弧光保護(hù)通道自檢技術(shù)的應(yīng)用研究

王 杰，侯 煒，陳 俊，牛洪海

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引 言

隨著配電網(wǎng)的發(fā)展，中低壓開關(guān)柜數(shù)量越來越多。6～35 kV中低壓開關(guān)柜作為中低壓母線的載體，由于其空間狹小，發(fā)生故障時(shí)，往往伴隨柜體燃弧、起火。若不能及時(shí)切除故障，弧光迅速蔓延會(huì)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失。傳統(tǒng)的中低壓開關(guān)柜一般無專門的保護(hù)，柜內(nèi)發(fā)生故障時(shí)大多依靠帶延時(shí)的變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)來切除故障，延時(shí)較長，設(shè)備損傷較大，恢復(fù)供電周期較長?；」獗Ｗo(hù)以發(fā)生故障時(shí)的弧光檢測為主要依據(jù)，同時(shí)結(jié)合故障電流判據(jù)，可快速切除開關(guān)柜內(nèi)短路故障。由于響應(yīng)快，動(dòng)作可靠，弧光保護(hù)在許多中低壓開關(guān)柜得到使用[1-2]。

弧光保護(hù)裝置能否及時(shí)、快速地檢測并切除故障，很大程度上取決于弧光傳感器性能的好壞[3-5]。由于無源傳感器在傳感器損壞或者弧光傳感器光纖斷裂時(shí)，保護(hù)裝置無法感知故障信號(hào)并及時(shí)發(fā)出告警信息，對裝置的可靠運(yùn)行帶來隱患。所以有必要對傳感器自檢技術(shù)進(jìn)行完善。

1 弧光傳感器自檢技術(shù)方案

1.1 弧光采集回路自檢方案設(shè)計(jì)

弧光傳感器一般安裝在開關(guān)柜母線室和斷路器室。無源式弧光傳感器通過光敏物質(zhì)采集弧光信號(hào)，并通過傳輸光纖將信號(hào)傳輸給保護(hù)裝置，弧光信號(hào)采集如圖1所示。由于傳感器處于較封閉的環(huán)境，假如傳感器損壞或傳輸光纖斷裂，保護(hù)裝置采集到的信號(hào)并未有大的變化，發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置將不能采集到正確的弧光信號(hào)而導(dǎo)致裝置拒動(dòng)。

圖1 弧光信號(hào)采集

為實(shí)現(xiàn)弧光傳輸通道實(shí)時(shí)自檢，設(shè)計(jì)了基于分光原理的弧光采集回路自檢方法，如圖2所示。通過弧光采集單元實(shí)時(shí)發(fā)送幅值、脈寬均可調(diào)制的脈沖光，然后疊加在弧光傳輸通道中。脈沖光信號(hào)經(jīng)傳感器透鏡反射后經(jīng)弧光采集單元發(fā)送給主機(jī)單元。主機(jī)單元實(shí)時(shí)檢索疊加在傳感器采樣信號(hào)中的脈沖光，并與預(yù)設(shè)的脈沖光特性參數(shù)比較從而判斷弧光傳輸通道是否完好。

圖2 弧光通道自檢方案

LED脈沖光發(fā)射光源在驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)下，發(fā)出周期、脈寬均可調(diào)制的脈沖光。脈沖光經(jīng)聚光透鏡耦合在弧光傳輸光纖中。在弧光傳感器玻璃球面內(nèi)反射膜的作用下，脈沖光信號(hào)重新通過傳輸光纖返回至采集單元。主機(jī)單元接收到光信號(hào)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如若能收到脈沖光源發(fā)出的光脈沖信號(hào)，則可說明光纖通道無損；反之，則說明傳感器或光纖通道運(yùn)行不正常，裝置需及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒運(yùn)行人員進(jìn)行故障排查及檢修。

弧光保護(hù)裝置以是否接收到LED脈沖光源發(fā)出的光脈沖作為弧光通道是否正常工作的依據(jù)，所以光脈沖的檢索是弧光通道自檢技術(shù)的關(guān)鍵。弧光通道疊加脈沖光示意圖如圖3所示。

