吳振躍 肖登明

（電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240）

新型弧光保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

吳振躍 肖登明

（電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240）

隨著配電電網(wǎng)的發(fā)展，成套開(kāi)關(guān)柜大量應(yīng)用在中低壓系統(tǒng)中。由于設(shè)備自身原因、運(yùn)行環(huán)境等各種因素影響中低壓母線弧光短路故障頻發(fā)，對(duì)電網(wǎng)的供電可靠性以及操作人員的人身安全造成了極大的威脅。本文在分析中低壓領(lǐng)域內(nèi)部弧光故障產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型弧光保護(hù)系統(tǒng)，其組成包括超聲檢測(cè)模塊、過(guò)電流檢測(cè)模塊、電弧光檢測(cè)模塊、邏輯處理模塊及快速接地單元等。該裝置不但能夠?qū)崿F(xiàn)在電弧故障發(fā)生之前發(fā)出警報(bào)信號(hào)提醒運(yùn)行維護(hù)人員前來(lái)檢修，還能夠能在極短的時(shí)間（＜5ms）內(nèi)將電弧故障轉(zhuǎn)換為金屬性短路從而熄滅故障電弧，最終再由上游斷路器清除故障電流，極大地提高了中低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的可靠性。

弧光故障；快速接地開(kāi)關(guān)；超聲檢測(cè)模塊；中低壓開(kāi)關(guān)柜保護(hù)

成套開(kāi)關(guān)柜大量應(yīng)用在中低壓系統(tǒng)配電中，由于設(shè)備自身原因、運(yùn)行環(huán)境等各種因素影響，弧光短路故障頻發(fā)。中低壓母線發(fā)生的弧光故障具有發(fā)展迅速、無(wú)法預(yù)測(cè)、破壞力大等特點(diǎn)，會(huì)造成開(kāi)關(guān)柜、母線燒毀或爆炸等嚴(yán)重后果[1]。目前我國(guó)現(xiàn)有的低壓母線保護(hù)無(wú)法快速切除弧光故障，開(kāi)發(fā)新型高速電弧光保護(hù)系統(tǒng)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

中低壓開(kāi)關(guān)柜作為母線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它的故障不能僅僅看成一種特殊的故障，而應(yīng)看成是母線短路故障發(fā)生在相對(duì)狹小密封空間的一種特殊形式。發(fā)生在狹小空間決定了開(kāi)關(guān)柜作為整個(gè)線路的絕緣薄弱環(huán)節(jié)，其絕緣故障的高發(fā)性；而相對(duì)密封的空間決定了其在發(fā)生弧光短路故障后的危險(xiǎn)性，即由于短路弧光高達(dá)8～60MW的功率[2]，當(dāng)在狹小的空間釋放時(shí)極容易導(dǎo)致故障危害的蔓延甚至是開(kāi)關(guān)柜發(fā)生劇烈的爆炸。因此，分析開(kāi)關(guān)柜弧光短路故障的產(chǎn)生機(jī)理、發(fā)展過(guò)程、應(yīng)對(duì)措施乃至提出新一代中低壓開(kāi)關(guān)柜弧光故障保護(hù)系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。本文在在分析開(kāi)關(guān)柜電弧短路的物理特性、電弧效應(yīng)和相關(guān)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了以檢測(cè)超聲波、電弧電流和電弧光三種信號(hào)為保護(hù)原理的新型高速電弧光保護(hù)系統(tǒng)。通過(guò)研究電弧光保護(hù)的動(dòng)作原理和組成結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了電弧光保護(hù)的可靠性和控制策略，完成了保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)。引入超聲波檢測(cè)和快速接地裝置等改進(jìn)保護(hù)動(dòng)作控制策略的措施，提高了保護(hù)裝置的可靠性和選擇性。

