开关柜快速电弧光保护方案

沈宇龙，夏成林，郄朝辉，周劭亮

(1.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，江苏 南京 211106；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106；3.智能电网保护和运行控制国家重点实验室，江苏 南京 211106)

0 引言

在中低压电力系统中，如果不及时切除电弧光故障，将严重威胁现场工作人员的人身安全及电力系统安全稳定运行[1-3]，业界对电弧光原理及故障特性进行了研究[4-10]。文献[11]～文献[12]分别提出了紫外光加电流及弧光、电流加温度判据的弧光保护方案。这些方案整体故障切除时间(继电器出口时间断路器开断时间)不超过IEC 298标准附录中规定的中低压开关柜耐受最大燃弧时间(100 ms)。文献[13]～文献[14]提出快速接地开关灭弧的方法，灭弧时间短至4～6 ms。该方法灭弧后，需要保护装置在IEEE C57.12要求的变压器金属性短路电流耐受时间(2 s)内，切除由于三相短路所引入的短路电流。本文提出了一种以弧声、弧光和电流为判据的弧光保护方案，能够快速识别并彻底清除电弧光故障。

1 弧光的声、光、电效应

1.1 弧声产生原理及研究

电弧的弧声源于电弧能量的变化，表现为电弧阴极与阳极之间等离子体体积的变化。体积的变化会引起等离子流的运动，带动电弧周围质点偏移平衡位置，并由近至远地传播机械运动量。这就形成了电弧声波[15]。

在故障电弧光形成之前，空气等离子体的扰动就已形成了弧声。进入稳定燃弧阶段后，电弧声音不再随外界环境改变，弧声频率稳定在5～10 kHz，背景噪声主要集中在4 kHz以下[16-17]。随着传感器技术的发展，根据电弧声的频率特性，可以通过滤除背景噪声来采集理想的电弧声信号，并将电弧声信号作为弧光保护的判据。

1.2 弧声产生原理及研究

电弧光是气体放电的最终形式。当围绕气体原子的电子被电离为等离子体后，成为游离的自由电子，并在外界电离因素或较高电场作用下向外辐射电磁波。这种在放电通道周围向外辐射的电磁波就是电弧光。

此时，受激发而电离产生的电弧光中，有近70%处于250～380 nm的紫外光波段[18-19]。这是电弧光的主要特点。燃弧一旦开始，电弧就持续向外辐射能量，从而可以在合适的距离与角度采集到显著的故障电弧光。因此，可根据光传感器的信号检测电弧光。

以系统电压15 kV、故障电流50 kA的系统为例，在距电弧中心910 mm处，弧光能量与时间关系如图1所示[20]。弧光能量与时间呈正比关系。当燃弧持续100 ms时，释放的能量能够引起电缆燃烧；持续150 ms，引起铜排燃烧；持续200 ms，引起钢材燃烧。因此，为防止设备持续损害，应在100 ms内彻底清除弧光故障。

图1 弧光能量与时间关系图

1.3 弧光故障电流研究

开关柜中弧光故障电流大致等于金属性短路故障电流[13]。仍以系统电压15 kV、金属性短路电流50 kA的系统为例，根据IEEE 1548-2018中HCB型弧光故障模型，弧光短路电流简化计算公式如下：

logIarc=k1+k2logIbf

(1)

式中：Iarc为弧光短路电流；Ibf为金属性短路故障电流。

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

从上述公式可以看出，Iarc与Ibf大致相当。

当故障电弧形成后，通常在10 ns内，故障点电弧电压从击穿值显著下降，电流快速上升；约1 μs后，电压电流接近稳定状态[21]。也就是在燃弧初期，故障电气量特征明显，有利于故障电流判别。一旦开关柜内各种金属构件及绝缘材料开始燃烧，故障电流将复杂多变，判别难度增加。根据燃弧引发的故障电流特点，采用电流采样点的突变特征，可得到较高的处理精度。