圖3 弧光通道疊加脈沖光

為使計(jì)算值接近真實(shí)環(huán)境，將T時(shí)間內(nèi)所有采樣原始值求平均值計(jì)算得到背景光的計(jì)算公式為

(1)

式中：sp(n)為弧光采集數(shù)據(jù)原值；Lbase(n)為環(huán)境背景光強(qiáng)值。

由于光具有疊加性，裝置在接收到LED光脈沖時(shí)，采樣值根據(jù)脈沖信號(hào)強(qiáng)弱在背景光基礎(chǔ)上有光增量，根據(jù)光增量ΔL的大小可以判斷是否接收到脈沖信號(hào)，即

ΔL=sc(n)-Lbase(n)>ΔLset

(2)

式中：sc(n)為濾波后的弧光采樣值；ΔLset為設(shè)定的光增量值。

當(dāng)實(shí)時(shí)采樣值的光增量大于預(yù)先設(shè)定的增量值，即可認(rèn)為接受到LED光源發(fā)出的光脈沖。假定第1次接收到脈沖信號(hào)時(shí)間記為T1，再次接收到脈沖信號(hào)時(shí)間記為T2，根據(jù)兩次接收到脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔ΔT與脈沖光源周期作比較，即可判斷弧光通道是否完好。

圖4為弧光通道自檢示意。圖中在710 ms時(shí)，人為剪短弧光傳輸光纖以模擬現(xiàn)場傳輸光纖損壞，弧光采集單元不能接受到返回的光脈沖信號(hào)，在1210 ms時(shí)，弧光傳感器通道發(fā)出傳感器異常報(bào)警信號(hào)，提示運(yùn)檢人員進(jìn)行異常檢修。

圖4 弧光通道自檢

1.2 基于遞歸中值濾波算法的弧光信號(hào)處理

由于通道自檢方案在弧光信號(hào)采集回路中人為疊加了幅值、脈寬均可調(diào)制的脈沖光，為防止脈沖光對保護(hù)裝置的正常運(yùn)行造成影響，需要在弧光采樣信號(hào)參與邏輯運(yùn)算之前將疊加的脈沖光濾除，從而保證弧光保護(hù)裝置正常運(yùn)行。下面使用遞歸中值濾波算法對弧光采樣信號(hào)進(jìn)行濾波[6]。

采樣序列為{x(n)}(n=1,2,3…)，設(shè)中值窗長為l(l為奇數(shù))，從中連續(xù)抽取l個(gè)數(shù)據(jù)：{x(i-k),x(i-k+1),…,x(i-1),x(i),x(i+1),…,x(i+k-1),x(i+k)}，其中，k=(l-1)/2,x(i)為位于窗口中心的數(shù)據(jù)。

中值濾波可表示為

y(i)=Median{x(i-k),x(i-k+1),…,x(i-1),

x(i),x(i+1),…,x(i+k-1),x(i+k)}

(3)

式中：Median為中值濾波函數(shù)；y(i)為中值濾波結(jié)果。

將中值濾波的結(jié)果形成新的數(shù)列，并將該數(shù)列再次進(jìn)行新的中值濾波，結(jié)果即為遞歸中值濾波，用公式表示為

y(i)=Median{y(i-k),y(i-k+1),…,y(i-

1),y(i),y(i+1),…,y(i+k-1),y(i+k)}

(4)

遞歸中值濾波可以濾除脈沖寬度小于l/2的脈沖干擾，且對強(qiáng)度較大的脈沖噪聲有一定的去噪能力。

為使脈沖光源不造成弧光裝置誤動(dòng)，需滿足式(5)。

Th≤kTs

(5)

式中：Th為LED光源發(fā)出的光脈沖脈寬；Ts為弧光信號(hào)采樣周期。

引入可靠系數(shù)λ(λ≤1)，即

Th=λkTs

(6)

式(6)表明，只要光脈沖信號(hào)脈寬設(shè)定合理，弧光采樣值在參與邏輯運(yùn)算之前會(huì)通過中值濾波把光脈沖信號(hào)濾除，而不會(huì)對裝置正常運(yùn)行造成影響。