1 開(kāi)關(guān)柜弧光短路故障的產(chǎn)生機(jī)理

1.1 單相對(duì)地短路分析

單相接地時(shí)電網(wǎng)的主要故障形式，約占60%以上[3]。我國(guó)現(xiàn)有的現(xiàn)有的電網(wǎng)中心點(diǎn)接地方式主要有中心點(diǎn)直接接地、經(jīng)過(guò)消弧線圈接地和不接地三種。后兩種稱為小電流接地方式，而目前在中低壓電網(wǎng)中廣泛采用的正是小電流接地方式。這種接地方式的優(yōu)點(diǎn)是可靠性較高，但是當(dāng)電網(wǎng)的接地電容電流達(dá)到某一臨界值（5～10A）時(shí)，一旦發(fā)生單相接地故障接地電弧，就難以瞬間自行熄滅，特別是由此產(chǎn)生的間歇性電弧接地過(guò)電壓，作用時(shí)間一般較長(zhǎng)且遍及整個(gè)電網(wǎng)。開(kāi)關(guān)柜作為電網(wǎng)中絕緣的薄弱環(huán)節(jié)在這種情況極容易發(fā)展成為相間弧光短路故障甚至發(fā)生爆炸。

圖1 中心點(diǎn)不接地系統(tǒng)

如圖1所示，接地電流Ijd等于非故障相對(duì)地電容電流的總和：

在對(duì)于6～35kV架空線路，每千米對(duì)地電容約為 0.005～0.006μF，其中有避雷線的取較大數(shù)值。電纜電容電流計(jì)算修正公式I0=K·U·L

式中，S（mm2）為電纜截面[4]。

相對(duì)于35kV開(kāi)關(guān)柜1250A的額定運(yùn)行電壓，這個(gè)對(duì)地短路電流并不是開(kāi)關(guān)柜弧光短路爆炸的直接原因。它的危害在于當(dāng)接地電弧不能自熄而反復(fù)拉弧時(shí)一方面在于會(huì)不斷地侵蝕本相的絕緣，極大的加快本相絕緣的老化；另一方面在于會(huì)在另外兩相產(chǎn)生 3.5倍相電壓甚至更高的弧光接地過(guò)電壓，在開(kāi)關(guān)柜絕緣水平不足的情況下很快就會(huì)從單相對(duì)地短路發(fā)展成為相間短路，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜爆炸等嚴(yán)重后果。

1.2 弧光接地過(guò)電壓

是否在單相接地時(shí)產(chǎn)生間隙電弧，與系統(tǒng)的單相接地電流大小直接相關(guān)。若系統(tǒng)較小，線路又不長(zhǎng)，那么在一些暫時(shí)性弧光接地電流故障過(guò)后電弧可自定熄滅，系統(tǒng)很快恢復(fù)正常。可是隨著系統(tǒng)電壓的提高以及系統(tǒng)的發(fā)展，單相接地電流會(huì)成比例增長(zhǎng)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明當(dāng) 10～35kV系統(tǒng)電容電流超過(guò)10A時(shí)此時(shí)的接地電弧將難以自動(dòng)熄滅。

到目前為止，在分析電弧過(guò)程有三種理論即以高頻振蕩電流第一次過(guò)零時(shí)熄弧來(lái)分析電壓發(fā)展過(guò)程的高頻熄弧理論、以工頻過(guò)零時(shí)熄弧來(lái)分析電壓發(fā)展過(guò)程的工頻熄弧理論以及蘇聯(lián)專家提出的熄弧恢復(fù)抗電強(qiáng)度理論。其中工頻熄弧理論和高頻熄弧理論經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)分析可以分別產(chǎn)生3.5倍和7.5倍的過(guò)電壓。蘇聯(lián)對(duì)電網(wǎng)實(shí)測(cè)過(guò)的弧光接地過(guò)電壓最高一次為4.3倍，美國(guó)IEEE標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為弧光接地過(guò)電壓一般不超過(guò)4倍，我國(guó)規(guī)程也認(rèn)為不超過(guò)3.5倍?？梢?jiàn)弧光接地過(guò)電壓倍數(shù)具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，工頻熄弧以及高頻熄弧的可能性同時(shí)存在，對(duì)電網(wǎng)尤其是電網(wǎng)中的絕緣薄弱點(diǎn)具有極大的威脅。

1.3 開(kāi)關(guān)柜弧光故障的原因

中低開(kāi)關(guān)柜故障電弧產(chǎn)生的原因主要有以下幾個(gè)方面：中、低壓開(kāi)關(guān)柜絕緣材料爬距不足，未滿足加強(qiáng)絕緣要求；開(kāi)關(guān)柜絕緣材料發(fā)生老化等絕緣故障；由于一些電纜接頭截面不夠，緊固螺栓松動(dòng)，手車(chē)柜觸頭接觸不良，在大電流流過(guò)時(shí)引起發(fā)熱，冒火進(jìn)而引起相間、相對(duì)地?fù)舸煌鈦?lái)物體如小動(dòng)物（老鼠等）進(jìn)入開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部；人為錯(cuò)誤操作；系統(tǒng)容量增大，接地方式改變，雷電入侵，保護(hù)及自控裝置配置不當(dāng)引起系統(tǒng)諧振過(guò)電壓等[5]。

