沈宇龍，夏成林，郄朝輝，周劭亮

(1.南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；3.智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211106)

0 引言

在中低壓電力系統(tǒng)中，如果不及時(shí)切除電弧光故障，將嚴(yán)重威脅現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身安全及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]，業(yè)界對(duì)電弧光原理及故障特性進(jìn)行了研究[4-10]。文獻(xiàn)[11]～文獻(xiàn)[12]分別提出了紫外光加電流及弧光、電流加溫度判據(jù)的弧光保護(hù)方案。這些方案整體故障切除時(shí)間(繼電器出口時(shí)間斷路器開斷時(shí)間)不超過IEC 298標(biāo)準(zhǔn)附錄中規(guī)定的中低壓開關(guān)柜耐受最大燃弧時(shí)間(100 ms)。文獻(xiàn)[13]～文獻(xiàn)[14]提出快速接地開關(guān)滅弧的方法，滅弧時(shí)間短至4～6 ms。該方法滅弧后，需要保護(hù)裝置在IEEE C57.12要求的變壓器金屬性短路電流耐受時(shí)間(2 s)內(nèi)，切除由于三相短路所引入的短路電流。本文提出了一種以弧聲、弧光和電流為判據(jù)的弧光保護(hù)方案，能夠快速識(shí)別并徹底清除電弧光故障。

1 弧光的聲、光、電效應(yīng)

1.1 弧聲產(chǎn)生原理及研究

電弧的弧聲源于電弧能量的變化，表現(xiàn)為電弧陰極與陽極之間等離子體體積的變化。體積的變化會(huì)引起等離子流的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)電弧周圍質(zhì)點(diǎn)偏移平衡位置，并由近至遠(yuǎn)地傳播機(jī)械運(yùn)動(dòng)量。這就形成了電弧聲波[15]。

在故障電弧光形成之前，空氣等離子體的擾動(dòng)就已形成了弧聲。進(jìn)入穩(wěn)定燃弧階段后，電弧聲音不再隨外界環(huán)境改變，弧聲頻率穩(wěn)定在5～10 kHz，背景噪聲主要集中在4 kHz以下[16-17]。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)電弧聲的頻率特性，可以通過濾除背景噪聲來采集理想的電弧聲信號(hào)，并將電弧聲信號(hào)作為弧光保護(hù)的判據(jù)。

1.2 弧聲產(chǎn)生原理及研究

電弧光是氣體放電的最終形式。當(dāng)圍繞氣體原子的電子被電離為等離子體后，成為游離的自由電子，并在外界電離因素或較高電場(chǎng)作用下向外輻射電磁波。這種在放電通道周圍向外輻射的電磁波就是電弧光。

此時(shí)，受激發(fā)而電離產(chǎn)生的電弧光中，有近70%處于250～380 nm的紫外光波段[18-19]。這是電弧光的主要特點(diǎn)。燃弧一旦開始，電弧就持續(xù)向外輻射能量，從而可以在合適的距離與角度采集到顯著的故障電弧光。因此，可根據(jù)光傳感器的信號(hào)檢測(cè)電弧光。

以系統(tǒng)電壓15 kV、故障電流50 kA的系統(tǒng)為例，在距電弧中心910 mm處，弧光能量與時(shí)間關(guān)系如圖1所示[20]?；」饽芰颗c時(shí)間呈正比關(guān)系。當(dāng)燃弧持續(xù)100 ms時(shí)，釋放的能量能夠引起電纜燃燒；持續(xù)150 ms，引起銅排燃燒；持續(xù)200 ms，引起鋼材燃燒。因此，為防止設(shè)備持續(xù)損害，應(yīng)在100 ms內(nèi)徹底清除弧光故障。

圖1 弧光能量與時(shí)間關(guān)系圖

1.3 弧光故障電流研究

開關(guān)柜中弧光故障電流大致等于金屬性短路故障電流[13]。仍以系統(tǒng)電壓15 kV、金屬性短路電流50 kA的系統(tǒng)為例，根據(jù)IEEE 1548-2018中HCB型弧光故障模型，弧光短路電流簡(jiǎn)化計(jì)算公式如下：

logIarc=k1+k2logIbf

(1)

