电子传感技术在弧光保护中的应用研究

高霏霏

(宣城职业技术学院 机械与汽车工程系，安徽 宣城 242000)



电子传感技术在弧光保护中的应用研究

高霏霏

(宣城职业技术学院 机械与汽车工程系，安徽 宣城 242000)

目前中低压母线短路保护的应用方案不能满足开关柜内部电弧光短路的保护要求，因而需要引进新的专用于母线保护的方案，来解决电力系统及厂矿企业提高供电可靠性，减少停电时间的问题.电弧光保护技术在电力领域已经趋于成熟并得到成功应用.详细给出了电子传感器技术在弧光保护中的应用策略和实验方法.

电子传感器；弧光保护技术；弧光故障

在出线或母线发生了单相接地故障时会产生电弧，此时接地点的容性电流很大，电弧在此电流下不能熄灭.电弧电阻又使短路电流低于过流速断整定值，因此保护装置的过流速断保护不能动作，故障不能被快速切除，加上开关柜内部由于各种原因导致其它设备的绝缘水平又低，在这种情况下单相接地故障就会很快转变为相间短路[1].电弧燃烧后，大量的能量被释放出来，会导致点燃开关柜内器件等各类故障电弧效应，引起火灾等事故的发生，配电设备可能会被大面积损毁，甚至能够破坏站内的直流系统，断流电路的冲击可能会损坏主变压器.如果事态进一步发展，可能会导致输电网事故，造成的损失将会非常巨大[2-3].更严重的是，还会造成现场工作人员的伤亡事故，造成灾难性的后果.

因此研究应用弧光保护，进而采取有效的保护措施解决弧光短路所造成的问题，来保证变压器及母线开关设备的安全运行，在减少停电时间、维持系统的安全稳定以及经济损失降低方面都发挥出应有的作用.本文重点研究电子传感技术在弧光保护中的应用，因为弧光传感器可以布置在开关柜内部任何位置，所以电弧光保护系统的保护范围可以不受限制，可以覆盖所要保护的任何范围.

1　电弧光保护技术

1.1电弧光保护系统的原理

通过对弧光传感器的物理位置进行构建，电弧光保护系统判断，对开关柜内部的弧光检测来判断是否发生了弧光故障.方法是利用弧光传感器检测电弧是否发生了明显的变化，如果有明显的变化，则通过传感器将非电量信号电弧转换为电信号进行处理，发出跳闸信号，实现对弧光故障的保护.

在实际应用中，常常还引入过流信号来避免外界光干扰引起的误跳闸.即要先检测是否有弧光信号，如果存在有弧光信号，则再检测电流是否有突变量，如果两者同时满足条件，就认为发生了弧光故障，发跳闸指令来切除故障；即只检测到弧光和电流突变其中之一时发报警信号，同时检测到这两种信号则发跳闸命令.两者配合提高了系统的可靠性，防止系统误动，其原理如图1所示.弧光探头的覆盖范围是由其分布决定的.同时通过对弧光探头的位置信息进行检测，弧光保护系统可以实现故障定位功能，帮助寻找故障点并进行维修.

图1　电弧光保护原理示意图

图2　电弧光保护系统结构图

1.2电弧光保护系统的组成结构

目前的电弧光保护系统，大多都采用了模块化结构，主要由主控单元、电流单元、弧光单元、扩展单元、弧光传感器等多个模块构成，如图2所示.

弧光传感器至采集器一般采用塑料光纤传输弧光信号，电弧光的光电转换在采集器内完成.目前芬兰VAMP公司采用电缆传输弧光信号，光电转换在弧光传感器内完成[4].

主控单元：又叫主单元，用于管理、控制整套电弧光安全监控系统，是整个电弧光保护系统的核心.同时还实现系统的各项保护逻辑、通信、自检及其他辅助功能.

电流单元：在进线电源开关柜中安装的，对电源点电流信息可就地采集的同时实现系统就近跳闸即成为电流单元.通过光缆或电缆和主控单元高速通信都可以实现，但不同的是前者实时传送给后者采集到的信息，后者传送给前者控制命令.

弧光单元：用来解决主控单元的传感器接口不够用的问题.各个厂家弧光单元传感器接口容量不一样，一般为8～16个传感器接口.在对弧光单元进行安装时，其安装位置要靠近需要保护的位置，所以通常节省了光纤费用，仅需一对普通单模通信光缆即可完成弧光单元到主控单元的安装.当一些检测点距离主控单元超过100 m时，使用通信光缆联接弧光单元可以非常方便地对系统进行扩展.

扩展单元：扩展单元主要用来扩展弧光传感器或者跳闸出口的容量.

弧光传感器：弧光传感器主要分为两类，一类为带式光纤弧光传感器，一类为探头式弧光传感器.[5]

2　弧光保护系统的试验系统和方案

2.1弧光保护判据及电弧光传感器测量精度的试验方法[6]

2.1.1弧光单判据速断保护试验

测试配置如图3所示.

测试方法：a)按图3连接好；b)配置对应的电弧光传感器定值；c)打开理想光源，测试弧光保护装置动作时间与可靠性.

2.1.2弧光过流双判据保护试验

测试配置如图4所示.

测试方法：a)按图4连接好；b)配置对应的弧光传感器定值；c)按过流保护测试要求配置对应的电流定值；d)打开理想光源，测试弧光保护装置动作时间与可靠性.

图3　单判据测试配置图

图4　双判据测试配置图

2.1.3电弧光传感器测量精度试验

试验器材：标准测试光源，照度检测仪，封闭的黑色内壁测试箱，被测弧光保护装置.