通過(guò)總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的開(kāi)關(guān)柜弧光短路故障都是從單相對(duì)地間歇性拉弧發(fā)展為兩相甚至三相相間短路的。

2 新型弧光保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前故障電弧的防止主要有兩個(gè)辦法，一為被動(dòng)方法，即在開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)采取釋壓措施，釋放故障電弧的壓力和熱效應(yīng)。現(xiàn)在一般中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備都采取這個(gè)方法，并且對(duì)于內(nèi)部電弧級(jí)中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備在國(guó)家乃至國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中都有嚴(yán)格的故障電弧強(qiáng)制性實(shí)驗(yàn)規(guī)程。另一為主動(dòng)方法，就是將故障電弧消除在萌芽狀態(tài)，不讓其形成高壓力和強(qiáng)大的熱效應(yīng)從而從而避免其對(duì)開(kāi)關(guān)柜產(chǎn)生破壞[5-6]。由上節(jié)的分析可知，新型弧光保護(hù)系統(tǒng)前面臨兩個(gè)關(guān)鍵任務(wù)：①在開(kāi)關(guān)柜單相對(duì)地閃絡(luò)時(shí)發(fā)出警報(bào)提醒運(yùn)行人員前來(lái)檢查，將故障消除在開(kāi)始之前；②在發(fā)生相間短路時(shí)能夠盡快的熄滅故障電弧。目前國(guó)內(nèi)已有的弧光保護(hù)系統(tǒng)存在不能在發(fā)生局放、閃絡(luò)、乃至單相對(duì)地短路的時(shí)候發(fā)出警報(bào)，提醒運(yùn)行維護(hù)人員前來(lái)排除故障以及傳統(tǒng)弧光保護(hù)裝置一般通過(guò)上游斷路器熄弧來(lái)保護(hù)開(kāi)關(guān)柜，然而普通的斷路器的動(dòng)作時(shí)間一般在30ms到60ms，無(wú)法快速熄滅電弧保護(hù)設(shè)備的問(wèn)題。針對(duì)上訴缺陷，本文設(shè)計(jì)并完成了新型弧光保護(hù)裝置，通過(guò)引入預(yù)警裝置和快速熄弧裝置成功的解決了以上的問(wèn)題。本文提出了新型弧光接地裝置就是主動(dòng)應(yīng)對(duì)思想下的產(chǎn)物，相比較傳統(tǒng)的弧光保護(hù)系統(tǒng)，它在運(yùn)行機(jī)理、保護(hù)模式上都有較大的突破。

2.1 弧聲預(yù)警單元

開(kāi)關(guān)柜在某一時(shí)刻發(fā)生弧光短路并迅速發(fā)生故障電弧燃燒，除可產(chǎn)生肉眼可以識(shí)別的可見(jiàn)光外，還有多種輻射現(xiàn)象，如聲波、紅外線、紫外線或電磁波的輻射等。超聲波作為弧光故障的一種伴生現(xiàn)象，以其作為弧光故障的一種必要性判據(jù)是完全可行的。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者，已經(jīng)對(duì)弧光故障時(shí)所產(chǎn)生超聲波進(jìn)行驗(yàn)證性研究。如 TarlochanS.Sidhu等人在《金屬鎧裝中壓開(kāi)關(guān)柜中多傳感器檢測(cè)電弧故障的研究》中，就分析了超聲波在不同測(cè)試環(huán)境下均能可靠檢測(cè)到電弧故障。而廣西工學(xué)院的藍(lán)會(huì)立和華僑大學(xué)的楊建紅等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)、仿真等手段得到了故障早期弧聲的頻率范圍，為用硬件實(shí)現(xiàn)弧聲預(yù)警裝置打下了基礎(chǔ)[7-10]。

超聲檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)由多個(gè)超聲波探測(cè)器、放大電路、濾波電路和比較電路構(gòu)成，最后結(jié)果輸出到電弧光保護(hù)裝置中。