式中：Iarc為弧光短路電流；Ibf為金屬性短路故障電流。

取k1=0.008 693、k2=0.999、Ibf=50 kA，代入式(1)，可得：

logIarc=0.008 693+0.999log(50)=1.709 64

Iarc=101.705 964=50.81 kA

從上述公式可以看出，Iarc與Ibf大致相當(dāng)。

當(dāng)故障電弧形成后，通常在10 ns內(nèi)，故障點(diǎn)電弧電壓從擊穿值顯著下降，電流快速上升；約1 μs后，電壓電流接近穩(wěn)定狀態(tài)[21]。也就是在燃弧初期，故障電氣量特征明顯，有利于故障電流判別。一旦開關(guān)柜內(nèi)各種金屬構(gòu)件及絕緣材料開始燃燒，故障電流將復(fù)雜多變，判別難度增加。根據(jù)燃弧引發(fā)的故障電流特點(diǎn)，采用電流采樣點(diǎn)的突變特征，可得到較高的處理精度。

2 快速弧光保護(hù)的原理與實(shí)現(xiàn)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

本方案的弧光保護(hù)裝置就地安裝于開關(guān)柜儀表室，通過傳感器對(duì)檢測(cè)到的弧聲、弧光和電流信號(hào)進(jìn)行處理。根據(jù)開關(guān)柜設(shè)計(jì)構(gòu)造、運(yùn)行條件等因素，弧光保護(hù)判據(jù)需要進(jìn)行靈活設(shè)置，在保證可靠性的前提下，解決不同運(yùn)行條件下的選擇性，以適應(yīng)不同的運(yùn)行場(chǎng)景?；」獗Ｗo(hù)裝置可設(shè)置三種模式：①弧光模式，根據(jù)弧光信號(hào)進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作判斷；②弧光和電流模式，弧光和電流均滿足判據(jù)后滿足動(dòng)作條件；③弧聲、弧光和電流模式，需要同時(shí)滿足弧聲、弧光和電流判據(jù)?；」獗Ｗo(hù)總體方案如圖2所示。裝置實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，滿足動(dòng)作判據(jù)后跳閘開關(guān)，快速切除電源，隔離并消除弧光故障。

圖2 弧光保護(hù)總體方案圖

弧光保護(hù)可作為獨(dú)立的保護(hù)單元，通過弧光傳感器、弧聲傳感器及電流互感器采集故障信息，迅速識(shí)別弧光故障并通過快速繼電器跳本間隔斷路器。同時(shí)，在常規(guī)站中，可通過硬接點(diǎn)信號(hào)發(fā)送跳進(jìn)線電源斷路器命令，在智能站中通過面向通用對(duì)象變電站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)發(fā)送跳進(jìn)線電源斷路器命令。將告警信息、動(dòng)作報(bào)告及故障波形通過IEC 60870-5-103規(guī)約或制造報(bào)文規(guī)范(manufacturing message specification，MMS)上傳到站內(nèi)監(jiān)控后臺(tái)，供事故分析與調(diào)查。

本弧光保護(hù)可與其他保護(hù)裝置配合，通過電纜接線或GOOSE接收其他保護(hù)裝置的跳閘命令，也可將自身采集到的聲、光信號(hào)轉(zhuǎn)化為開關(guān)量，通過GOOSE發(fā)送給其他保護(hù)裝置使用。

2.2 保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法

弧光保護(hù)具體判據(jù)通過電流判據(jù)投入、弧聲判據(jù)投入的不同方式，可實(shí)現(xiàn)弧光保護(hù)裝置的三種模式的切換。具體可采集兩路電流輸入、三路弧光信號(hào)輸入及三路弧聲信號(hào)，分別通過電流值突變、弧光越上限、弧聲越上限實(shí)現(xiàn)電流、弧光和弧聲判據(jù)。

當(dāng)滿足動(dòng)作條件后，出口電路中與繼電器并聯(lián)的二極管迅速導(dǎo)通，并形成跳閘回路。待繼電器節(jié)點(diǎn)閉合后，電流轉(zhuǎn)移至已閉合的繼電器觸點(diǎn)。該電路在7 ms內(nèi)跳閘，同時(shí)通過電纜或GOOSE跳進(jìn)線開關(guān)(開斷時(shí)間為40～60 ms)。裝置能在60～70 ms徹底清除電弧光故障，保障設(shè)備和人員的安全。設(shè)備通過傳感器處理聲、光、電信號(hào)，通過中央處理器(central processing,CUP)和數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal process,DSP)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和判據(jù)計(jì)算，并由繼電器或GOOSE輸出跳閘信號(hào)。同時(shí)，裝置具備以太網(wǎng)接口，可實(shí)現(xiàn)和保信子站、監(jiān)控系統(tǒng)的連接。

