基于电子传感技术的低压开关柜弧光保护方法

刘立忠，柴卫军，郑小翠

（1.江山海维科技有限公司，江山324100；2.江山市鑫源电气有限公司，江山324100）

低压开关柜是一种转换输电、配电及电能的装置。从结构上划分，固定分隔式低压开关柜将各个电器元件固定在开关柜中，不同的构件分布组合为一个整体的柜体。弧光是电力系统中因为短路所引起的弧光。弧光以一定的速度爆发，破坏弧光辐射面内的所有物质，导致电力系统的紊乱。电弧在电力系统中是一个持续的过程，当电力系统中两点间的电压超过其工频强度极限时就会产生。

总体而言，低压开关柜中形成电弧的过程可分为压缩、拓展、发射以及发热4 个阶段。①压缩阶段 电力系统中产生的电弧占据整个气体空间，柜内形成对流及辐射，柜内的空气被加热；②拓展阶段 由于过热的空气，柜内内部压力增加，拓展时会形成一个热空气流动空洞；③发射阶段 随着空洞内压力的不断增大，弧光被压力挤压产生发射过程；④发热阶段 发射后的弧光占据原有空气的位置，开关柜中的温度不断升高，受到弧光的影响，开关柜内部的金属受到侵蚀融为一体，破坏开关柜的正常运行。

1 开关柜弧光保护方法

固定分隔式低压开关柜在实际运行时，弧光触发开关柜内部线路产生大量涡流损耗，导致实际保护弧光数值变小，开关柜中产生的热量差变大，因此低压开关柜频繁发生弧光短路故障。对此，文献[1]提出了低压柜故障分析方法，针对宁波轨道交通1 号线变电所低压全所失电及低压柜部分抽屉被烧毁情况，从设备的继电保护设置及开关柜装配2 个方面进行分析，在分析的基础上提出保护方案，适当减少继电保护动作时间，增加弧光保护。文献[2]提出了开关柜内部电弧故障的保护方法，利用超快速接地开关快速接地来转移开关柜内部故障电弧电流，同时利用超快速接地开关在300 ms 内完成合闸和分闸操作，熄灭电弧并减轻因电弧对柜内绝缘和元件的损坏，这样可以让开关柜母线上的断路器完成重合闸操作，恢复供电。

然而，这2 种方法由于弧光保护数值过小，开关柜中产生的热量差数值过大，导致开关柜弧光保护效果不佳。对此，本文提出基于电子传感技术的固定分隔式低压开关柜弧光保护方法，解决了传统方法存在的问题。

2 固定分隔式低压开关柜弧光保护方法

2.1 开关柜内电流采集

图1 中性点的网络连接Fig.1 Network connections of neutral points

由图可见，从短路点出发，Rd可看作是有源二端口的负载电阻；开关柜的开路电压即为A 的相对地电压[3]。假设在接地点存在1 个零序电压，由低压开关柜中各个元件与对地电容构成，忽略开关柜中输电线路的阻抗，此时电网中的零序阻抗为

式中：Z0为开关柜的零序阻抗；Xc为电网相对地阻抗。假设，固定分隔式低压开关柜A 相S 点发生单相接地短路故障，则该线路的电压为

式中：EA为线路的电动势；C1，C2，C3分别为开关柜中的3 条线路的电容；Rd为线路电阻；ω 为线路的数量。当金属性接地时，Rd＝0，此时开关柜线路中各相对地电压、母线上的零序电压为

式中：UAD，UBD，UCD分别为不同中性点之间控制线路的电压；EA，EB，EC分别为开关柜线路中性点的电动势。中性点间发生短路后，线路中发生弧光，此时图1 中故障相A 相对地电压为零[4]，流经电容的电流也为零。所以此时不同线路间产生弧光时的电流数值为

式中：j为零序电流系数；C为线路总电容；I0为零序电流；其余参数表示不同中性点的电流值。根据弧光传感器得到的引起弧光的电流值，设定一个跳断路器，保证开关柜的正常运行[5]。

