基于“电流+弧光”的二次回路故障电弧检测研究

谭风雷，陈 昊，丁 凯

(国网江苏省电力有限公司超高压分公司，江苏 南京 211102)

0 引言

随着社会用电量的逐年增长，电网规模不断扩大，高压断路器、变压器、电抗器等一次设备在电网中的应用越来越广泛[1-3]，而二次回路主要用于保护、控制、调节一次设备，其对电网的安全稳定运行具有重要意义[4-6]。二次回路一旦发生故障，容易产生电弧，甚至引发火灾，严重威胁一次设备的可靠运行。

目前，二次回路故障产生电弧后，现有的保护设备虽能检测到故障，但用时较长(400～3 000 ms)，易导致现场险情加剧。为解决常规保护装置(如空气开关等)判断故障电弧时间较长的问题，大量专家学者对故障电弧进行了深入研究[7-11]。文献[12]提出一种采用电流特征的故障电弧检测技术，通过构建BP神经网络，实现了故障电弧的精确检测。文献[13]提出一种基于混沌分形原理的故障电弧检测技术，利用重构相空间、关联维数对故障电弧电流特征进行定量分析，实现故障电弧的有效识别，并通过试验验证了方法的有效性。文献[14]利用小波分析法研究了故障电弧电流的特征能量比，通过六层小波分解，实现故障电弧典型特征的准确识别，并通过带负荷实验验证了方法的普适性。尽管当前对故障电弧的识别已有较多研究，但现有故障电弧的识别方法主要是利用故障电弧的电流特征[15-16]，未考虑伴随故障电弧产生的弧光信息，若能结合弧光信号和电流特征来识别故障电弧，可在保证故障电弧识别速度的基础上进一步提高故障电弧识别的精度。

鉴于上述分析，基于“电流+弧光”的复合特征提出二次回路故障电弧检测技术。该技术综合考虑了故障电流信息和故障弧光信号，可显著提高故障电弧的识别速度和精确。

1 二次回路故障电弧检测思路

故障电弧的产生必然伴随着电流和弧光信息的变化，若能准确检测电流和弧光信号，将有助于及时发现故障电弧，避免事故扩大，对提高二次回路安全运行水平具有重要意义。电流和弧光的检测需要在二次回路上安装电流传感器和弧光采集模块，安装位置如图1所示。二次回路内总支路上安装一组弧光采集模块和电流传感器，弧光采集模块一般安装在母线上；各支路内分别安装一组弧光采集模块和电流传感器。电流传感器采集电流信号，结合弧光采集模块获取的弧光信号，即可实现对故障电弧的精准判别。

图1 弧光采集模块和电流传感器配置位置

2 二次回路故障电弧检测方法

二次回路故障电弧检测时，首先要获取故障电流的特征频率以及弧光判别条件，然后建立故障电弧的判别逻辑，进而实现故障电弧的检测，流程如图2所示。

图2 故障电弧检测技术流程

2.1 二次回路故障电流特征频率计算

假设经傅里叶变换后，二次回路对应的故障电流ih(t)为：

其中，F为算法的采样频率，Ihj为故障电流对应的第j次谐波的有效值，whj为故障电流对应的第j次谐波的相位，t为时间。

Ihj按照从大到小进行排序，如果不同次谐波对应的有效值相同，则应将频率较低次谐波排在前面。根据Ihj的排序情况，可得前n次谐波与总谐波的占比Ph(n)：

其中，J(k)为根据Ihj排序后，第 个谐波对应的谐波次数。文中假设当Ph(n)≥0.8时，排序前n个谐波就是故障电流的特征频率。IJ(k)为故障电流对应的第J(k)次谐波的有效值。

2.2 二次回路故障电流检测条件确认

假设二次回路内第t时刻对应的采样电流为ixt，此时对应的电流有效值IS为：

其中，t0为起始时刻。

利用IS计算二次回路电流i(t)：

其中，w0为二次回路电流对应的起始相位。

利用i(t)可得电流变化率Y(t)为：

假设正常情况下，二次回路电流变化率Y(t)对应的最大值为Ym。若第ta时刻对应的二次回路电流变化率满足Y(ta)＞Ym，则第ta时刻为电流疑似异常点，当Y(ta+1/F)＞Ym和Y(ta+2/F)＞Ym同时满足时，则第ta时刻为电流异常点。根据电流异常点ta时刻，可计算故障电流的特征参数。

求解ta时刻后半个工频周期内电流有效值ISZ：

对ta时刻后半个工频周期内电流进行傅里叶变换：

其中，Ij为ta时刻后半个工频周期内电流对应的第j次谐波有效值，wj为ta时刻后半个工频周期内电流对应的第j次谐波相位。

计算ta时刻后半个工频周期内电流谐波占比P1：

计算ta时刻后半个工频周期内电流特征频率占比P2：

其中，K为故障电流特征频率数。

2.3 二次回路故障电弧检测逻辑构建

建立故障电弧检测判据。

判据Ⅰ：电流异常点后半个工频周期内电流有效值ISZ大于正常时允许最大电流有效值ISM。

判据Ⅱ：电流异常点后半个工频周期内电流谐波占比P1大于正常时允许最大谐波占比P1m。

判据Ⅲ：电流异常点后半个工频周期内电流特征频率占比P2大于正常时允许最大特征频率占比P2m。

判据Ⅳ：当识别到弧光信号，G=1，否则G=0。

结合上述4个检测判据，二次回路故障电弧检测逻辑设置如下。

(1) 分支路动作逻辑。当二次回路中某个分支路满足判据Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ，则表示该分支路发生了电弧故障，延迟10 ms跳开该分支路的空开；当二次回路中某个分支路满足判据Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ，则表示该分支路发生了电弧故障，可直接跳开该分支路的空开。

(2) 总支路动作逻辑。当二次回路中总支路满足判据Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ或所有分支路均满足判据Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ，则表示该总支路或所有分支路发生了电弧故障，延迟10 ms跳开该总支路的空开；当二次回路中总支路满足判据Ⅰ，Ⅱ和Ⅳ且所有分支路的空开在开位，表示该总支路发生电弧故障，可直接跳开该总支路的空开；当二次回路中总支路满足判据Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ或所有分支路均满足判据Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ，表示该总支路或所有分支路发生电弧故障，可直接跳开该总支路的空开。

3 试验验证

为验证所提出二次回路故障电弧检测技术的可行性，搭建了模拟试验平台，主要包括工频电源、弧光发生器、可调电阻、电流传感器和弧光采集模块等。该平台利用弧光发生器模拟二次回路产生的故障弧光，通过分析电流传感器和弧光采集模块采集的相关信息进行综合判断，从而实现故障电弧的准确判别。

利用试验平台进行了20次故障电弧模拟试验，20次试验均能有效检测出故障电弧，且检测时间远小于常规保护装置的判断时间，从而表明所提出的技术不仅具有较高的故障电弧检测精度，而且检测速度快。

4 结论

(1) 基于故障电弧的产生伴随着电流和弧光信息变化这一特征，提出了基于“电流+弧光”复合特征的二次回路故障电弧检测技术。

(2) 介绍了该检测技术的基本思路与实现方式。在详细分析故障电流特征频率计算方法的基础上，以二次回路电流有效值、谐波、特征谐波以及弧光信息建立故障电弧检测判据，并构建二次回路故障电弧检测判断逻辑。

(3) 通过搭建故障电弧模拟试验平台，并进行了20次模拟试验，从电弧检测精度和检测速度验证了技术的有效性。试验表明，该技术具有判断精度高、检测速度快等优势，可供回路故障电弧检测参考。