新型弧光保护装置的设计

吴振跃 肖登明

（电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海交通大学电气工程系，上海 200240）

新型弧光保护装置的设计

吴振跃 肖登明

（电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海交通大学电气工程系，上海 200240）

随着配电电网的发展，成套开关柜大量应用在中低压系统中。由于设备自身原因、运行环境等各种因素影响中低压母线弧光短路故障频发，对电网的供电可靠性以及操作人员的人身安全造成了极大的威胁。本文在分析中低压领域内部弧光故障产生机理的基础上设计了一种新型弧光保护系统，其组成包括超声检测模块、过电流检测模块、电弧光检测模块、逻辑处理模块及快速接地单元等。该装置不但能够实现在电弧故障发生之前发出警报信号提醒运行维护人员前来检修，还能够能在极短的时间（＜5ms）内将电弧故障转换为金属性短路从而熄灭故障电弧，最终再由上游断路器清除故障电流，极大地提高了中低压开关设备的可靠性。

弧光故障；快速接地开关；超声检测模块；中低压开关柜保护

成套开关柜大量应用在中低压系统配电中，由于设备自身原因、运行环境等各种因素影响，弧光短路故障频发。中低压母线发生的弧光故障具有发展迅速、无法预测、破坏力大等特点，会造成开关柜、母线烧毁或爆炸等严重后果[1]。目前我国现有的低压母线保护无法快速切除弧光故障，开发新型高速电弧光保护系统具有重大的现实意义。

中低压开关柜作为母线上的一个节点，它的故障不能仅仅看成一种特殊的故障，而应看成是母线短路故障发生在相对狭小密封空间的一种特殊形式。发生在狭小空间决定了开关柜作为整个线路的绝缘薄弱环节，其绝缘故障的高发性；而相对密封的空间决定了其在发生弧光短路故障后的危险性，即由于短路弧光高达8～60MW的功率[2]，当在狭小的空间释放时极容易导致故障危害的蔓延甚至是开关柜发生剧烈的爆炸。因此，分析开关柜弧光短路故障的产生机理、发展过程、应对措施乃至提出新一代中低压开关柜弧光故障保护系统是非常有价值的。本文在在分析开关柜电弧短路的物理特性、电弧效应和相关数学模型的基础上，提出了以检测超声波、电弧电流和电弧光三种信号为保护原理的新型高速电弧光保护系统。通过研究电弧光保护的动作原理和组成结构，详细分析了电弧光保护的可靠性和控制策略，完成了保护装置的设计。引入超声波检测和快速接地装置等改进保护动作控制策略的措施，提高了保护装置的可靠性和选择性。

1 开关柜弧光短路故障的产生机理

1.1 单相对地短路分析

单相接地时电网的主要故障形式，约占60%以上[3]。我国现有的现有的电网中心点接地方式主要有中心点直接接地、经过消弧线圈接地和不接地三种。后两种称为小电流接地方式，而目前在中低压电网中广泛采用的正是小电流接地方式。这种接地方式的优点是可靠性较高，但是当电网的接地电容电流达到某一临界值（5～10A）时，一旦发生单相接地故障接地电弧，就难以瞬间自行熄灭，特别是由此产生的间歇性电弧接地过电压，作用时间一般较长且遍及整个电网。开关柜作为电网中绝缘的薄弱环节在这种情况极容易发展成为相间弧光短路故障甚至发生爆炸。

图1 中心点不接地系统

如图1所示，接地电流Ijd等于非故障相对地电容电流的总和：

在对于6～35kV架空线路，每千米对地电容约为 0.005～0.006μF，其中有避雷线的取较大数值。电缆电容电流计算修正公式I0=K·U·L

式中，S（mm2）为电缆截面[4]。

相对于35kV开关柜1250A的额定运行电压，这个对地短路电流并不是开关柜弧光短路爆炸的直接原因。它的危害在于当接地电弧不能自熄而反复拉弧时一方面在于会不断地侵蚀本相的绝缘，极大的加快本相绝缘的老化；另一方面在于会在另外两相产生 3.5倍相电压甚至更高的弧光接地过电压，在开关柜绝缘水平不足的情况下很快就会从单相对地短路发展成为相间短路，从而导致开关柜爆炸等严重后果。

1.2 弧光接地过电压

是否在单相接地时产生间隙电弧，与系统的单相接地电流大小直接相关。若系统较小，线路又不长，那么在一些暂时性弧光接地电流故障过后电弧可自定熄灭，系统很快恢复正常。可是随着系统电压的提高以及系统的发展，单相接地电流会成比例增长。运行经验表明当 10～35kV系统电容电流超过10A时此时的接地电弧将难以自动熄灭。

