壓力增加，拓展時(shí)會(huì)形成一個(gè)熱空氣流動(dòng)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(guò)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(kāi)關(guān)柜中的溫度不斷升高，受到弧光的影響，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的金屬受到侵蝕融為一體，破壞開(kāi)關(guān)柜的正常運(yùn)行。

1 開(kāi)關(guān)柜弧光保護(hù)方法

固定分隔式低壓開(kāi)關(guān)柜在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，弧光觸發(fā)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部線(xiàn)路產(chǎn)生大量渦流損耗，導(dǎo)致實(shí)際保護(hù)弧光數(shù)值變小，開(kāi)關(guān)柜中產(chǎn)生的熱量差變大，因此低壓開(kāi)關(guān)柜頻繁發(fā)生弧光短路故障。對(duì)此，文獻(xiàn)[1]提出了低壓柜故障分析方法，針對(duì)寧波軌道交通1 號(hào)線(xiàn)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(hù)設(shè)置及開(kāi)關(guān)柜裝配2 個(gè)方面進(jìn)行分析，在分析的基礎(chǔ)上提出保護(hù)方案，適當(dāng)減少繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，增加弧光保護(hù)。文獻(xiàn)[2]提出了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部電弧故障的保護(hù)方法，利用超快速接地開(kāi)關(guān)快速接地來(lái)轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部故障電弧電流，同時(shí)利用超快速接地開(kāi)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(duì)柜內(nèi)絕緣和元件的損壞，這樣可以讓開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)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(hù)數(shù)值過(guò)小，開(kāi)關(guān)柜中產(chǎn)生的熱量差數(shù)值過(guò)大，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜弧光保護(hù)效果不佳。對(duì)此，本文提出基于電子傳感技術(shù)的固定分隔式低壓開(kāi)關(guān)柜弧光保護(hù)方法，解決了傳統(tǒng)方法存在的問(wèn)題。

2 固定分隔式低壓開(kāi)關(guān)柜弧光保護(hù)方法

2.1 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電流采集

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

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

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

式中：EA為線(xiàn)路的電動(dòng)勢(shì)；C1，C2，C3分別為開(kāi)關(guān)柜中的3 條線(xiàn)路的電容；Rd為線(xiàn)路電阻；ω 為線(xiàn)路的數(shù)量。當(dāng)金屬性接地時(shí)，Rd＝0，此時(shí)開(kāi)關(guān)柜線(xiàn)路中各相對(duì)地電壓、母線(xiàn)上的零序電壓為

式中：UAD，UBD，UCD分別為不同中性點(diǎn)之間控制線(xiàn)路的電壓；EA，EB，EC分別為開(kāi)關(guān)柜線(xiàn)路中性點(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)。中性點(diǎn)間發(fā)生短路后，線(xiàn)路中發(fā)生弧光，此時(shí)圖1 中故障相A 相對(duì)地電壓為零[4]，流經(jīng)電容的電流也為零。所以此時(shí)不同線(xiàn)路間產(chǎn)生弧光時(shí)的電流數(shù)值為

式中：j為零序電流系數(shù)；C為線(xiàn)路總電容；I0為零序電流；其余參數(shù)表示不同中性點(diǎn)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(gè)跳斷路器，保證開(kāi)關(guān)柜的正常運(yùn)行[5]。

2.2 計(jì)算開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部熱量

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

式中：H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量；J 為總電流密度矢量；D為電位移矢量；t為時(shí)間；Δ為微分算子。開(kāi)關(guān)柜中多線(xiàn)路形成的多種弧光構(gòu)成一個(gè)渦流場(chǎng)，渦流場(chǎng)在開(kāi)關(guān)柜中導(dǎo)電材料的影響下，形成一個(gè)穩(wěn)定的電磁場(chǎng)[6]。該電磁場(chǎng)為

式中：μ 為開(kāi)關(guān)柜分隔板材料的磁導(dǎo)率；σ 為開(kāi)關(guān)柜分隔板材料的電導(dǎo)率；B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量；其余參數(shù)含義不變。在考慮分隔式開(kāi)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(shí)固定分隔式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的磁場(chǎng)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(jì)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(kāi)關(guān)柜中升溫的熱源，分隔式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)磁場(chǎng)的單位功率損耗為

式中：P為功率損耗；V為開(kāi)關(guān)柜中的電壓值。弧光利用這部分功率損耗產(chǎn)生熱量，引起開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部溫度變化[8]。假設(shè)弧光與開(kāi)關(guān)柜間的溫差為t1-t2，則開(kāi)關(guān)柜通過(guò)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(kāi)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(huì)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(kāi)關(guān)柜的黑度；T1，T2為開(kāi)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(kāi)關(guān)柜內(nèi)部線(xiàn)路及零件溫度升高，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的空氣也會(huì)隨著弧光的輻射溫度上升，造成開(kāi)關(guān)柜中產(chǎn)生一定數(shù)值的熱量差[10]，計(jì)算該部分的熱量差Q′為

開(kāi)關(guān)柜中由弧光所產(chǎn)生的熱量差，導(dǎo)致柜內(nèi)線(xiàn)路與零件發(fā)生熱熔，導(dǎo)致線(xiàn)路短路，使用式（11）計(jì)算出的熱量差，設(shè)定一個(gè)溫度跳斷路器，保護(hù)弧光熱量的作用對(duì)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(jì)一個(gè)壓力傳感器，傳感開(kāi)關(guān)柜中弧光因溫度所產(chǎn)生的壓力。設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)柜中由空氣壓力引起的氣流[11]；耳柄與開(kāi)關(guān)柜的分隔板相連。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜中發(fā)生弧光時(shí)，弧光引起的氣流會(huì)促使葉片發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，將弧光產(chǎn)生的熱量通過(guò)葉片傳輸?shù)介_(kāi)關(guān)柜的分隔板上[12]。為了消除分隔板上的熱量，伸長(zhǎng)分隔板上的線(xiàn)路金屬絲，設(shè)定多個(gè)接點(diǎn)，形成一個(gè)跳斷路器，具體如圖3 所示。

