CN105356426A - 抗非电弧光干扰的弧光保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗非电弧光干扰的弧光保护装置，该装置包括主控单元、电流模块、电源模块、弧光模块、输出模块、弧光传感器组和通信模块，所述电流模块、电源模块、弧光模块、弧光传感器和通信模块组分别与主控单元连接，控制器根据紫外光和可见光比例、紫外光光强2种不同判据，对干扰光源和弧光光源进行区分。本发明保护装置运行稳定可靠,排除了外界干扰的光源对弧光保护装置的影响，不会出现误动作现象,保护正确动作率100％。

Description

抗非电弧光干扰的弧光保护装置

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，涉及弧光保护装置，具体涉及抗非电弧光干扰的弧光保护装置。

背景技术

电弧光是放电过程中发生的一种现象，当两点之间的电压超过其工频绝缘强度极限时就会发生。当适当的条件出现时，一个携带着电流的等离子产生，直到电源侧的保护设备断开才会消失。空气在通常条件是很好的绝缘体，但由于温度的升高或者其他外部因素的作用，其化学和物理特性发生改变时，它可能变成通电的导体。只要两端的电压提供的能量足以补偿热损耗并维持适当的温度条件，电弧将会持续发生。如果电弧被拉长和冷却，维持它的必要条件缺失进而熄灭。类似地，如果电路两相发生短路也可以产生电弧，短路是两个不同电压的导体发生低阻抗的连接，形成低阻抗的导电体，(例如：金属工具遗忘在柜子的母排上、错误的连接或动物闯入柜子内，这些都是各种潜在的可能)一旦形成短路，会引起很大的短路电流值，其大小取决于电路的特性。

中、低压母线由于(1)出线多、操作频繁；(2)相导体线间距离与大地的距离比较近，易受小动物危害；(3)设备制造质量比高压设备差；(4)设备绝缘老化和机械磨损；(5)运行条件恶劣，系统运行条件改变；(6)人为和操作错误故障率比高压母线高。发生短路故障时，所产生的电弧光对设备及人员会造成极大的伤害。但是目前在国内中低压母线系统中一般不配置专用的快速母线保护，而是依赖上一级变压器的后备保护切除母线短路故障，这样导致了故障切除时间的延长，加大了设备的损伤程度，破坏严重时可能造成事故进一步扩大，威胁到系统的稳定运行，该问题已引起业内专业人士的高度重视。

电力系统由于各种的短路原因可引起弧光，弧光会以300m/s的速度爆发，摧毁途中的任何物质。只要系统不断电，弧光就会一直存在。要想最大限度的减少弧光的危害，我们需要安全、迅速地切断电弧光，这样可以在发生弧光故障的时候，保护操作人员不受伤害，并且可以降低财产损失程度。因此近20年国内外不少厂家致力于开发电弧光保护系统，采用弧光检测和过电流检测双判据原理，保护动作速度快、可靠性高，填补了国内中、低压专用快速母线保护的空白。

在电弧光保护系统领域居于世界领先地位的芬兰UTU、ABB、南瑞等，目前运行中的很多弧光保护装置采用的都是光强和过电流双判据，其中光这个判据无法区别是弧光本身还是干扰光源，因此有部分运行中的弧光保护装置仅投入电流判据，单独投入弧光判据的时候出现过误动作，影响恶劣，市场认可度并不高。而根据各试验站针对燃弧试验光谱进行分析，发现弧光70％以上是紫外光。综合上述种种原因，非常有必要针对现在的弧光传感器和弧光保护系统或装置进行对应的改善，我公司此次研发的抗非电弧光干扰的弧光保护装置采用紫外光白光一体化的光传感器把干扰光源和弧光本身光源进行区分，再加过电流双重判据作为保护动作条件，使得产品可靠性提高，无误动作，做到100％正确动作。

中压开关柜发生内部电弧故障释放的能量是很大的，其总能量取决于短路电流大小、故障电弧燃烧的时间、同时燃烧的电弧的数量等因素。在一条短时耐受电流为25kA和电弧电压约为600V的20kV电力系统中，故障电弧释放的能量为40.5MJ。这一能量能在1秒内可使15.6升水蒸发掉，或使42公斤的铁熔化。

