基于电量及非电量提取的故障电弧识别方法

2020-07-23许守东张树培刘柱揆丁心志沈鑫张丽韩钰

云南电力技术 2020年3期

许守东，张树培，刘柱揆，丁心志，沈鑫，张丽，韩钰

（1. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2. 云南电力试验研究院（集团）有限公司，昆明 650217；3.云南电网有限责任公司保山供电局，云南保山 678000）

0 前言

电力系统中，按目前的保护方案[1]，35 kV及以下电压等级的母线，无论其出线条数多少、复杂程度如何，一般都均未装设专门的母线保护[2-4]。而开关柜内部弧光故障是配电系统中一种非常严重的故障，因为故障点容性电流比较大，故障点的故障电弧很难完全熄灭，电弧反复重燃，由于电弧电阻的原因，短路时故障电流通常未达到过流保护速断定值，导致不能立即切除故障，同时因为相关设备绝缘水平过低，并快速发展成为相间短路故障，设备电弧不断燃烧的结果将会释放出巨大的能量，对人身及设备带来极大的损害[5-7]。所以，研究并运用三特征量法，提高弧光保护的可靠性，解决系统故障时，弧光产生点能迅速与系统隔离，保证电力系统的安全可靠运行。

基于上述分析，本文采用弧光和电流、电压相结合的方式实现对故障电弧的诊断，光谱、电流及电压的特征，实现故障电弧的有效识别的非电量加电气量的三特征量弧光保护。

1 电弧光保护系统的原理

1.1 电压、电流变化量分析

当单相接地故障后，且电流很小，故障电流流过零值时，电弧光将自行熄灭，故障自然消失；而单相接地故障电流大于30安时，将再次产生稳定电弧光，形成连续性电弧光接地故障，导致设备损坏，同时形成两相或者三相短路；当接地电流大于10安小于30安时，极有可能产生稳定的间歇性故障电弧，当系统中性点不直接接地时，发生间歇性弧光接地故障时，由于电弧时而熄灭时而重燃，致使系统故障对地电容反复积累和重新分配。而非故障相的电感电容回路上将产生高频过电压，幅值可达3.1至3.5倍相电压，从而破坏电网的绝缘。以工频电流过零时熄弧来分析过电压发展过程的理论，称为工频熄弧理论[8]。

图1 中性点不接地系统网络接线图

当线路较长或者电缆出线比较多时，对地电流会很大，将导致电弧接地不容易消除，并且将出现电弧接地过电压。仍考虑图1所示电路，设三相电源为公式（1）

当A相角度为ωt=π/2，发生接地故障后，B相和C相对地电压幅值由-0.5 UM降低-1.5 UM；当在A相电流幅值过零点即ωt=3π/2时，电弧熄灭。同理当ωt=7π/2时，电弧再次熄灭，此时各相电压与ωt=3π/2时完全相同，其熄弧和再次燃弧与前相同。

依据工频熄弧理论分析，故障相与非故障相电压明显不同，且故障相和非故障相的最大电压分别具有相同的极性。所以，发生电弧故障势必使得相电流增大。

通过对电弧电压、电流信号进行检测，提取电弧电压的突降信息，电弧电流的突增信息，作为弧光保护电量判据。

1.2 弧光探测方法

通常弧光保护装置利用采集到的光强度强弱作为弧光保护逻辑判断的依据，只要弧光保护传感器采集到的光强度大于设定的光强阈值，认为满足弧光条件，否则，弧光保护将判断系统没有接地故障。尽管弧光保护的光强灵敏度设置较高，如果用手电筒直接照射的光强度弧光保护依然能动作。

大量试验表明，系统故障时，产生的电弧光中含有可见光、紫外光和近红外光三个部分，通过对弧光中的光谱进行分析获得，紫外光中的波长在230～400 nm之间，其中部分波长在230～280 nm区间，被称之为“日盲区”。所以为了减少电弧放电检测过程中可见光的干扰[9-10]，可以利用太阳盲区，采用特定的紫外弧光传感器，检测光谱在280 nm的波长以下的紫外光，并将其作为弧光保护的判据。因此，当故障时利用弧光保护的紫外特征，作为弧光保护的判据，将大大减少弧光保护的误动发生。

1.3 弧光保护的构成

弧光保护装置一般设计弧光传感器安装的物理位置，去实现对低压开关柜内部发生故障后，产生的弧光来判断设备是否真发生了故障，通过采集到的弧光强度大小的明显变化，首先对设备的故障进行判断，再把采集到的光信号转变成电信号后，进一步作为逻辑判据进行判断。其覆盖范围视其弧光探头的分布情况而定。通过弧光保护系统的弧光采集器安装的位置可以进行故障定位，以便更好的进行维护检修。

为了防止外界光强的干扰，而引起保护的误动，运用的弧光保护装置往往还需要加入电流、电压信号，当弧光保护装置检测到弧光信号后，同时检测到电流、电压的突变量，通过装置内的保护逻辑判断后，发出跳闸命令，切除故障，以保证设备的安全稳定运行。其原理如图2所示。

弧光保护原理简单，保护动作逻辑判据由三部分组成，分别是非电气量判据弧光信号和电气量判据电流、电压信号。当装置检测到的三个特征信号组成“与”的关系直接出口跳闸，当装置检测到的三个特征信号组成“或”的关系，装置发出告警信号。

图2 电弧光保护原理示意图

针对中压开关柜中多发的电弧光短路故障，提出以检测电弧电压、电弧电流和弧光三种信号作为保护原理的电弧光保护，完成了保护装置的结构设计，使其具备安全可靠、快速灵敏和抗干扰等特点，与常规电弧光保护装置相比，电压、电流突变量和电弧光三特征信号的电弧光保护装置可以避免传统电弧光保护装置的光信号干扰产生的误动情况，提高了保护装置的可靠性。

电气量和非电气量三特征法电弧光保护能很好实现对母线的快速保护，并能满足保护快速性、灵敏性、选择性和可靠性要求。

2 三特征量法弧光保护运用

2.1 现场事故的简要经过

某35 kV变电站6 kV出线供电的主井绞车房，开关为705的主绞I线和开关为706主绞II线的两个回路供电，当开关705主绞I线安装调试完弧光保护，某公司安装调试完多点测温传感器及采集装置后，将开关706主绞II线负荷切换至开关705主绞I线，当运行人员合上开关705主绞I线时，双回路切换过程中弧光保护瞬时动作。当时开关705主绞I负荷侧柜门被高温气浪冲开，现场有浓烟并伴有强烈刺激性焦臭味。

2.2 事故原因分析

常测温传感器有两种，一种为无线感温传感器，可以安装在高压室内；一种为有线感温传感器，只能安装在低压室内。而现场安装的感温传感器为有线的，错误将其安装在高压6 kV开关柜705主绞I线负荷侧母排上。由于测温装置及传感器无法承受如此高电压导致负载A、B相间被击穿短路，出现大电流并伴随高强度弧光导致弧光继电器保护动作。

2.3 弧光保护动作情况分析

根据监控系统动作报告及SOE遥信变位的历史记录得知，从开关合闸到再次跳开共83 ms左右，由弧光保护正确切除故障。当时开关705主绞I线路为重要负荷线路，该开关的线路保护装置的电流速断投的是限时速断，延时0.3 s。因事故在83 ms左右即被切除，故开关705主绞I线路保护故障未超过0.3 s故障已被由电压、电流、弧光构成的保护切除，故过流速断保护未动作，正确。由于弧光保护动作灵敏、迅速，可靠并将事故瞬时切除，将损失降低至最低。