基于“電流+弧光”的二次回路故障電弧檢測研究

譚風雷，陳 昊，丁 凱

(國網江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

隨著社會用電量的逐年增長，電網規模不斷擴大，高壓斷路器、變壓器、電抗器等一次設備在電網中的應用越來越廣泛[1-3]，而二次回路主要用于保護、控制、調節一次設備，其對電網的安全穩定運行具有重要意義[4-6]。二次回路一旦發生故障，容易產生電弧，甚至引發火災，嚴重威脅一次設備的可靠運行。

目前，二次回路故障產生電弧后，現有的保護設備雖能檢測到故障，但用時較長(400～3 000 ms)，易導致現場險情加劇。為解決常規保護裝置(如空氣開關等)判斷故障電弧時間較長的問題，大量專家學者對故障電弧進行了深入研究[7-11]。文獻[12]提出一種采用電流特征的故障電弧檢測技術，通過構建BP神經網絡，實現了故障電弧的精確檢測。文獻[13]提出一種基于混沌分形原理的故障電弧檢測技術，利用重構相空間、關聯維數對故障電弧電流特征進行定量分析，實現故障電弧的有效識別，并通過試驗驗證了方法的有效性。文獻[14]利用小波分析法研究了故障電弧電流的特征能量比，通過六層小波分解，實現故障電弧典型特征的準確識別，并通過帶負荷實驗驗證了方法的普適性。盡管當前對故障電弧的識別已有較多研究，但現有故障電弧的識別方法主要是利用故障電弧的電流特征[15-16]，未考慮伴隨故障電弧產生的弧光信息，若能結合弧光信號和電流特征來識別故障電弧，可在保證故障電弧識別速度的基礎上進一步提高故障電弧識別的精度。

鑒于上述分析，基于“電流+弧光”的復合特征提出二次回路故障電弧檢測技術。該技術綜合考慮了故障電流信息和故障弧光信號，可顯著提高故障電弧的識別速度和精確。

1 二次回路故障電弧檢測思路

故障電弧的產生必然伴隨著電流和弧光信息的變化，若能準確檢測電流和弧光信號，將有助于及時發現故障電弧，避免事故擴大，對提高二次回路安全運行水平具有重要意義。電流和弧光的檢測需要在二次回路上安裝電流傳感器和弧光采集模塊，安裝位置如圖1所示。二次回路內總支路上安裝一組弧光采集模塊和電流傳感器，弧光采集模塊一般安裝在母線上；各支路內分別安裝一組弧光采集模塊和電流傳感器。電流傳感器采集電流信號，結合弧光采集模塊獲取的弧光信號，即可實現對故障電弧的精準判別。

圖1 弧光采集模塊和電流傳感器配置位置

2 二次回路故障電弧檢測方法

二次回路故障電弧檢測時，首先要獲取故障電流的特征頻率以及弧光判別條件，然后建立故障電弧的判別邏輯，進而實現故障電弧的檢測，流程如圖2所示。

圖2 故障電弧檢測技術流程

2.1 二次回路故障電流特征頻率計算

假設經傅里葉變換后，二次回路對應的故障電流ih(t)為：

其中，F為算法的采樣頻率，Ihj為故障電流對應的第j次諧波的有效值，whj為故障電流對應的第j次諧波的相位，t為時間。

Ihj按照從大到小進行排序，如果不同次諧波對應的有效值相同，則應將頻率較低次諧波排在前面。根據Ihj的排序情況，可得前n次諧波與總諧波的占比Ph(n)：

其中，J(k)為根據Ihj排序后，第 個諧波對應的諧波次數。文中假設當Ph(n)≥0.8時，排序前n個諧波就是故障電流的特征頻率。IJ(k)為故障電流對應的第J(k)次諧波的有效值。