到目前为止，在分析电弧过程有三种理论即以高频振荡电流第一次过零时熄弧来分析电压发展过程的高频熄弧理论、以工频过零时熄弧来分析电压发展过程的工频熄弧理论以及苏联专家提出的熄弧恢复抗电强度理论。其中工频熄弧理论和高频熄弧理论经过数学分析可以分别产生3.5倍和7.5倍的过电压。苏联对电网实测过的弧光接地过电压最高一次为4.3倍，美国IEEE标准认为弧光接地过电压一般不超过4倍，我国规程也认为不超过3.5倍。可见弧光接地过电压倍数具有很强的随机性，工频熄弧以及高频熄弧的可能性同时存在，对电网尤其是电网中的绝缘薄弱点具有极大的威胁。

1.3 开关柜弧光故障的原因

中低开关柜故障电弧产生的原因主要有以下几个方面：中、低压开关柜绝缘材料爬距不足，未满足加强绝缘要求；开关柜绝缘材料发生老化等绝缘故障；由于一些电缆接头截面不够，紧固螺栓松动，手车柜触头接触不良，在大电流流过时引起发热，冒火进而引起相间、相对地击穿；外来物体如小动物（老鼠等）进入开关柜内部；人为错误操作；系统容量增大，接地方式改变，雷电入侵，保护及自控装置配置不当引起系统谐振过电压等[5]。

通过总结，可以发现大多数的开关柜弧光短路故障都是从单相对地间歇性拉弧发展为两相甚至三相相间短路的。

2 新型弧光保护系统的设计

目前故障电弧的防止主要有两个办法，一为被动方法，即在开关设备内采取释压措施，释放故障电弧的压力和热效应。现在一般中压开关设备都采取这个方法，并且对于内部电弧级中压开关设备在国家乃至国际标准中都有严格的故障电弧强制性实验规程。另一为主动方法，就是将故障电弧消除在萌芽状态，不让其形成高压力和强大的热效应从而从而避免其对开关柜产生破坏[5-6]。由上节的分析可知，新型弧光保护系统前面临两个关键任务：①在开关柜单相对地闪络时发出警报提醒运行人员前来检查，将故障消除在开始之前；②在发生相间短路时能够尽快的熄灭故障电弧。目前国内已有的弧光保护系统存在不能在发生局放、闪络、乃至单相对地短路的时候发出警报，提醒运行维护人员前来排除故障以及传统弧光保护装置一般通过上游断路器熄弧来保护开关柜，然而普通的断路器的动作时间一般在30ms到60ms，无法快速熄灭电弧保护设备的问题。针对上诉缺陷，本文设计并完成了新型弧光保护装置，通过引入预警装置和快速熄弧装置成功的解决了以上的问题。本文提出了新型弧光接地装置就是主动应对思想下的产物，相比较传统的弧光保护系统，它在运行机理、保护模式上都有较大的突破。

2.1 弧声预警单元

开关柜在某一时刻发生弧光短路并迅速发生故障电弧燃烧，除可产生肉眼可以识别的可见光外，还有多种辐射现象，如声波、红外线、紫外线或电磁波的辐射等。超声波作为弧光故障的一种伴生现象，以其作为弧光故障的一种必要性判据是完全可行的。国内外一些学者，已经对弧光故障时所产生超声波进行验证性研究。如 TarlochanS.Sidhu等人在《金属铠装中压开关柜中多传感器检测电弧故障的研究》中，就分析了超声波在不同测试环境下均能可靠检测到电弧故障。而广西工学院的蓝会立和华侨大学的杨建红等人通过实验、仿真等手段得到了故障早期弧声的频率范围，为用硬件实现弧声预警装置打下了基础[7-10]。

超声检测系统结构如图2所示。该系统由多个超声波探测器、放大电路、滤波电路和比较电路构成，最后结果输出到电弧光保护装置中。

图2 超声检测系统结构图

1）超声波传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波。本装置决定采用压电陶瓷式超声波传感器作为系统超声波检测单元。大量的理论和试验研究表明弧声信号中心频率不随外界环境的改变而改变。通过对采集电弧弧声的频谱分析可以知道本实验中电弧弧声频率在 5.2～9.8kHz之间，中心频率在7.5kHz左右。系统使用的超声波传感器的中心频带最大宽度2～15kHz。

2）放大电路。由于开关柜的噪声环境较强以及采集的超声波信号很微弱，为了能让后续的采集电路符合采集要求，必须通过放大电路进行信号放大。本装置采用带宽达16MHz的MC34082作为输入运算放大器，其低噪声，高增益，高共模抑制比和良好的高频特性满足超声波检测的要求，设计放大电路如图3所示。

图3 放大电路

3）滤波电路。在实际开关柜环境中，存在各种对超声波检测产生干扰的噪声，其中主要包括机械振动噪声、电磁辐射干扰等，因此有必要对电路中对检测的信号进行滤波以消除低频和高频的干扰信号。本文所采用的带通滤波电路图如图4所示。