2.2 计算开关柜内部热量

利用上述得到的弧光电流值，在计算线路产生的热量前，分析弧光电流电荷形成的电场，采用麦克斯韦方程电场可表示弧光电荷形成的电场，即

式中：H 为磁场强度矢量；J 为总电流密度矢量；D为电位移矢量；t为时间；Δ为微分算子。开关柜中多线路形成的多种弧光构成一个涡流场，涡流场在开关柜中导电材料的影响下，形成一个稳定的电磁场[6]。该电磁场为

式中：μ 为开关柜分隔板材料的磁导率；σ 为开关柜分隔板材料的电导率；B 为磁感应强度矢量；其余参数含义不变。在考虑分隔式开关柜结构下，综合所有分隔板在涡流中形成的磁矢量[7]，此时固定分隔式开关柜内部的磁场为

表示所有 Q(hkl) 的平均值.G是粉末样品的剪切模量，而且G可由超声波结果外推和理论计算得到.

式中：A 为磁矢量位，其余参数含义不变。将功率损耗作为开关柜中升温的热源，分隔式开关柜内磁场的单位功率损耗为

式中：P为功率损耗；V为开关柜中的电压值。弧光利用这部分功率损耗产生热量，引起开关柜内部温度变化[8]。假设弧光与开关柜间的温差为t1-t2，则开关柜通过弧光热传导的热量为

式中：λ 为热传导系数；d为弧光与开关柜内物体的距离。除了部分热传导的热量外，弧光还会产生部分的辐射热量[9]，这部分辐射热量为

式中：Q1为辐射热量；ε 为开关柜的黑度；T1，T2为开关柜表面的温度；其余参数保持不变。弧光热传导产生的热量使开关柜内部线路及零件温度升高，开关柜内部的空气也会随着弧光的辐射温度上升，造成开关柜中产生一定数值的热量差[10]，计算该部分的热量差Q′为

开关柜中由弧光所产生的热量差，导致柜内线路与零件发生热熔，导致线路短路，使用式（11）计算出的热量差，设定一个温度跳断路器，保护弧光热量的作用对象。

2.3 设定跳断路器

根据处理所得的温度差及热量数值，设计一个压力传感器，传感开关柜中弧光因温度所产生的压力。设计的阀式传感器如图2 所示。

图2 阀式传感器Fig.2 Valve type sensor

图中，传感器的框架用于保证传感器的稳定；叶片负责感知开关柜中由空气压力引起的气流[11]；耳柄与开关柜的分隔板相连。当开关柜中发生弧光时，弧光引起的气流会促使叶片发生转动，将弧光产生的热量通过叶片传输到开关柜的分隔板上[12]。为了消除分隔板上的热量，伸长分隔板上的线路金属丝，设定多个接点，形成一个跳断路器，具体如图3 所示。

图3 设计的跳断路器Fig.3 Designed circuit breaker

由图可见，当叶片的气流压力下，断路器中的半导体开关启动，接点K1 直接闭合，此时中间继电器Kl 线圈连接，接点KL 自动闭合，整个开关柜闭合[13]。因分隔式开关柜内部的线路为一个并联模式，跳断路器存在一个电流总线。为排除该部分电流的影响，采用一个光敏电阻，在开关柜的电流总线处设计一个弧光接地保护电路[14]。所设计的接地保护电路如图4 所示。