圖2 超聲檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）超聲波傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波。本裝置決定采用壓電陶瓷式超聲波傳感器作為系統(tǒng)超聲波檢測(cè)單元。大量的理論和試驗(yàn)研究表明弧聲信號(hào)中心頻率不隨外界環(huán)境的改變而改變。通過(guò)對(duì)采集電弧弧聲的頻譜分析可以知道本實(shí)驗(yàn)中電弧弧聲頻率在 5.2～9.8kHz之間，中心頻率在7.5kHz左右。系統(tǒng)使用的超聲波傳感器的中心頻帶最大寬度2～15kHz。

2）放大電路。由于開(kāi)關(guān)柜的噪聲環(huán)境較強(qiáng)以及采集的超聲波信號(hào)很微弱，為了能讓后續(xù)的采集電路符合采集要求，必須通過(guò)放大電路進(jìn)行信號(hào)放大。本裝置采用帶寬達(dá)16MHz的MC34082作為輸入運(yùn)算放大器，其低噪聲，高增益，高共模抑制比和良好的高頻特性滿足超聲波檢測(cè)的要求，設(shè)計(jì)放大電路如圖3所示。

圖3 放大電路

3）濾波電路。在實(shí)際開(kāi)關(guān)柜環(huán)境中，存在各種對(duì)超聲波檢測(cè)產(chǎn)生干擾的噪聲，其中主要包括機(jī)械振動(dòng)噪聲、電磁輻射干擾等，因此有必要對(duì)電路中對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行濾波以消除低頻和高頻的干擾信號(hào)。本文所采用的帶通濾波電路圖如圖4所示。

圖4 濾波電路

4）比較電路。通過(guò)設(shè)定超聲波參考信號(hào)值，可以區(qū)分開(kāi)關(guān)柜局部放電的嚴(yán)重程度。據(jù)局部放電的檢驗(yàn)值，當(dāng)超聲波數(shù)值大于 15～25dB時(shí)，就可以視為開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部存在嚴(yán)重的絕緣缺陷。為了增強(qiáng)抗干擾能力和考慮電弧光短路的實(shí)際情況，在實(shí)際應(yīng)用中，可以適當(dāng)提高超聲波參考信號(hào)值。比較電路采用均方根直流轉(zhuǎn)換器 AD637與雙電壓比較器LM393實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)電路如下圖所示。AD637是帶寬可達(dá)8MHz的高精度高速轉(zhuǎn)換芯片，能計(jì)算高頻信號(hào)的有效值。LM393及其外圍電路實(shí)現(xiàn)了超聲波信號(hào)的有效值與整定值的比較。當(dāng)檢測(cè)到的超聲波大于整定值時(shí)，比較器輸出高電位，輸入至電邏輯判斷單元。

圖5 比較電路

2.2 電流檢測(cè)單元

電流檢測(cè)單元為一個(gè)獨(dú)立的單元，通過(guò)檢測(cè)電流的變化率以及閾值來(lái)判斷過(guò)電流。傳統(tǒng)的過(guò)流檢測(cè)僅僅通過(guò)比較閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流警報(bào)。本系統(tǒng)通過(guò)采用高速運(yùn)算單元提高了系統(tǒng)對(duì)于過(guò)流的反應(yīng)速度，而閾值及變化率雙判據(jù)則在提高判斷速度的基礎(chǔ)上保持了判斷的可靠性。

1）利用配電站內(nèi)現(xiàn)有的上游母線 CT（電流互感器）來(lái)獲取過(guò)電流信號(hào)，這樣沒(méi)有增加母線的電氣節(jié)點(diǎn)，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時(shí)可以大大節(jié)省設(shè)備投資。

2）采用TBC50E型霍爾電流傳感器進(jìn)行光電隔離，保證了信號(hào)傳輸?shù)木群退俣?，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了過(guò)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集部分的電氣隔離。

3）以TI公司的1GHz高性能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）TMS320C6416T實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換與傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)過(guò)電流的識(shí)別。

