CN103809043B - 一种电弧光故障的检测判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电弧光故障的检测判别方法，步骤是：在开关柜小室安装无源光传感器，采用光选频带通薄膜技术持续识别获取电弧光信号，通过大芯径塑料光纤或大数值孔径的石英多模光纤传输至保护装置；保护装置进行模数转换，以固定采样频率将模拟光信号转换为数字光信号，采用IEC61850过程层技术，将数字光信号在装置板卡间及装置间进行高速传输；保护装置对所述数字光信号与预设的光信号分组逻辑进行检索匹配，并结合工频变化量电流信号判据综合判断是否发生电弧光故障。此种方法可快速、可靠地检测到电弧光故障的存在，进而隔离故障，降低故障对设备及人员的伤害。

Description

一种电弧光故障的检测判别方法

技术领域

本发明涉及一种电弧光故障的检测判别方法，适用于电网、电厂、工业企业变电站等场合的母线、变压器、电动机、断路器的快速保护。

背景技术

目前我国电网结构中的中压系统，即10kV和35kV等级，大多使用封闭式的中置柜以电缆引出，由于出线多，操作频繁，运行电流大，故障过电压高，设备安全距离与高压设备相比有差距，制造质量近年来有下降趋势，短路事故几率较高。

母线故障的后果是其产生的气体急剧膨胀造成开关柜爆炸；电弧高温导致铜排、铝排、电缆烧毁；开关设备强烈震动，导致固定件松动；高温、强光、有害气体、碎片飞溅、爆炸声等会造成人员伤害。

由于目前继电保护规程中，中、低压母线没有要求配置专门的保护，针对上述情况，传统解决办法包括：

1）由后备过流保护切除母线故障，考虑整定配合，保护动作时间一般为1.0s以上，切除时间长，常导致在故障发生后继续发展成为更严重的故障，这种发展的故障无论是对中低压配电装置本身还是对主变造成的冲击和损坏都是很大的，设备损伤程度大，甚至烧毁，影响生产运行；

2）采用馈线过流元件反向闭锁进线的过流保护，典型保护动作时间为100ms，但接线施工复杂，且闭锁回路没有监视机制，无法实时监视闭锁回路是否正常；

3）采用常规电流差动母线保护，该保护原理在110kV及以上的高压母线应用广泛，且效果较好，其典型保护动作时间为30～45ms，但由于中、低压系统的CT易饱和，会导致保护误动，且装置支路数量很难满足出线间隔要求，使得该类保护应用受限。

为解决上述问题，目前国内已有工程化使用的专用中低压母线继电保护装置，为国外品牌国内代理产品，其采用的电弧光故障判定方法分析总结如下：

1）部分产品采用有源光传感器采集光信号，并在开关柜内完成光电信号转换，以电缆完成信号的传输。这种方式的光传感器制造成本低，但其将弱电信号引入强电开关小室，且传输过程中的弱电压信号易受安装环境的电磁干扰，可靠性降低；

2）部分产品采用无源光传感器采集光信号，但光传感器正前方180度全视场角范围内的传感器感光效果差异性大，与其产品说明书中标注的性能不符，会导致监视范围缩小，甚至会有监视死区；

3）已有产品的电气量辅助判据采用进线电流幅值判据和零序电流判据，部分故障情况下的故障检测速度慢，影响该类保护装置的整体性能。

当母线故障时，电源进线的三相电流发生突变，同时产生电弧强光，为了保证变压器及母线开关设备的安全运行，迫切需要寻求一种快速、可靠的电弧光故障检测判别方法。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种电弧光故障的检测判别方法，其可快速、可靠地检测到电弧光故障的存在，进而隔离故障，降低故障对设备及人员的伤害，

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种电弧光故障的检测判别方法，包括如下步骤：

（1）在需要监视的开关柜小室，安装无源被动式光传感器，监视并检测光传感器正前方180度全视场角内的电弧光，采用光选频带通薄膜技术持续识别获取电弧光信号；

（2）将模拟电弧光信号通过大芯径塑料光纤或大数值孔径的石英多模光纤传输至保护装置；

（3）保护装置接收各光传感器的模拟光信号，以固定采样频率将模拟光信号转换为数字光信号，数字光信号在装置板卡间及装置间进行高速传输；

（4）保护装置对所述数字光信号与预设的光信号分组逻辑进行检索匹配，判断是否发生电弧光故障。

上述步骤（3）中，保护装置接收各光传感器的模拟光信号，以固定采样频率将模拟光信号转换为数字光信号，采用IEC61850过程层技术，将数字光信号在装置板卡间及装置间进行高速传输。