图4 接地保护电路Fig.4 Grounding protection circuit

由图可见，当开关柜电流总线中的电流过大时，流经继电器K1 的电流也增大，经过接点K2 与K3 的接连闭合，光敏电阻触发断路器，开关柜停止工作[15]。

综合以上处理，完成对基于电子传感技术的固定分隔式低压开关柜弧光保护方法的设计。

3 仿真试验分析

3.1 试验准备

为验证所设计保护方法的性能，准备1 个外壳为铝、母线材料为铜、绝缘子为复合材料的开关柜。开关柜的具体材料参数见表1。

表1 开关柜材料参数Tab.1 Material parameters of switch cabinet

以表1 所示参数控制下的开关柜为试验对象，在开关柜中模拟实际开关柜中弧光的产生，采用控制台、油浸变压器及放电装置构建1 个弧光产生装置，如图5 所示。

通过所构建的弧光产生装置，采用放电支架与电机构成放电装置。调节控制台电极间的电压范围为10～45 kV，控制台输出电压为低压，经过变压器处理后电压值达到放电电压。电极采用球形形状，模拟开关柜内的放电过程。采用FOM 硅光纤声音传感器显示弧光产生装置的弧光强度数值，外部连接1 个增强型的PIN 硅光电二极管作为弧光探测器，以探测装置是否产生试验所需的弧光。

图5 弧光产生装置Fig.5 Arc generation device

设定弧光产生装置后，在装置外部设置1 个推杆，推杆上安装一个便携式照度仪，选用照度水平在0．01～50000 lx 间的照度仪，试验使用的照度仪及连接方式如图6 所示。

图6 照度仪连接方式Fig.6 Connection mode of illuminance meter

通过照度仪连接方式，将弧光产生装置与照度仪放置在与中轴线等距的位置，保证弧光产生装置能够准确接收弧光产生装置的弧光照度，不断调节试验利用推杆与弧光产生装置间的距离，来模拟低压开关柜中不同强度的弧光。在该试验环境下，分别使用文献[1]方法、文献[2]方法与本文保护方法进行试验，对比这3 种保护方法的保护性能。

3.2 试验结果及分析

在试验中，不断变换推杆与弧光产生装置间的距离，模拟10 种弧光强度。以FOM 光纤声音传感器显示的弧光强度数值，作为弧光产生装置的强度值；以便携式照度仪显示的数值作为保护方法实施后开关柜中的实际弧光强度。对这2 种数值做数值差处理，以该数值作为不同方法的实际弧光保护数值，最终3 种弧光保护方法弧光的保护数值结果见表2。

表2 三种弧光保护方法试验结果Tab.2 Test results of three arc protection methods

由3 种弧光保护方法试验结果数值可知，模拟固定分隔式低压开关柜不同强度的弧光，3 种弧光保护方法均有不同程度的保护作用。以3 种保护方法弧光强度差值作为保护数值，由表可知，文献[1]方法得到的弧光保护数值为874．4 lx，对开关柜的保护能力较小；文献[2]方法平均弧光保护数值为1037．4 lx，弧光保护数值较大；本文方法平均弧光平均保护数值为1205．2 lx。综合分析可知，本文方法对弧光的阻挡作用最强，能够在低压开光柜中起到较强的保护作用。

为了进一步验证本文方法的有效性，采用文献[1]方法、文献[2]方法和本文保护方法，对开关柜中由弧光产生的热量差数值进行对比分析，对比结果如图7 所示。

图7 产生的热量差数值对比结果Fig.7 Results of numerical comparison of heat difference generated

由图可见，对于开关柜中产生的热量差值，文献[1]方法比文献[2]方法的数值大，而本文方法的数值在这3 种保护方法中最小。这是因为本文方法设定了1 个温度跳断路器，有于保护弧光热量的作用对象，减小了开关柜中由弧光产生的热量差数值，降低了固定分隔式低压开关柜内线路与零件发生的热熔现象。

4 结语

作为电力系统中重要的控制组成，低压开关柜频繁发生弧光短路故障。在此所提出的基于电子传感器技术的固定分隔式低压开关柜弧光保护方法，能够改善传统保护方法弧光保护数值过小，开关柜中产生的热量差数值过大等不足。由于该方法线路连接接口过多，操作过程较为复杂，导致操作时间较长，因此有必要在后续的工作中做进一步研究改进。