图4 滤波电路

4）比较电路。通过设定超声波参考信号值，可以区分开关柜局部放电的严重程度。据局部放电的检验值，当超声波数值大于 15～25dB时，就可以视为开关柜内部存在严重的绝缘缺陷。为了增强抗干扰能力和考虑电弧光短路的实际情况，在实际应用中，可以适当提高超声波参考信号值。比较电路采用均方根直流转换器 AD637与双电压比较器LM393实现，其实现电路如下图所示。AD637是带宽可达8MHz的高精度高速转换芯片，能计算高频信号的有效值。LM393及其外围电路实现了超声波信号的有效值与整定值的比较。当检测到的超声波大于整定值时，比较器输出高电位，输入至电逻辑判断单元。

图5 比较电路

2.2 电流检测单元

电流检测单元为一个独立的单元，通过检测电流的变化率以及阈值来判断过电流。传统的过流检测仅仅通过比较阈值来实现过流警报。本系统通过采用高速运算单元提高了系统对于过流的反应速度，而阈值及变化率双判据则在提高判断速度的基础上保持了判断的可靠性。

1）利用配电站内现有的上游母线 CT（电流互感器）来获取过电流信号，这样没有增加母线的电气节点，不影响系统的正常运行，同时可以大大节省设备投资。

2）采用TBC50E型霍尔电流传感器进行光电隔离，保证了信号传输的精度和速度，同时实现了过电流监测系统与数据采集部分的电气隔离。

3）以TI公司的1GHz高性能数字信号处理器（DSP）TMS320C6416T实现信号变换与传输，同时实现过电流的识别。

本系统共需要监测A、B、C三相过电流信号（在需要的情况下可扩展至 N线），因此系统有三路模拟信号输入通道。从电流互感器二次侧传来的电压信号经过信号调理和光电隔离以后，进入高速 A/D转换器。DSP对电流信号的判断是通过比较电流上升率以及电流阈值来实现的。定义电流上升率为K，单位为 mA/s，其中（i≥1，i为整数）存在一个临界电流上升率和临界电流阈值，当DSP通过信号采样值与基准值的比较判断出出现过电流以后，立即向逻辑判断单元发出过流信号，完成对过流部分的检测。

2.3 弧光检测单元

弧光探头设计的难点在于如何整定弧光动作阈值以及避免探头在日光、维修人员手电等非动作光源下的误动作。清华大学魏念荣等人提出了使用荧光光纤检测局部放电的方法，该方法是利用荧光光纤的Stokes频移特性使进入光电转换器的光谱范围更好的与光电转换器配合，提高了光电转换的效率以及避免了误动作的几率，弧光检测探头借鉴了这一思路[11]。

图6 典型气体的放电伏安特性曲线

图6为典型气体的放电伏安特性曲线，曲线G到H为弧光放电过渡区，H点之后为弧光放电区，为了能够准确在弧光发生时动作，弧光探头的动作点应该选在曲线G点之后。考虑到典型开关柜的尺寸、弧光探头的大小以及开关柜中存在的遮挡与反射，综合起来将阈值设定为100μW。

当出现弧光时，弧光通过弧光探头的光学窗口端照射到荧光材料上，弧光中与荧光材料激发波长相吻合的光能量被荧光材料转换为弧光信号导入光纤中；弧光中与荧光材料激发波长不相吻合的光能量被荧光材料散射，部分散射光能量也进入光纤中作为弧光信号，然后通过光纤传输给光电转换电路。

2.4 超速接地开关

开关柜一旦发生内部故障电弧，电弧的高温将造成电弧末端金属材料的融化和气化，弧光能量会迅速传递给周围的气体，使柜内温度和压力都急剧上升不但会导致柜内元件损毁，甚至有可能扩散到周围的开关柜内导致多组开关柜同时烧毁的“火烧连营”事故。最为严重的是当前电网中投入运行的开关柜大部分都存在机械强度不够，泄压能力不强的问题，故障电弧产生的高温高压气体一旦冲出就有可能造成重大人身伤亡事故。内部电弧产生的破坏力与壳体坚固程度、电弧长度、短路电流大小以及电弧持续燃弧时间有关。为了能够最大限度的减少故障电弧带来的损害，最有效的办法就是减少故障电弧燃弧时间。目前市面上的弧光保护装置大部分还停留在当检测装置检测到电弧故障后由上游断路器熄弧的阶段。然而一般断路器分闸时间通常达到30～60ms，加上继电器动作时间总的延迟将会超过80ms，这就极大的影响了弧光保护装置的保护效果[12-14]。经过研究，本文提出了以电磁机构推动三相快速接地开关动作，首先将不可控危害大的短路电弧故障转换成金属短接电流熄灭电弧，然后由上游断路器动作清除故障电流的思路，这就极大地保护了设备以及人员安全。本文通过Matlab/Simulink软件对快速接地开关的效果进行了仿真，仿真电路如图8所示。