本系統(tǒng)共需要監(jiān)測(cè)A、B、C三相過(guò)電流信號(hào)（在需要的情況下可擴(kuò)展至 N線），因此系統(tǒng)有三路模擬信號(hào)輸入通道。從電流互感器二次側(cè)傳來(lái)的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理和光電隔離以后，進(jìn)入高速 A/D轉(zhuǎn)換器。DSP對(duì)電流信號(hào)的判斷是通過(guò)比較電流上升率以及電流閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。定義電流上升率為K，單位為 mA/s，其中（i≥1，i為整數(shù)）存在一個(gè)臨界電流上升率和臨界電流閾值，當(dāng)DSP通過(guò)信號(hào)采樣值與基準(zhǔn)值的比較判斷出出現(xiàn)過(guò)電流以后，立即向邏輯判斷單元發(fā)出過(guò)流信號(hào)，完成對(duì)過(guò)流部分的檢測(cè)。

2.3 弧光檢測(cè)單元

弧光探頭設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何整定弧光動(dòng)作閾值以及避免探頭在日光、維修人員手電等非動(dòng)作光源下的誤動(dòng)作。清華大學(xué)魏念榮等人提出了使用熒光光纖檢測(cè)局部放電的方法，該方法是利用熒光光纖的Stokes頻移特性使進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器的光譜范圍更好的與光電轉(zhuǎn)換器配合，提高了光電轉(zhuǎn)換的效率以及避免了誤動(dòng)作的幾率，弧光檢測(cè)探頭借鑒了這一思路[11]。

圖6 典型氣體的放電伏安特性曲線

圖6為典型氣體的放電伏安特性曲線，曲線G到H為弧光放電過(guò)渡區(qū)，H點(diǎn)之后為弧光放電區(qū)，為了能夠準(zhǔn)確在弧光發(fā)生時(shí)動(dòng)作，弧光探頭的動(dòng)作點(diǎn)應(yīng)該選在曲線G點(diǎn)之后?？紤]到典型開(kāi)關(guān)柜的尺寸、弧光探頭的大小以及開(kāi)關(guān)柜中存在的遮擋與反射，綜合起來(lái)將閾值設(shè)定為100μW。

當(dāng)出現(xiàn)弧光時(shí)，弧光通過(guò)弧光探頭的光學(xué)窗口端照射到熒光材料上，弧光中與熒光材料激發(fā)波長(zhǎng)相吻合的光能量被熒光材料轉(zhuǎn)換為弧光信號(hào)導(dǎo)入光纖中；弧光中與熒光材料激發(fā)波長(zhǎng)不相吻合的光能量被熒光材料散射，部分散射光能量也進(jìn)入光纖中作為弧光信號(hào)，然后通過(guò)光纖傳輸給光電轉(zhuǎn)換電路。

2.4 超速接地開(kāi)關(guān)

開(kāi)關(guān)柜一旦發(fā)生內(nèi)部故障電弧，電弧的高溫將造成電弧末端金屬材料的融化和氣化，弧光能量會(huì)迅速傳遞給周?chē)臍怏w，使柜內(nèi)溫度和壓力都急劇上升不但會(huì)導(dǎo)致柜內(nèi)元件損毀，甚至有可能擴(kuò)散到周?chē)拈_(kāi)關(guān)柜內(nèi)導(dǎo)致多組開(kāi)關(guān)柜同時(shí)燒毀的“火燒連營(yíng)”事故。最為嚴(yán)重的是當(dāng)前電網(wǎng)中投入運(yùn)行的開(kāi)關(guān)柜大部分都存在機(jī)械強(qiáng)度不夠，泄壓能力不強(qiáng)的問(wèn)題，故障電弧產(chǎn)生的高溫高壓氣體一旦沖出就有可能造成重大人身傷亡事故。內(nèi)部電弧產(chǎn)生的破壞力與殼體堅(jiān)固程度、電弧長(zhǎng)度、短路電流大小以及電弧持續(xù)燃弧時(shí)間有關(guān)。為了能夠最大限度的減少故障電弧帶來(lái)的損害，最有效的辦法就是減少故障電弧燃弧時(shí)間。目前市面上的弧光保護(hù)裝置大部分還停留在當(dāng)檢測(cè)裝置檢測(cè)到電弧故障后由上游斷路器熄弧的階段。然而一般斷路器分閘時(shí)間通常達(dá)到30～60ms，加上繼電器動(dòng)作時(shí)間總的延遲將會(huì)超過(guò)80ms，這就極大的影響了弧光保護(hù)裝置的保護(hù)效果[12-14]。經(jīng)過(guò)研究，本文提出了以電磁機(jī)構(gòu)推動(dòng)三相快速接地開(kāi)關(guān)動(dòng)作，首先將不可控危害大的短路電弧故障轉(zhuǎn)換成金屬短接電流熄滅電弧，然后由上游斷路器動(dòng)作清除故障電流的思路，這就極大地保護(hù)了設(shè)備以及人員安全。本文通過(guò)Matlab/Simulink軟件對(duì)快速接地開(kāi)關(guān)的效果進(jìn)行了仿真，仿真電路如圖8所示。