2.2 二次回路故障電流檢測條件確認

假設二次回路內第t時刻對應的采樣電流為ixt，此時對應的電流有效值IS為：

其中，t0為起始時刻。

利用IS計算二次回路電流i(t)：

其中，w0為二次回路電流對應的起始相位。

利用i(t)可得電流變化率Y(t)為：

假設正常情況下，二次回路電流變化率Y(t)對應的最大值為Ym。若第ta時刻對應的二次回路電流變化率滿足Y(ta)＞Ym，則第ta時刻為電流疑似異常點，當Y(ta+1/F)＞Ym和Y(ta+2/F)＞Ym同時滿足時，則第ta時刻為電流異常點。根據電流異常點ta時刻，可計算故障電流的特征參數。

求解ta時刻后半個工頻周期內電流有效值ISZ：

對ta時刻后半個工頻周期內電流進行傅里葉變換：

其中，Ij為ta時刻后半個工頻周期內電流對應的第j次諧波有效值，wj為ta時刻后半個工頻周期內電流對應的第j次諧波相位。

計算ta時刻后半個工頻周期內電流諧波占比P1：

計算ta時刻后半個工頻周期內電流特征頻率占比P2：

其中，K為故障電流特征頻率數。

2.3 二次回路故障電弧檢測邏輯構建

建立故障電弧檢測判據。

判據Ⅰ：電流異常點后半個工頻周期內電流有效值ISZ大于正常時允許最大電流有效值ISM。

判據Ⅱ：電流異常點后半個工頻周期內電流諧波占比P1大于正常時允許最大諧波占比P1m。

判據Ⅲ：電流異常點后半個工頻周期內電流特征頻率占比P2大于正常時允許最大特征頻率占比P2m。

判據Ⅳ：當識別到弧光信號，G=1，否則G=0。

結合上述4個檢測判據，二次回路故障電弧檢測邏輯設置如下。

(1) 分支路動作邏輯。當二次回路中某個分支路滿足判據Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ，則表示該分支路發生了電弧故障，延遲10 ms跳開該分支路的空開；當二次回路中某個分支路滿足判據Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ，則表示該分支路發生了電弧故障，可直接跳開該分支路的空開。

(2) 總支路動作邏輯。當二次回路中總支路滿足判據Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ或所有分支路均滿足判據Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ，則表示該總支路或所有分支路發生了電弧故障，延遲10 ms跳開該總支路的空開；當二次回路中總支路滿足判據Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ且所有分支路的空開在開位，表示該總支路發生電弧故障，可直接跳開該總支路的空開；當二次回路中總支路滿足判據Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ或所有分支路均滿足判據Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ，表示該總支路或所有分支路發生電弧故障，可直接跳開該總支路的空開。

3 試驗驗證

為驗證所提出二次回路故障電弧檢測技術的可行性，搭建了模擬試驗平臺，主要包括工頻電源、弧光發生器、可調電阻、電流傳感器和弧光采集模塊等。該平臺利用弧光發生器模擬二次回路產生的故障弧光，通過分析電流傳感器和弧光采集模塊采集的相關信息進行綜合判斷，從而實現故障電弧的準確判別。

利用試驗平臺進行了20次故障電弧模擬試驗，20次試驗均能有效檢測出故障電弧，且檢測時間遠小于常規保護裝置的判斷時間，從而表明所提出的技術不僅具有較高的故障電弧檢測精度，而且檢測速度快。

4 結論

(1) 基于故障電弧的產生伴隨著電流和弧光信息變化這一特征，提出了基于“電流+弧光”復合特征的二次回路故障電弧檢測技術。

(2) 介紹了該檢測技術的基本思路與實現方式。在詳細分析故障電流特征頻率計算方法的基礎上，以二次回路電流有效值、諧波、特征諧波以及弧光信息建立故障電弧檢測判據，并構建二次回路故障電弧檢測判斷邏輯。

(3) 通過搭建故障電弧模擬試驗平臺，并進行了20次模擬試驗，從電弧檢測精度和檢測速度驗證了技術的有效性。試驗表明，該技術具有判斷精度高、檢測速度快等優勢，可供回路故障電弧檢測參考。