图8 35kV系统中性点不接地系统

该电路模拟了 35kV中性点不接地系统发生两相短路之后，利用快速接地开关把故障电弧转化为接地开关内部金属性短路的情况。在电路中通过电路短路模块来模拟两相相间短路，用接地开关来模拟系统中使用的快速接地开关。

为了更好地观察熄弧效果，电路短路发生时间设为 3/60s，快速接地开关动作时间设为 5/60s。通过图9图10的电流波形可以看到一旦三相快速接地开关启动，故障电弧被迅速短路。通过将弧光短路转换成金属性短路完成消弧，再通过上游断路器清除故障电流，这样就保障了开关柜设备以及人员的安全。快速接地开关通过使用快速电磁操作机构达到快速合闸的目的。快速电磁机构通过预充电的电容器向分闸或合闸线圈放电产生持续几毫秒的脉冲电流，与开关操作连杆固定在一起的可动线圈受到脉冲电磁力的作用，带动连杆运动从而实现开关的快速关合或分断。

图9 35kV系统中性点不接地系统故障时母线电流

图10 35kV系统中性点不接地系统故障点电流

图11 快速接地开关示意图

图11所示为本装置使用的快速接地开关，其工作原理为：快速接地开关在初始处于分闸位置，在工作中，工作电源（1000V）首先向储能电容充电，随后储能电容处于待机状态。一旦装置接收到合闸信号，那么控制系统将触发信号给予晶闸管，在晶闸管导通后储能电容瞬间向物流线圈放电，涡流线圈会因此产生一个急速增大的磁场。根据楞次定律会在可动铜盘中感应出一个反方向的磁场从而推动连杆机构向上高速运动，这样触头可以在4ms之内完成整个闭合动作，随后故障点的弧压急剧降低，电弧无法持续而立即熄灭。

3 装置的工作原理及特点

3.1 弧光保护系统逻辑

在弧光故障前期，超声波传感器检测潜在的弧光故障的放电现象，当超声波信号大于整定阀值或者电流检测单元检测到过电流的时候，发出预警信号并开放电弧光保护；如果潜在弧光故障继续发展，此时弧光增量达到整定值，启动跳闸切除故障。其保护的逻辑图如图12所示。

图12 弧光保护系统逻辑图

在电弧光尚未发展成为弧光短路故障时，弧光的微小放电现象能通过超声波检测发现。当超声波检测发出告警后，运行维护人员可以提前对故障进行处理。加入超声波检测，可以对开关柜内潜在的电弧故障进行检测并能进行消除，这样的话不仅将被动保护方式转变为主动防御，还保留了电弧光保护的快速切除故障的功能，大大降低了弧光故障的发生以及其产生的危害。

由于超声波检测在弧光故障前已经开始，所以采用这样的动作逻辑不影响弧光保护动作的快速性。同时，引入了超声波检测判据后，避免了电流检测单元有可能在某些情况下虽然发生弧光故障，但是却不能动作的情况，极大的增强了保护的可靠性。

3.2 弧光保护系统架构

一套电弧光保护装置可以实现对多台开关柜的弧光保护。如图13所示，保护可设有一个主控单元、若干个电弧光检测单元、超声波检测辅助单元、电流过流检测单元。

图13 高速电弧光保护装置结构图

当系统接收到各单元传来的信号时会根据设定逻辑进行判断。当条件满足条件动作时会首先向快速接地开关以及上游断路器发出动作信号，快速接地开关首先动作，会在5ms之内完成将故障电弧转换成金属性短路的任务。上游断路器会在 60ms内彻底清除短路电流，从而保障了开关柜以及操作人员的安全。最后系统会通过与上位机的通信功能上报故障发生的地点与时间，为接下来的事故处理提供可靠信息。

4 结论

新型弧光保护系统引入了超声信号检测这一新颖的检测手段并且提出了新的弧光保护三判据原理，在增强了系统反应速度的基础上，增强了系统的可靠性，保证在一些特殊情况下电流过流检测单元不能动作的情况下系统的可靠动作。通过在弧光保护系统中引入了快速接地开关进行消弧，极大地提高了消除电弧的效率，形成了接地开关消弧，上游断路器清除故障电流的全新弧光保护模式。

本装置的研制能够极大的增强中压开关柜的可靠性与安全性。近年来各地变电站频繁发生开关柜起火爆炸事件，究其原因都是由于弧光保护装置不完善从而无法快速熄灭电弧所致。新型电弧光保护系统的研发能够极大的增强中压开关设备的安全性，是未来智能化金属封闭开关设备的重要组成部分。

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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

吴振跃（1989-）男，硕士研究生，研究方向为电力系统在线监测技术，新型环保绝缘气体。