上述步骤（4）中，保护装置对所述数字光信号与预设的光信号分组逻辑进行检索匹配，同时结合工频变化量电流信号判据判断是否发生电弧光故障；工频变化量电流信号判据具体内容是：保护装置以固定的采样频率对进线电流互感器二次侧电流进行采样，得到三相电流，满足下式时判据满足：

ΔI_ФФ>kΔI_ФФt+ΔI_ФФth

其中，各符号的含义如下：

ΔI_ФФ-三相电流各自的电流变化量；

ΔI_ФФt-浮动门坎，k取1.2～1.3倍；

ΔI_ФФth-固定门坎，取0.2In～0.3In。

上述步骤（4）中，若保护装置判断发生电弧光故障则报警或跳闸。

采用上述方案后，本发明的有益效果是：采用无源光传感器，避免将弱电引入开关柜的强电小室，实现强、弱电有效隔离；采用光度学余弦原理，实现光传感器正前方180度全视场角内的电弧光信号监视；采用光选频带通薄膜技术，滤除其它频率的光信号干扰；采用光纤在保护装置和光传感器间传输模拟光信号，不受现场安装环境的电磁干扰；采用IEC61850过程层技术，实现数字光信号的快速可靠传输；采用工频变化量原理的电流判据，在提高电弧光故障检测可靠性的前提下，保证检测的快速性。

附图说明

图1（a）、（b）分别是本发明中光度学余弦定律示意图；

图2是根据本发明设计的光传感器的结构示意图；

图中，a-保护罩，b-光扩散薄膜，c-光纤耦合系统，d传输光缆，e-光电探测器；

图3是不同光电探测器的频率响应特性图；

图4是本发明中光传感器的安装示意图；

图中，f-光传感器的安装位置；

图5是根据本发明设计装置在单母分段场合中的应用配置图；

图中，g-光传感器，h-开关柜，i-光纤，j-应用本发明的继电保护装置。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种电弧光故障的检测判别方法，包括如下步骤：

（1）在需要监视的开关柜小室，安装基于光度学余弦原理的无源被动式光传感器，监视并检测光传感器正前方180度全视场角内的电弧光，采用光选频带通薄膜技术持续识别获取电弧光信号，实现电弧光信号的带通滤波；

（2）步骤（1）中获取的模拟电弧光信号通过大芯径塑料光纤或大数值孔径的石英多模光纤，传输至保护装置，提高信号传输过程中的抗干扰能力；

（3）保护装置接收各光传感器的模拟光信号，以固定采样频率将模拟光信号转换为数字光信号，采用IEC61850过程层技术，将数字光信号在装置板卡间及装置间进行高速传输，确保数字光信号的快速可靠传输；

（4）保护装置对所述数字光信号与预设的光信号分组逻辑进行检索，若二者匹配，确认光信号有效，并结合采集到的与该分组逻辑对应的电气量信号（包括三相电流），采用工频变化量电流信号判据综合判断是否发生电弧光故障，若发生故障则保护装置报警或跳闸。

以下介绍所述光传感器相关技术的实现过程。

由现有知识易知，当发光体在各个方向的光亮度相同时，不同方向上的发光强度符合余弦定律。

假设发光微元面积ds在与该微面垂直方向上的发光强度为I₀，配合图1中（a）、（b）所示，且发光体在各个方向上的光亮度一致，则有：

$L=\frac{I_0}{\mathrm{ds}}=\frac{I}{\mathrm{ds}\·\cos \mathrm{\α}}$

其中，各符号的含义如下：

L-光亮度，发光体表面某点附近微元面积在某一方向上单位立体角内发出的光通量，单位坎/米²。

I-发光强度，指定方向上单位立体角内发出光通量的多少，单位坎（德拉）。

I₀-在与发光微元面积ds垂直方向上的发光强度。

ds-发光微元面积。

α-I₀与I的夹角。

由上式可得：

I＝I₀·cosα

该式即为发光强度的余弦定律。

利用所述发光强度的余弦定律可设计一种无源被动发光器件，如图2所示，其包括保护罩a和光扩散薄膜b，无需外部提供工作电源，可安装在如图4中的所示位置。

所述保护罩a可采用石英玻璃制作，也可以采用透明PMMA、PC等光学塑料制作，其几何形状可以是球形或椭球形，在保护罩a内喷镀光扩散薄膜b。

被动发光器件能够接收正前方180度全视场角范围内任意方向的入射光，当保护罩a内的光扩散薄膜b接收到外界的入射光时，就会在保护罩a内形成一个均匀的二次发光体。通过光纤耦合系统c，将该二次发光体发出的光耦合到传输光缆d；所述光纤耦合系统c可以是G-lens、C-lens或光纤透镜，也可以用特种光纤直接耦合，而传输光缆d可以采用大芯径塑料光纤（直径大于2000微米）或大数值孔径（大于0.45）的石英多模光纤；通过大芯径塑料光纤或大数值孔径的石英多模光纤将二次发光体的光信号传输到位于保护装置内的光电探测器e上，利用光电探测器不同的频率响应特性（如图3所示），实现光选频带通功能，将模拟光信号转换为数字光信号。