2 快速弧光保护的原理与实现

2.1 总体方案设计

本方案的弧光保护装置就地安装于开关柜仪表室，通过传感器对检测到的弧声、弧光和电流信号进行处理。根据开关柜设计构造、运行条件等因素，弧光保护判据需要进行灵活设置，在保证可靠性的前提下，解决不同运行条件下的选择性，以适应不同的运行场景。弧光保护装置可设置三种模式：①弧光模式，根据弧光信号进行保护动作判断；②弧光和电流模式，弧光和电流均满足判据后满足动作条件；③弧声、弧光和电流模式，需要同时满足弧声、弧光和电流判据。弧光保护总体方案如图2所示。装置实时采集传感器数据，满足动作判据后跳闸开关，快速切除电源，隔离并消除弧光故障。

图2 弧光保护总体方案图

弧光保护可作为独立的保护单元，通过弧光传感器、弧声传感器及电流互感器采集故障信息，迅速识别弧光故障并通过快速继电器跳本间隔断路器。同时，在常规站中，可通过硬接点信号发送跳进线电源断路器命令，在智能站中通过面向通用对象变电站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)发送跳进线电源断路器命令。将告警信息、动作报告及故障波形通过IEC 60870-5-103规约或制造报文规范(manufacturing message specification，MMS)上传到站内监控后台，供事故分析与调查。

本弧光保护可与其他保护装置配合，通过电缆接线或GOOSE接收其他保护装置的跳闸命令，也可将自身采集到的声、光信号转化为开关量，通过GOOSE发送给其他保护装置使用。

2.2 保护实现方法

弧光保护具体判据通过电流判据投入、弧声判据投入的不同方式，可实现弧光保护装置的三种模式的切换。具体可采集两路电流输入、三路弧光信号输入及三路弧声信号，分别通过电流值突变、弧光越上限、弧声越上限实现电流、弧光和弧声判据。

当满足动作条件后，出口电路中与继电器并联的二极管迅速导通，并形成跳闸回路。待继电器节点闭合后，电流转移至已闭合的继电器触点。该电路在7 ms内跳闸，同时通过电缆或GOOSE跳进线开关(开断时间为40～60 ms)。装置能在60～70 ms彻底清除电弧光故障，保障设备和人员的安全。设备通过传感器处理声、光、电信号，通过中央处理器(central processing,CUP)和数字信号处理器(digital signal process,DSP)进行数据处理和判据计算，并由继电器或GOOSE输出跳闸信号。同时，装置具备以太网接口，可实现和保信子站、监控系统的连接。

2.2.1 弧声采集与判断

本方案采用高精度次声光纤传感器(精度范围0.5～14 kHz)采集声音信号，将模拟信号通过光纤传给装置。装置对信号进行放大、模拟/数字(analog/digital,A/D)转换，并通过DSP，以7.5 kHz为弧声中心频率进行滤波、计算，将带宽5～10 kHz的弧声信号从背景噪声中提取出来。

弧声在燃弧前就会由于离子扰动而出现，但音量小于燃弧时的声音。因此，本方案设置了两套弧声定值：一套为报警定值，可根据实际工况，将定值设置得较小，只用来触发装置的报警信号；另一套的定值可设置得稍大一些，作为与弧光和电流一起构成的跳闸判据。单独设置出一套弧声告警定值有以下优点。①开关柜内绝缘材料的腐蚀、老化是一个缓慢的过程，加上灰尘、潮气等影响因素，虽然不会直接形成燃弧，但很有可能形成弧声。这时，装置能够提前发出告警信号及时提醒运维人员，避免事故的形成。②一旦将弧声传感器固定于开关柜内的装设点，传感器及光纤本身的检修将变得十分困难。参照继电保护装置“通信对点”的概念，只需投入弧声报警功能并人工播放特定频段的录音，观察是否有弧声报警，即可判断开柜内弧声传感器及光纤通道是否正常。

2.2.2 弧光采集与通道自检

本方案采用双通道无源带光纤回路自检功能的弧光传感器。该传感器可采集可见光(波长400～600 nm)和紫外光(波长300～380 nm)，光照度启动阈值为1～20 kLux，探头检测范围不小于270°。当采集到故障弧光信号后，通过光纤将模拟光信号传送给弧光保护单元进行光电转换、放大后送至DSP进行处理，从而得到可靠的弧光判据。