所設(shè)計(jì)的中值濾波窗長l=9，則k=4。可靠系數(shù)λ=0.8，得到濾波前與濾波后的波形對比圖如圖5所示。

圖5 中值濾波前后波形對比

圖5中，采樣信號(hào)濾波前的尖峰為LED光源發(fā)出的光脈沖，經(jīng)中值濾波后，脈沖信號(hào)被濾除，不會(huì)對弧光保護(hù)邏輯造成干擾。

1.3 脈沖光對環(huán)境背景光影響的誤差估計(jì)

(7)

假定弧光傳感器所處環(huán)境的背景光和光脈沖基于環(huán)境光的增量大致相等時(shí)，脈沖光對背景光的影響百分比為脈沖光脈寬和周期的比值。文中計(jì)算得到δ值為0.024%，可見，光脈沖信號(hào)對背景光的影響可忽略不計(jì)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

弧光保護(hù)系統(tǒng)如圖6所示，由弧光主機(jī)單元、弧光采集單元、弧光傳感器以及光纖等組成[7-8]。

圖6 系統(tǒng)組成

弧光主機(jī)單元采集被保護(hù)母線的進(jìn)線或分段電流?；」鈧鞲衅鲗⒉杉降幕」庑盘?hào)通過弧光傳輸光纖連接至弧光采集單元?；」獠杉瘑卧獙鈴?qiáng)信號(hào)進(jìn)行采樣，并將數(shù)據(jù)通過光纖傳給主機(jī)單元。主機(jī)單元通過光強(qiáng)信號(hào)、電流信號(hào)進(jìn)線邏輯判據(jù)選擇跳開相應(yīng)的開關(guān)。

2.2 工作原理

保護(hù)裝置采用基于工頻變化量原理的電氣檢測判據(jù)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，電流突變量大于設(shè)定門檻，電流判據(jù)滿足，即

ΔIφφ>KΔIφφth+ΔIφφth

(8)

式中：ΔIφφ為相電流變化量；ΔIφφth為浮動(dòng)門檻，隨著變化量輸出增大而逐步自動(dòng)提高；K為比例系數(shù)，保證浮動(dòng)門檻始終大于不平衡輸出；Iφφth為固定門檻，需躲過正常負(fù)荷電流波動(dòng)值最大值。弧光保護(hù)邏輯如圖7所示。

圖7 弧光保護(hù)邏輯

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于以上理論基礎(chǔ)開發(fā)的弧光保護(hù)裝置[9-11]，在模擬弧光故障時(shí)記錄的波形如圖8所示。

圖8 故障錄波

在圖8中，0 ms時(shí)由于電流突變到達(dá)設(shè)定門檻，整組啟動(dòng)。4 ms時(shí)發(fā)生弧光故障，7 ms時(shí)弧光信號(hào)標(biāo)志位變位，同時(shí)弧光保護(hù)動(dòng)作。假定機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間30～40 ms，可保證在50 ms內(nèi)切除故障，有效防止弧光故障對人員和設(shè)備造成損傷。

模擬兩路弧光信號(hào)：弧光傳感器01可以接收到自檢脈沖光，且故障時(shí)可以接收到弧光信號(hào)，該傳感器異常信號(hào)為0；傳感器02接收不到自檢脈沖光，故障時(shí)也無法接收到弧光信號(hào)，故該傳感器異常信號(hào)為1；發(fā)生故障的傳感器異常時(shí)，不影響其他傳感器正常工作。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，傳感器02異常，傳感器01正常，在采集到弧光信號(hào)時(shí)，依然可以正確動(dòng)作。

3 結(jié) 論

前面介紹了電弧光保護(hù)弧光傳感器通道自檢的原理和方法。該方法可消除因弧光傳感器損壞而導(dǎo)致裝置拒動(dòng)的隱患，提高整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的能力?；谒嵬ǖ雷詸z技術(shù)的電弧光保護(hù)裝置已在多個(gè)廠站投入使用，運(yùn)行結(jié)果表明，該保護(hù)能為中低壓開關(guān)柜提供有效、可靠的保護(hù)方案。