2.2.1 弧聲采集與判斷

本方案采用高精度次聲光纖傳感器(精度范圍0.5～14 kHz)采集聲音信號(hào)，將模擬信號(hào)通過光纖傳給裝置。裝置對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、模擬/數(shù)字(analog/digital,A/D)轉(zhuǎn)換，并通過DSP，以7.5 kHz為弧聲中心頻率進(jìn)行濾波、計(jì)算，將帶寬5～10 kHz的弧聲信號(hào)從背景噪聲中提取出來。

弧聲在燃弧前就會(huì)由于離子擾動(dòng)而出現(xiàn)，但音量小于燃弧時(shí)的聲音。因此，本方案設(shè)置了兩套弧聲定值：一套為報(bào)警定值，可根據(jù)實(shí)際工況，將定值設(shè)置得較小，只用來觸發(fā)裝置的報(bào)警信號(hào)；另一套的定值可設(shè)置得稍大一些，作為與弧光和電流一起構(gòu)成的跳閘判據(jù)。單獨(dú)設(shè)置出一套弧聲告警定值有以下優(yōu)點(diǎn)。①開關(guān)柜內(nèi)絕緣材料的腐蝕、老化是一個(gè)緩慢的過程，加上灰塵、潮氣等影響因素，雖然不會(huì)直接形成燃弧，但很有可能形成弧聲。這時(shí)，裝置能夠提前發(fā)出告警信號(hào)及時(shí)提醒運(yùn)維人員，避免事故的形成。②一旦將弧聲傳感器固定于開關(guān)柜內(nèi)的裝設(shè)點(diǎn)，傳感器及光纖本身的檢修將變得十分困難。參照繼電保護(hù)裝置“通信對(duì)點(diǎn)”的概念，只需投入弧聲報(bào)警功能并人工播放特定頻段的錄音，觀察是否有弧聲報(bào)警，即可判斷開柜內(nèi)弧聲傳感器及光纖通道是否正常。

2.2.2 弧光采集與通道自檢

本方案采用雙通道無源帶光纖回路自檢功能的弧光傳感器。該傳感器可采集可見光(波長(zhǎng)400～600 nm)和紫外光(波長(zhǎng)300～380 nm)，光照度啟動(dòng)閾值為1～20 kLux，探頭檢測(cè)范圍不小于270°。當(dāng)采集到故障弧光信號(hào)后，通過光纖將模擬光信號(hào)傳送給弧光保護(hù)單元進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、放大后送至DSP進(jìn)行處理，從而得到可靠的弧光判據(jù)。

與弧聲傳感器一樣，無源弧光傳感器及光纖通道一旦裝設(shè)于開關(guān)柜內(nèi)，需要運(yùn)維人員打開柜體蓋板才能檢查其是否正常。這樣既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又不安全。本方案采用一種新型帶回路自檢功能的弧光采集方法，能夠?qū)Σ杉芈愤M(jìn)行實(shí)時(shí)自檢測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)光纖回路異常，立即報(bào)警并閉鎖弧光保護(hù)，并將報(bào)警信號(hào)送往監(jiān)控后臺(tái)，通知運(yùn)維人員?；」饣芈纷詸z如圖3所示。裝置內(nèi)置的高精密自檢光源按固定周期發(fā)送自檢光脈沖。光脈沖通過光纖發(fā)送通道進(jìn)入弧光傳感器，經(jīng)特殊結(jié)構(gòu)反射并通過接收通道進(jìn)入裝置。裝置接收光脈沖并進(jìn)行檢查：如果裝置沒有定期接收到測(cè)試脈沖，表明回路異常。

圖3 弧光回路自檢示意圖

自檢光收發(fā)脈沖波形如圖4所示。

圖4 自檢光收發(fā)脈沖波形

圖4中：P1波形為自檢光源發(fā)送的、脈寬為250 μs的光脈沖；P2波形為裝置接收到的自檢光脈沖。

由于弧光檢測(cè)模塊對(duì)微弱光源極其敏感，而裝置運(yùn)行于不同工況下的背景光強(qiáng)度不同，因此裝置具備背景光補(bǔ)償功能，可通過參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)背景光濾除，提高弧光檢測(cè)的靈敏度和可靠性。

2.2.3 電流突變判據(jù)

