一种新型高压开关柜弧光检测与保护方案设计

杨 奕，廖仕利，张柏年，陈鸿君

(重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆 400054)

高压开关柜主要用于大型电站、电力公司对电源进行有效的变压输送。近年来，大功率的用电造成的电厂电力事故的原因是高压开关柜由于温度过高以及弧光故障使系统短路。高压开关柜内部电弧燃烧产生的巨大能量可引起火灾、辐射等安全事故，造成人员伤害和经济损失。国外在20世纪90年代初开始研究电弧光现象的危害机理，并研制开发了各种保护措施。《2013年中国电弧光保护系统市场调查研究报告》指出，现阶段中国对电弧光保护系统的研究处于关键时期，该领域研究空间大，经济效益好，发展前景广。本文通过对高压开关柜内部电弧光机理进行研究，提出了一种新型的弧光保护系统，克服了目前弧光保护动作时间长的缺点。

1 弧光机理特性分析

1.1 电弧产生原因

电路元器件损坏:电力设备长期工作在强电压、高温的环境下，设备本身或者内部元器件会有一定的老化或者磨损，很容易发生电力事故，从而造成损失。

开光内部绝缘层破坏:①开光柜中绝缘材料的爬距不满足绝缘要求，在周围环境恶劣的条件下会发生绝缘事故;② 开关柜自身绝缘材料材质差，电力设备运行时间长，造成绝缘层老化引起故障。

外在原因:在对电力设备进行维护时，工作人员对部分工作区域检测时误操作、忘记维护设备等。

开关柜内产生过电压:由电网内开关操作引起，特点是具有随机性，在最不利情况下过电压倍数较高，过高的电压容易造成事故的发生。

1.2 弧光保护机理现状分析

目前对高压开关柜弧光保护的主流方式有3种，分别为检测弧光信号、检测电流谐波或者检测温度。这3种检测信号的切除时间对设备影响如图1所示。

弧光检测保护针对配电柜内部电流短路等原因造成的故障。系统对产生电弧光信号进行检测，一旦检测到立即启动保护装置。这种方式作用时间为1.0 ～2.5 s，作用时间较长，且放射的能量较多，会引起火灾等灾害。通过图1可以发现，在100 ms之内显然无法快速切除母线故障。

图1 不同检测方法切除时间对设备的影响

电流谐波检测是在弧光检测的基础上提出的一种保护方式。系统产生弧光时，作用不明显，弧光保护系统很难判别出来，电流检测保护解决了这一问题。电流谐波检测测得信号后启动保护装置的时间略长，同时系统发生故障时产生的这种信号是随机的，对配电柜的保护是单一方面的。

温度检测是对配电柜内部的实时监控，当温度值高于预设值时启动保护装置对系统进行保护。该保护措施作用时间较长。

1.3 一种新型弧光保护方案

通过分析比较发现，上述3种方案都存在一定缺陷，虽然目前也有少部分保护采用的是同时检测两种信号(同时检测弧光和谐波或者弧光和温度)，但是通过图1可以看出，该方式也会存在延迟和判别现象。本文考虑3种方案的特点，提出一种新型的配电柜保护方案，采用3种传感器同时检测3种信号，并通过光纤传输检测信号进行故障判断与保护。本方案既解决了作用时间长的问题，也形成了对配电柜立体式的保护，成本较低，实用性强，减少了配电柜内部故障的发生。

2 电弧光检测与保护系统方案

图2为总体方案设计及系统方框图。弧光保护系统主要由微处理器STM32F103构成的主控单元、电流检测单元、弧光检测单元、温度检测单元组成。温度检测单元主要采用PerkinElmer公司生产的TPS534红外温度传感器，弧光检测单元采用由紫外光的弧光探头构成的光纤电弧传感器装置，电流检测单元采用霍尔电流传感器。

由温度检测单元、弧光检测单元与电流检测单元分别检测开关柜内部温度及发生故障时产生的电弧光与过流信号。检测的信号由光电发射装置处理，经光纤传输，光电接收装置将光信号转化为电压信号，对电压信号放大滤波，传输到控制核心STM32F103。微处理器对信号进行分析处理、判断后发出预警信号，显示温度示数，同时将输出信号经光电收发装置传输到保护装置，对开关柜进行实时有效的保护。

图2 电弧光保护系统总体方案设计及系统方框图

2.1 电弧光检测原理分析

通过对电弧光光谱的分析，300～450 nm的紫外光波段和450～800 nm的可见光波段是电弧光的能量积聚所在，并且电弧光中80%以上均为紫外光。

若采用传统的光传感器，由于在日常生活中突发性的光源较多，可能产生干扰光源而使弧光保护装置发生误动。采用专门的紫外弧光探头则可以避免环境中可见光引起的不稳定情况。

当产生电弧光信号后，传感器将检测到的光信号转化为电信号传输到光电收发装置，转化关系如下:

其中:h为普朗克常数，h=6.626 ×10－34(J·s);v为光的频率(s－1)。

其中:m为电子质量;vo为电子逸出速度。

光电转换效率为

光电效率IPCE与光捕获效率LHE(l)、电子注入量子效率finj以及注入电子在纳米晶膜与导电玻璃的后接触面上的收集效率fc有关，其公式如下:

通过电弧光光谱分析可知，电弧光中80%以上均为紫外光。传统的电弧光传感器采集的光源中大多数以可见光为主，在日常生活中突发性的光源较多，例如雷电产生的光、闪光灯等。基于传统可见光采集弧光传感器可能采集到干扰光源，促使弧光保护装置发生误动。经过计算分析发现，采用紫外弧光探头可以避免环境中可见光引起的不稳定性情况，采集光信号强度高，转换电信号精度高。