圖8 35kV系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

該電路模擬了 35kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生兩相短路之后，利用快速接地開(kāi)關(guān)把故障電弧轉(zhuǎn)化為接地開(kāi)關(guān)內(nèi)部金屬性短路的情況。在電路中通過(guò)電路短路模塊來(lái)模擬兩相相間短路，用接地開(kāi)關(guān)來(lái)模擬系統(tǒng)中使用的快速接地開(kāi)關(guān)。

為了更好地觀察熄弧效果，電路短路發(fā)生時(shí)間設(shè)為 3/60s，快速接地開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間設(shè)為 5/60s。通過(guò)圖9圖10的電流波形可以看到一旦三相快速接地開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，故障電弧被迅速短路。通過(guò)將弧光短路轉(zhuǎn)換成金屬性短路完成消弧，再通過(guò)上游斷路器清除故障電流，這樣就保障了開(kāi)關(guān)柜設(shè)備以及人員的安全?？焖俳拥亻_(kāi)關(guān)通過(guò)使用快速電磁操作機(jī)構(gòu)達(dá)到快速合閘的目的?？焖匐姶艡C(jī)構(gòu)通過(guò)預(yù)充電的電容器向分閘或合閘線圈放電產(chǎn)生持續(xù)幾毫秒的脈沖電流，與開(kāi)關(guān)操作連桿固定在一起的可動(dòng)線圈受到脈沖電磁力的作用，帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的快速關(guān)合或分?jǐn)唷?/p>

圖9 35kV系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)故障時(shí)母線電流

圖10 35kV系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)故障點(diǎn)電流

圖11 快速接地開(kāi)關(guān)示意圖

圖11所示為本裝置使用的快速接地開(kāi)關(guān)，其工作原理為：快速接地開(kāi)關(guān)在初始處于分閘位置，在工作中，工作電源（1000V）首先向儲(chǔ)能電容充電，隨后儲(chǔ)能電容處于待機(jī)狀態(tài)。一旦裝置接收到合閘信號(hào)，那么控制系統(tǒng)將觸發(fā)信號(hào)給予晶閘管，在晶閘管導(dǎo)通后儲(chǔ)能電容瞬間向物流線圈放電，渦流線圈會(huì)因此產(chǎn)生一個(gè)急速增大的磁場(chǎng)。根據(jù)楞次定律會(huì)在可動(dòng)銅盤(pán)中感應(yīng)出一個(gè)反方向的磁場(chǎng)從而推動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)向上高速運(yùn)動(dòng)，這樣觸頭可以在4ms之內(nèi)完成整個(gè)閉合動(dòng)作，隨后故障點(diǎn)的弧壓急劇降低，電弧無(wú)法持續(xù)而立即熄滅。

3 裝置的工作原理及特點(diǎn)

3.1 弧光保護(hù)系統(tǒng)邏輯

在弧光故障前期，超聲波傳感器檢測(cè)潛在的弧光故障的放電現(xiàn)象，當(dāng)超聲波信號(hào)大于整定閥值或者電流檢測(cè)單元檢測(cè)到過(guò)電流的時(shí)候，發(fā)出預(yù)警信號(hào)并開(kāi)放電弧光保護(hù)；如果潛在弧光故障繼續(xù)發(fā)展，此時(shí)弧光增量達(dá)到整定值，啟動(dòng)跳閘切除故障。其保護(hù)的邏輯圖如圖12所示。

圖12 弧光保護(hù)系統(tǒng)邏輯圖

在電弧光尚未發(fā)展成為弧光短路故障時(shí)，弧光的微小放電現(xiàn)象能通過(guò)超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)超聲波檢測(cè)發(fā)出告警后，運(yùn)行維護(hù)人員可以提前對(duì)故障進(jìn)行處理。加入超聲波檢測(cè)，可以對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)潛在的電弧故障進(jìn)行檢測(cè)并能進(jìn)行消除，這樣的話不僅將被動(dòng)保護(hù)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)防御，還保留了電弧光保護(hù)的快速切除故障的功能，大大降低了弧光故障的發(fā)生以及其產(chǎn)生的危害。