本方案采用電流突變量作為判據(jù)，將當(dāng)前t時(shí)刻連續(xù)多個(gè)采樣點(diǎn)的值與(t-T)(T為采樣周期)時(shí)刻及(t-2T)時(shí)刻采樣點(diǎn)的值進(jìn)行比較。相較于傳統(tǒng)的快速傅里葉變換算法，本方案提高了判別速度，能快速、可靠地計(jì)算出故障電流。

突變電流采樣時(shí)刻如圖5所示。

圖5 突變電流采樣時(shí)刻示意圖

電流突變量采用至少連續(xù)6個(gè)采樣點(diǎn)(采樣頻率為4 kHz，6個(gè)采樣點(diǎn)為1.5ms)均滿足正向突變且大于突變定值作為動(dòng)作條件，可消除因干擾而引入的毛刺影響。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過建立試驗(yàn)檢測(cè)環(huán)境，驗(yàn)證弧光保護(hù)裝置動(dòng)作的可靠性。弧光保護(hù)測(cè)試如圖6所示。上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接測(cè)試儀進(jìn)行控制，連接弧光保護(hù)裝置進(jìn)行定值修改和動(dòng)作過程監(jiān)測(cè)；測(cè)試儀按狀態(tài)序列輸出故障電流及弧光階躍信號(hào)。

圖6 弧光保護(hù)測(cè)試示意圖

保護(hù)跳閘延時(shí)整定為0 ms，電流定值整定為2 A，光照度定值整定為10 kLux，測(cè)試次數(shù)為5次。測(cè)試儀輸出電流值為4 A，輸出光照度為20 kLux，弧聲傳感器接輸出頻率為5～10 kHz的音響，使弧聲判據(jù)一直處于滿足狀態(tài)。電弧光保護(hù)裝置在僅判弧光，判弧光和電流，以及判弧光、電流和弧聲這3種模式下的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間如表1所示。

表1 保護(hù)動(dòng)作時(shí)間

由表1數(shù)據(jù)可得，裝置在三種模式下均能夠在7 ms以內(nèi)可靠跳閘出口，跳閘出口時(shí)間再加上40～60 ms的斷路器開斷時(shí)間，裝置可以在70 ms內(nèi)切除弧光故障。

文獻(xiàn)[11]采用弧光和電流判據(jù)并使用固態(tài)繼電器出口跳閘，出口時(shí)間為4 ms。文獻(xiàn)[12] 將弧光和電流作為判據(jù)，出口時(shí)間為4 ms，未說明所使用的繼電器類型，溫度條件僅作為告警判據(jù)而未參與跳閘邏輯。本方案在跳閘出口時(shí)間上大于上述兩個(gè)方案，但跳閘判據(jù)可選擇弧光、電流和弧聲這3種判據(jù)，因此對(duì)弧光故障特征的判別更可靠，且采用常規(guī)繼電器的跳閘電路也更安全。

3 結(jié)論

本文研究了開關(guān)柜弧聲產(chǎn)生的原理及頻率特點(diǎn)，電弧光的形成原理、能量幅值及頻率特點(diǎn)，并通過對(duì)弧光故障電流特性的分析，提出了一種基于弧聲、弧光及電流三種判據(jù)組成的開關(guān)柜快速弧光保護(hù)方案。經(jīng)過試驗(yàn)分析，該方案滿足繼電保護(hù)裝置可靠性與快速性的要求，是一種靈活、有效的開關(guān)柜快速電弧光保護(hù)方案。

目前，本方案通過識(shí)別更多的表征信息來有效判別電弧光故障，增加了裝置動(dòng)作的可靠性，并通過并聯(lián)二極管來提高硬件電路的跳閘速度。然而，常規(guī)斷路器的開斷時(shí)間為40～60 ms。與之相比，無論是本方案7 ms的跳閘出口速度，還是其他文獻(xiàn)提出的4 ms，甚至更短的跳閘出口速度，都不能從原理上顯著縮減電弧光故障的清除時(shí)間。本文后續(xù)工作將進(jìn)行燃弧前電氣特征及物理特征的研究，在弧光故障發(fā)生前提供更早的預(yù)警及人工干預(yù)措施，以達(dá)到消除弧光故障危害的目的。使用該原理和方法開發(fā)的裝置已在國外多個(gè)站點(diǎn)投入使用。2018年，在古巴某站成功檢測(cè)到一起因小動(dòng)物引起銅排安全間距短路造成的弧光故障并正確動(dòng)作，檢驗(yàn)了裝置的可靠性。