与弧声传感器一样，无源弧光传感器及光纤通道一旦装设于开关柜内，需要运维人员打开柜体盖板才能检查其是否正常。这样既费时费力，又不安全。本方案采用一种新型带回路自检功能的弧光采集方法，能够对采集回路进行实时自检测。一旦发现光纤回路异常，立即报警并闭锁弧光保护，并将报警信号送往监控后台，通知运维人员。弧光回路自检如图3所示。装置内置的高精密自检光源按固定周期发送自检光脉冲。光脉冲通过光纤发送通道进入弧光传感器，经特殊结构反射并通过接收通道进入装置。装置接收光脉冲并进行检查：如果装置没有定期接收到测试脉冲，表明回路异常。

图3 弧光回路自检示意图

自检光收发脉冲波形如图4所示。

图4 自检光收发脉冲波形

图4中：P1波形为自检光源发送的、脉宽为250 μs的光脉冲；P2波形为装置接收到的自检光脉冲。

由于弧光检测模块对微弱光源极其敏感，而装置运行于不同工况下的背景光强度不同，因此装置具备背景光补偿功能，可通过参数设置实现背景光滤除，提高弧光检测的灵敏度和可靠性。

2.2.3 电流突变判据

本方案采用电流突变量作为判据，将当前t时刻连续多个采样点的值与(t-T)(T为采样周期)时刻及(t-2T)时刻采样点的值进行比较。相较于传统的快速傅里叶变换算法，本方案提高了判别速度，能快速、可靠地计算出故障电流。

突变电流采样时刻如图5所示。

图5 突变电流采样时刻示意图

电流突变量采用至少连续6个采样点(采样频率为4 kHz，6个采样点为1.5ms)均满足正向突变且大于突变定值作为动作条件，可消除因干扰而引入的毛刺影响。

2.3 试验验证

通过建立试验检测环境，验证弧光保护装置动作的可靠性。弧光保护测试如图6所示。上位机通过网络交换机连接测试仪进行控制，连接弧光保护装置进行定值修改和动作过程监测；测试仪按状态序列输出故障电流及弧光阶跃信号。

图6 弧光保护测试示意图

保护跳闸延时整定为0 ms，电流定值整定为2 A，光照度定值整定为10 kLux，测试次数为5次。测试仪输出电流值为4 A，输出光照度为20 kLux，弧声传感器接输出频率为5～10 kHz的音响，使弧声判据一直处于满足状态。电弧光保护装置在仅判弧光，判弧光和电流，以及判弧光、电流和弧声这3种模式下的保护动作时间如表1所示。

表1 保护动作时间

由表1数据可得，装置在三种模式下均能够在7 ms以内可靠跳闸出口，跳闸出口时间再加上40～60 ms的断路器开断时间，装置可以在70 ms内切除弧光故障。

文献[11]采用弧光和电流判据并使用固态继电器出口跳闸，出口时间为4 ms。文献[12] 将弧光和电流作为判据，出口时间为4 ms，未说明所使用的继电器类型，温度条件仅作为告警判据而未参与跳闸逻辑。本方案在跳闸出口时间上大于上述两个方案，但跳闸判据可选择弧光、电流和弧声这3种判据，因此对弧光故障特征的判别更可靠，且采用常规继电器的跳闸电路也更安全。

3 结论

本文研究了开关柜弧声产生的原理及频率特点，电弧光的形成原理、能量幅值及频率特点，并通过对弧光故障电流特性的分析，提出了一种基于弧声、弧光及电流三种判据组成的开关柜快速弧光保护方案。经过试验分析，该方案满足继电保护装置可靠性与快速性的要求，是一种灵活、有效的开关柜快速电弧光保护方案。

目前，本方案通过识别更多的表征信息来有效判别电弧光故障，增加了装置动作的可靠性，并通过并联二极管来提高硬件电路的跳闸速度。然而，常规断路器的开断时间为40～60 ms。与之相比，无论是本方案7 ms的跳闸出口速度，还是其他文献提出的4 ms，甚至更短的跳闸出口速度，都不能从原理上显著缩减电弧光故障的清除时间。本文后续工作将进行燃弧前电气特征及物理特征的研究，在弧光故障发生前提供更早的预警及人工干预措施，以达到消除弧光故障危害的目的。使用该原理和方法开发的装置已在国外多个站点投入使用。2018年，在古巴某站成功检测到一起因小动物引起铜排安全间距短路造成的弧光故障并正确动作，检验了装置的可靠性。