由于超聲波檢測(cè)在弧光故障前已經(jīng)開(kāi)始，所以采用這樣的動(dòng)作邏輯不影響弧光保護(hù)動(dòng)作的快速性。同時(shí)，引入了超聲波檢測(cè)判據(jù)后，避免了電流檢測(cè)單元有可能在某些情況下雖然發(fā)生弧光故障，但是卻不能動(dòng)作的情況，極大的增強(qiáng)了保護(hù)的可靠性。

3.2 弧光保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

一套電弧光保護(hù)裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)開(kāi)關(guān)柜的弧光保護(hù)。如圖13所示，保護(hù)可設(shè)有一個(gè)主控單元、若干個(gè)電弧光檢測(cè)單元、超聲波檢測(cè)輔助單元、電流過(guò)流檢測(cè)單元。

圖13 高速電弧光保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)系統(tǒng)接收到各單元傳來(lái)的信號(hào)時(shí)會(huì)根據(jù)設(shè)定邏輯進(jìn)行判斷。當(dāng)條件滿足條件動(dòng)作時(shí)會(huì)首先向快速接地開(kāi)關(guān)以及上游斷路器發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，快速接地開(kāi)關(guān)首先動(dòng)作，會(huì)在5ms之內(nèi)完成將故障電弧轉(zhuǎn)換成金屬性短路的任務(wù)。上游斷路器會(huì)在 60ms內(nèi)徹底清除短路電流，從而保障了開(kāi)關(guān)柜以及操作人員的安全。最后系統(tǒng)會(huì)通過(guò)與上位機(jī)的通信功能上報(bào)故障發(fā)生的地點(diǎn)與時(shí)間，為接下來(lái)的事故處理提供可靠信息。

4 結(jié)論

新型弧光保護(hù)系統(tǒng)引入了超聲信號(hào)檢測(cè)這一新穎的檢測(cè)手段并且提出了新的弧光保護(hù)三判據(jù)原理，在增強(qiáng)了系統(tǒng)反應(yīng)速度的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，保證在一些特殊情況下電流過(guò)流檢測(cè)單元不能動(dòng)作的情況下系統(tǒng)的可靠動(dòng)作。通過(guò)在弧光保護(hù)系統(tǒng)中引入了快速接地開(kāi)關(guān)進(jìn)行消弧，極大地提高了消除電弧的效率，形成了接地開(kāi)關(guān)消弧，上游斷路器清除故障電流的全新弧光保護(hù)模式。

本裝置的研制能夠極大的增強(qiáng)中壓開(kāi)關(guān)柜的可靠性與安全性。近年來(lái)各地變電站頻繁發(fā)生開(kāi)關(guān)柜起火爆炸事件，究其原因都是由于弧光保護(hù)裝置不完善從而無(wú)法快速熄滅電弧所致。新型電弧光保護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)能夠極大的增強(qiáng)中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的安全性，是未來(lái)智能化金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備的重要組成部分。

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Design of New Arc Protection Device

Wu Zhenyue Xiao Dengming
(Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion, Ministry of Education,Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240)

With the development of distribution network, large number of switchgears are coming into applied in the power system. Because of the own reasons of the equipments, operating environment and other factors , arc short-circuit fault of LV/MV buses often occurs, which causes a great threaten to the safety of operating personnel and the reliability of power system. Based on the analysis of the generation mechanism of the LV/MV internal arc fault, this text designs a new arc protection system which consists of ultrasonic detection module,over-current detection module,arc detection module,high speed earthing switch unit and logic processing module. This device not only can remind the operation and maintenance personnel to come to repair by the alarm signal before the occurrence of an arc fault,but also can extinguish the arc fault in a very short time (＜5ms) and eventually clear the fault arc by the upstream circuit breaker, which greatly improves the reliability of LV/MV switchgear.

arc fault; high speed earthing switch; ultrasonic detection module; LV/MV switchgear protection

吳振躍（1989-）男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，新型環(huán)保絕緣氣體。