2.2 过流信号检测原理分析

霍尔电流电压传感器是根据霍尔原理制成的一种检测电流的元件。电流通过导线时会在导线周围产生磁场B，磁场的大小与通过导线的电流成正比。在磁场B中放置霍尔器件，电路中产生的电流I提供给霍尔器件的两端，霍尔器件的另外两端会输出一个霍尔电压Uh。输入电流I与输出电压Uh满足下面的式子:

式中:KH为霍尔系数;θ为电流与磁场的夹角。

霍尔器件是采用半导体材料制作而成的一种磁与电之间转换的元器件。在输入端提供控制电流IC，让磁场B通过霍尔器件感应磁场的一面，则在霍尔器件的输出端产生霍尔电势VH。

霍尔电势VH的大小与控制电流IC、磁通密度B的关系如下:

由理论分析可以得出:电流传感器是电－磁－电的绝缘隔离转换，测量高压开关柜中电流信号的大小可以通过测量霍尔电势大小反映出来，且测量精度较高。利用霍尔电流传感器可以对高压开关柜内部的电流信号大小进行检测。

2.3 电光、光电信号转换原理

光纤传输信号具有传输频带宽、通信容量大、损耗低、抗干扰强等优点。光纤传输过程中采用光电收发装置。光电收发装置由光电介质转换芯片、光信号接口和电信号接口组成，其中光电介质转换芯片OEMC为该装置的核心控件，其兼容性强。光电转换电路将采集到的电信号统一转换为光信号，由光电发射装置发射光信号，通过光纤传输，经过接收装置后由光电介质转换电路转换为电信号，再经放大滤波传输到核心控制处理电路。电光、光电信号转换原理见图3。

图3 电光、光电信号转换原理

2.4 弧光保护设计

系统保护电路采用断路器失灵保护。电力系统中母线连接元件上发生短路等电力故障时，若断路器未能正确地启动断路保护，则微处理器STM32F103会传输指令驱动失灵保护装置及时断开电源。失灵保护由电压闭锁元件、保护动作与电流判别构成的启动回路，时间元件及跳闸出口回路组成。

3 软件设计

系统核心软件主要有温度检测控制单元、弧光保护控制单元和电流谐波检测单元。在温度检测控制单元中，温度信号经霍尔传感器采集到温度控制单元后，经光纤收发装置转换，放大、滤波后在控制核心单元中将输出信号与预设值进行比较。若温度过高，则系统发出预警信号并显示温度，工作人员对高压开关柜故障发生部位进行维护和保修，从而保证开关柜正常工作。在弧光保护控制单元、电流谐波检测单元中，系统初始化后，若未检测到电弧光或电流谐波，则指示灯发亮，系统正常工作;当电弧光传感器采集到电弧光信号或者电流谐波信号后，系统开始工作，对采集到的信号经过放大、滤波、判断处理后，信号被最终传输到主控核心进行比对分析，控制核心发出指令进行断电保护。温度预警流程和弧光采集流程分别见图4、5所示。

图4 温度预警流程

图5 弧光采集流程

4 数据测试

4.1 部分核心控制单元测试

1)温度预警测试

温度检测采用调压变压器供电，通过调节加热带电压使其所附铜线排的温度随之变化。实验室测试平台由调压变压器、3个不同宽度的铜排(8 cm，s cm，4 cm)、3 个不同宽度的铝排(8 cm，s cm，4 cm)、1条加热带组成，可模拟10～150℃的温度环境。温度传感器可用于监测开关柜内部的重要部件(如母线、元件、保护元件)的温度，在超过其整定值时主报警器会发出报警信号。

2)弧光保护机制测试

在针对弧光保护机制的测试中，电弧光在实验室很难模拟，故采用不同型号的灯泡和紫外光发生器来提供不同的光质，测试弧光保护机制系统的断电保护功能和最好的光质条件，并进行参数最优设置。

4.2 测试结果

在系统测试中，模拟采用SZ11－1250KVA有载调压变压器调制不同温度环境下的电压值来观察该系统是否能正常运行。经过测试发现，当超过100℃时系统发生预警。

不同温度环境中，系统预警发生的情况见表1。

表1 不同温度环境中系统预警发生情况

在不同的光质的情况下，该系统的断电情况见表2。

表2 不同光质情况中系统断电情况

与普通保护装置动作时间比较，该系统断电保护的时间见表3。

表3 弧光保护与普通继电保护的断电保护时间比较

4.3 测试结果分析

测试结果表明:系统能够在不同温度、不同光强度环境中预警和实现断电保护电路。当开关柜内部产生弧光或者过流信号时，该系统能够在4 ms的时间内瞬时对电源进行自动断电保护;当温度高于110℃时，系统启动预警功能，发出警报，工作人员对故障进行维修。

5 结束语

随着现代光电子的发展，各种母线保护技术层出不穷，弧光保护作为一种新型的高压开关柜保护措施具有广阔的发展前景。

本文设计的保护方案有利于保障大型供电公司中电力设备的安全运行，为避免高压开关柜、母线和其他变电设备中产生电弧光故障提供了可靠的保障，同时降低了对输电设备的损害和工作人员生命安全的威胁，保障了供电电网的安全稳定运行，提高了输电效率，减少了经济损失。

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