涉及的光学原理及定义可参见安连生著《应用光学》，北京理工大学出版。

本发明所采用的数字光信号传输技术中，IEC61850-9-2标准是数字化变电站过程层标准，它规定了间隔层和过程层之间通信的特定通信服务映射，规范了采样值的网络传输方式。本发明基于该国际标准，将采集到的数字光信号在各保护装置间快速通讯交互，满足了电弧光故障快速检测的实时性要求。该通讯技术具有开放性、自适应性以及高实时性的特点，为本发明的成功实施提供了通讯保障。

在保护装置的板卡间，以及保护装置间，设置收、发模块，将各光传感器获取并转换后的数字光信号进行快速传输，传输频率可设定为3.0kHz～6.0kHz。

以下详细介绍本发明所采用的基于工频变化量原理的电气量信号辅助判据。反映相电流工频变化量的保护元件采用浮动门坎，正常运行及系统振荡时变化量的不平衡输出均自动构成自适应式的门坎，浮动门坎始终略高于不平衡输出，在正常运行时由于不平衡分量很小，保护装置有很高的灵敏度。当相电流变化量大于整定值，电流信号判据满足。

ΔI_ФФ>kΔI_ФФt+ΔI_ФФth

其中，各符号的含义如下：

ΔI_ФФ-三相电流各自的电流变化量。

ΔI_ФФt-浮动门坎，随着变化量输出增大而逐步自动提高，k取1.2～1.3倍可保证门坎电压始终略高于不平衡输出。

ΔI_ФФth-固定门坎，电流变化量启动值，按躲过正常负荷电流波动最大值设定，可取0.2In～0.3In。

保护装置以固定的采样频率对进线电流互感器TA二次侧电流进行采样，得到三相电流，并采用工频变化量原理，构成电流信号判据。

电流信号判据与光信号判据与门输出电弧光保护动作标志，保护装置可报警或跳闸。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电弧光故障的检测判别方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在需要监视的开关柜小室，安装无源被动式光传感器，监视并检测无源被动式光传感器正前方180度全视场角内的电弧光，采用光选频带通薄膜技术持续识别获取电弧光信号；

其中，无源被动式光传感器包括保护罩、光扩散薄膜和光纤耦合系统，保护罩呈球形或椭球形，保护罩内喷镀光扩散薄膜，当光扩散薄膜接收到正前方180度全视场角内的入射光时，在保护罩内形成一个均匀的二次发光体，再通过光纤耦合系统将该二次发光体发出的光耦合到大芯径塑料光纤或大数值孔径的石英多模光纤；

(2)将模拟电弧光信号通过大芯径塑料光纤或大数值孔径的石英多模光纤传输至保护装置；

(3)保护装置内设置光电探测器，利用光电探测器不同的频率响应特性，接收各无源被动式光传感器的模拟光信号，以固定采样频率将模拟光信号转换为数字光信号，数字光信号在装置板卡间及装置间进行高速传输；

(4)保护装置对所述数字光信号与预设的光信号分组逻辑进行检索匹配，判断是否发生电弧光故障。

2.如权利要求1所述的一种电弧光故障的检测判别方法，其特征在于：所述步骤(3)中，保护装置接收各无源被动式光传感器的模拟光信号，以固定采样频率将模拟光信号转换为数字光信号，采用IEC61850过程层技术，将数字光信号在装置板卡间及装置间进行高速传输。

3.如权利要求1所述的一种电弧光故障的检测判别方法，其特征在于：所述步骤(4)中，保护装置对所述数字光信号与预设的光信号分组逻辑进行检索匹配，同时结合工频变化量电流信号判据判断是否发生电弧光故障；工频变化量电流信号判据具体内容是：保护装置以固定的采样频率对进线电流互感器二次侧电流进行采样，得到三相电流，满足下式时判据满足：

ΔI_ΦΦ>kΔI_ΦΦt+ΔI_ΦΦth

其中，各符号的含义如下：

ΔI_ΦΦ-三相电流各自的电流变化量；

ΔI_ΦΦt-浮动门坎，k取1.2～1.3倍；

ΔI_ΦΦth-固定门坎，取0.2In～0.3In。

4.如权利要求1所述的一种电弧光故障的检测判别方法，其特征在于：所述步骤(4)中，若保护装置判断发生电弧光故障则报警或跳闸。