试验步骤如下：

a)在没有干扰光的黑色内壁测试箱内，如图5所示，安装好标准测试光源，标准照度检测仪传感器，被测电弧光传感器，将电弧光传感器连接在弧光保护装置上，配置如图6所示；

图5　弧光测试箱

图6　电弧光传感器测量精度试验配置图

b)将弧光保护装置的动作逻辑设置为：仅检测弧光；

c)打开标准测试光源，弧光传感器未动作；

d)用推杆推动电弧光传感器靠近光源，观察弧光保护装置动作情况；

e)当弧光保护装置可靠动作时，停止推杆移动，从标准照度检测仪上读取可靠动作值；

f)不断按下装置复归按钮，同时拖动推杆远离光源，当装置可靠不动作时，从标准照度检测仪上读取可靠不动作值；

g)重复上述步骤5～10次，记录每次的试验数据；

h)将试验数据求平均值，作为本次测试的最终数据.

2.2电弧光保护系统的试验系统和方案

2.2.1检测系统试验平台示意图

图7所示为弧光保护系统简易测试平台，用来对弧光保护系统进行相应的试验[7].电源通过保护装置和测试平台连接，通过保护装置对试验平台进行保护.保护装置主要是控制器和空气开关等，其中控制器是用来从弧光保护终端处获取控制信号，空气开关作为保护使用.弧光保护终端传感器包括电流单元和弧光单元，其中弧光单元又分为点状和线状两种.电极A和电极B分别为电弧故障发生时的两个触头，整个回路电阻大概在200 mΩ左右.弧光保护终端传感器被放置在一个密封的试验箱内，通过两个触头和保护装置联接，同时试验箱可以用来产生故障电流.

2.2.2试验分析

(1)试验平台的信号产生情况

如图7所示的弧光保护系统试验平台中，只有200 mΩ以下，这已经包括了电极A、B在内的整个电阻.图8为试验获得的电压电流信号波形图，实线为电流波形图，虚线为电压波形图.图示的电流电压波形图是对整个试验回路的电能质量进行相应处理后的波形图，进行处理的目的是为了减小谐波对试验的影响.

图7　弧光保护系统试验平台

图8　电压、电流信号波形图

(2)弧光保护系统电流单元检测情况

为了使三相电流达到一致的短路电流，可以通过调节电极的不同位置来实现.图9所示为具体的三相短路电流的波形，其中A相电流单元用Ia标注，B相相电流单元用Ib标注，C相电流单元用Ic标注，A、B和C的触发时间分别为3.1 ms、3.7 ms和3.6 ms.

图9　三相短路电流波形图

图10　弧光故障时的波形和数据

(3)不同弧光单元检测情况

弧光保护系统中，弧光单元可分为两种，分别为点状和线状.其中前者的触头是点状的，所以在使用该弧光单元时只能检测一个点的弧光情况，后者是线状的光纤，只要在其通过范围之内，所有的弧光情况都能被检测到.

图10为电流单元、点状弧光单元、线状弧光单元在发生弧光故障时监测的一些具体波形和数据.从波形图上可以看出，在弧光单元饱和时，电流单元检测到的短路电流还没有达到最大，在弧光单元饱和后，短路电流上升的速度非常快，很快就达到最大值，经过4个周期后，故障被切除，此时短路电流为零.线状弧光单元比点状的衰减的更快，也更快到达零位.

3　结论

在弧光保护中电子传感器的应用能很大程度上改善保护系统的整体功能.因为传感器可以布置在开关柜内部任何位置，因此电弧光保护系统的保护范围可以不受限制，能够覆盖所要保护的任何范围.另外，通过检测弧光信息，这种保护系统还可以提供一些辅助功能，比如故障定位，通过故障定位功能，能够迅速定位故障点并进行维修，尽快恢复供电.

[1]PADHYE J,FIROIU V,TOWNSLEY D,et al.Modelling TCP throughput:A simple model and its empirical validation[J].Communications Architectures and protocols,1998(8):304-314.

[2]MATHIS,SEMKE,MAHDANVI.The macroscopic behavior of the TCP congestion avoidance algorithm[J].Computer Communication Review,1997,27(3):1010-1021.

[3]李霞.电弧光保护系统在中低压母线保护中的应用[D].江西：南昌大学硕士论文，2007.

[4]丁心志，刘柱揆，毕志周，等.弧光保护系统测试技术研究[C].2012年云南电力技术论坛论文集,2012：168-171.

[5]田广青.电弧光保护及其在中低压开关柜和母线保护中的应用[J].电工技术，2004(5):51-53.

[6]张思.弧光保护误动事故的分析及预防措施[J].中国高新技术企业，2012(3)：19-23.

[7]龚伟.电子式电流互感器传感头的研究与设计[D].长沙：湖南大学，2009.

[责任编辑王新奇]

Research on Application of Electronic Sensing Technology in Arc Protection

GAO Fei-fei

(Department of Mechanical and Automotive Engineering, Xuancheng Vocational and Technical College, Xuancheng 242000, China)

The current application program of short circuit protection of medium and low voltage busbar cannot meet the requirements of the protection of switchgear arc short circuit. Therefore, a new scheme for busbar protection need to be introduced to solve the problems of improving the reliability of power supply for power system and industrial enterprises and reducing outage time. Arc protection technology in electric power field has matured and applied successfully. The application strategy and experimental method of electronic sensor technology in arc protection is given in detail.

electronic sensor; arc protection technology; arc fault

1008-5564(2016)02-0028-05

2015-11-06

高霏霏(1983—)，女，安徽宣城人，宣城职业技术学院机械与汽车工程系讲师，硕士，主要从事电子通信研究.

TP212.6

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