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

由圖可見(jiàn)，當(dāng)葉片的氣流壓力下，斷路器中的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，接點(diǎn)K1 直接閉合，此時(shí)中間繼電器Kl 線(xiàn)圈連接，接點(diǎn)KL 自動(dòng)閉合，整個(gè)開(kāi)關(guān)柜閉合[13]。因分隔式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的線(xiàn)路為一個(gè)并聯(lián)模式，跳斷路器存在一個(gè)電流總線(xiàn)。為排除該部分電流的影響，采用一個(gè)光敏電阻，在開(kāi)關(guān)柜的電流總線(xiàn)處設(shè)計(jì)一個(gè)弧光接地保護(hù)電路[14]。所設(shè)計(jì)的接地保護(hù)電路如圖4 所示。

圖4 接地保護(hù)電路Fig.4 Grounding protection circuit

由圖可見(jiàn)，當(dāng)開(kāi)關(guān)柜電流總線(xiàn)中的電流過(guò)大時(shí)，流經(jīng)繼電器K1 的電流也增大，經(jīng)過(guò)接點(diǎn)K2 與K3 的接連閉合，光敏電阻觸發(fā)斷路器，開(kāi)關(guān)柜停止工作[15]。

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

3 仿真試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)保護(hù)方法的性能，準(zhǔn)備1 個(gè)外殼為鋁、母線(xiàn)材料為銅、絕緣子為復(fù)合材料的開(kāi)關(guān)柜。開(kāi)關(guān)柜的具體材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 開(kāi)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(kāi)關(guān)柜為試驗(yàn)對(duì)象，在開(kāi)關(guān)柜中模擬實(shí)際開(kāi)關(guān)柜中弧光的產(chǎn)生，采用控制臺(tái)、油浸變壓器及放電裝置構(gòu)建1 個(gè)弧光產(chǎn)生裝置，如圖5 所示。

通過(guò)所構(gòu)建的弧光產(chǎn)生裝置，采用放電支架與電機(jī)構(gòu)成放電裝置。調(diào)節(jié)控制臺(tái)電極間的電壓范圍為10～45 kV，控制臺(tái)輸出電壓為低壓，經(jīng)過(guò)變壓器處理后電壓值達(dá)到放電電壓。電極采用球形形狀，模擬開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的放電過(guò)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(qiáng)度數(shù)值，外部連接1 個(gè)增強(qiáng)型的PIN 硅光電二極管作為弧光探測(cè)器，以探測(cè)裝置是否產(chǎn)生試驗(yàn)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(gè)推桿，推桿上安裝一個(gè)便攜式照度儀，選用照度水平在0．01～50000 lx 間的照度儀，試驗(yàn)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(guò)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(xiàn)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(yàn)利用推桿與弧光產(chǎn)生裝置間的距離，來(lái)模擬低壓開(kāi)關(guān)柜中不同強(qiáng)度的弧光。在該試驗(yàn)環(huán)境下，分別使用文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法與本文保護(hù)方法進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比這3 種保護(hù)方法的保護(hù)性能。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在試驗(yàn)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(qiáng)度。以FOM 光纖聲音傳感器顯示的弧光強(qiáng)度數(shù)值，作為弧光產(chǎn)生裝置的強(qiáng)度值；以便攜式照度儀顯示的數(shù)值作為保護(hù)方法實(shí)施后開(kāi)關(guān)柜中的實(shí)際弧光強(qiáng)度。對(duì)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(shí)際弧光保護(hù)數(shù)值，最終3 種弧光保護(hù)方法弧光的保護(hù)數(shù)值結(jié)果見(jiàn)表2。

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

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

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性，采用文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法和本文保護(hù)方法，對(duì)開(kāi)關(guān)柜中由弧光產(chǎn)生的熱量差數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖7 所示。

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

由圖可見(jiàn)，對(duì)于開(kāi)關(guān)柜中產(chǎn)生的熱量差值，文獻(xiàn)[1]方法比文獻(xiàn)[2]方法的數(shù)值大，而本文方法的數(shù)值在這3 種保護(hù)方法中最小。這是因?yàn)楸疚姆椒ㄔO(shè)定了1 個(gè)溫度跳斷路器，有于保護(hù)弧光熱量的作用對(duì)象，減小了開(kāi)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(kāi)關(guān)柜內(nèi)線(xiàn)路與零件發(fā)生的熱熔現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

作為電力系統(tǒng)中重要的控制組成，低壓開(kāi)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(kāi)關(guān)柜弧光保護(hù)方法，能夠改善傳統(tǒng)保護(hù)方法弧光保護(hù)數(shù)值過(guò)小，開(kāi)關(guān)柜中產(chǎn)生的熱量差數(shù)值過(guò)大等不足。由于該方法線(xiàn)路連接接口過(guò)多，操作過(guò)程較為復(fù)雜，導(dǎo)致操作時(shí)間較長(zhǎng)，因此有必要在后續(xù)的工作中做進(jìn)一步研究改進(jìn)。