在中压开关柜中，国外一般采用IEC298中附录A中指定的100ms的内部电弧额定时间作为电弧故障防护标准，它指的是开关柜可以承受的内部电弧燃烧时间。也就是说，发生开关柜内部故障时保护动作切除故障的时间在100ms以内的话，对开关设备及附近人员的损害限制到最小。国外著名厂家生产的中压开关柜，一般都进行内部电弧试验，并在产品样本中提供这一性能指标。国内的开关柜，一般采用等效IEC298的GB3906、DL404等标准生产的，但在产品样本中一般没有列出内部电弧额定时间这一指标。在国外，在用户提出要求高于100ms的内部电弧耐受时间要求时，一般由用户和生产厂另行商定解决。当然，这将增加开关柜的费用。根据国外的应用经验，将内部电弧故障额定值从100ms增加到200ms，开关柜的成本增加10％；但如果将该指标增加到1秒，则开关柜的成本将增加100％。

现有的针对开关柜内部弧光故障(相当于母线故障)的保护，国内普遍采用变压器后备过流保护作为主保护，由于过流保护为了保证其选择性，其动作时限需要按照阶梯原则配合，即自负荷侧到电源侧的动作时限逐级拉长，以致到了主变压器处已达到1.5～2.0秒，有的更是长达6秒，如此长的故障切除时间，对于开关柜额定耐受电弧时间只有100ms来说，一旦发生内部弧光故障，对开关设备的损坏将是非常严重的。此外，由于国标规定的110kV及以上电压等级的变压器的动稳定时间为0.25秒，中低压母线保护系统的故障切除时间也必须满足这一要求。

为了加快切除中低压母线故障的速度，国外曾配合微机过流保护装置的广泛应用，提出了一种利用馈线过流闭锁进线速断保护的闭锁式保护方案。这种保护方案在国外一些电网采用，它与前一种变压器后备过流保护方案相比，保护的动作速度有了一定的提高，动作时间大约为200ms-300ms，仍不能满足总故障清除时间100ms的要求。

应用于高压、超高压系统的母差保护的动作速度很快，可达到20-35ms。然而，由于以下几方面的原因而不适合于中低压母线应用。其一，采用母差保护由于保护范围受到CT安装位置的限制，不能保护到发生故障几率较高的电缆室电缆接头处的故障。其二，采用母差保护不能提供故障定位功能，这对于组成中低压母线的开关柜一般分为多个单元室，而一段母线上往往连接有十多台、甚至二十多台开关柜，快速母线保护切除故障后，在开关柜外观是看不到损坏痕迹的，如果母线保护系统没有故障定位功能的话，对于查找故障点可能需要较长的时间，因而影响检修速度和尽快恢复供电。此外，采用这种方案还存在接线复杂，对CT的要求高并且安装在6-35kV母线上有很多困难，也很不经济等问题。所以，母差保护也是不适合中压母线保护应用的。现有的保护方案显然是不能满足快速切除故障或保护覆盖范围要求的，迫切需要采用一种新型中压母线保护系统，以解决中低压母线发生故障几率较高、延迟切除故障导致故障发展、扩大，从而造成的巨大的经济损失的问题。抗非电弧光干扰的电弧光保护装置，开关柜发生内部故障时，电弧燃烧的结果会生产各种故障特性，如产生可见光、声波、压力波，甚至是红外线、紫外线或无线电频率的辐射等。通过检测这些特征量，国外开发出各种新原理的中低压开关柜内部故障(中低压母线故障)保护系统，其中检测可见光认为的一种实际可行的方法。电弧光保护装置所覆盖的保护范围，是通过布置弧光传感器的物理位置来实现的，因此其覆盖范围是在开关柜内是不受限制的。但是国内中压柜，每半个月需巡检设备，在巡检设备过程中会使用电筒、手机等通过光源，很可能同时负载有变化或者电流突变，从而满足光强和过流双判据，引起误动作，而抗非电弧光干扰的电弧光保护装置采用紫外光和可见光光强、及紫外光和可见光比例情况2类数据进行分析，可以避免上述误动作的发生。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种抗非电弧光干扰的弧光保护装置，通过检测到弧光和过流时才发出跳闸指令，解决了在巡检设备过程中会使用电筒、手机等通过光源，很可能同时负载有变化或者电流突变，从而满足光强和过流双判据，引起误动作的问题，具有系统运行稳定可靠,排除了外界干扰的光源对弧光保护装置的影响，不会出现误动作现象,保护正确动作率100％。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种抗非电弧光干扰的弧光保护装置，该装置包括主控单元、电流模块、电源模块、弧光模块、输出模块、弧光传感器和通信模块组成，所述电流模块、电源模块、弧光模块、弧光传感器、通信模块组分别与主控单元连接，控制器根据紫外光和可见光比例不同，对干扰光源和弧光光源进行区分。所述主控单元通过检测故障电流和来自弧光传感器的弧光信号进行处理、判断，在满足跳闸条件时发出指令以切除故障。所述主控单元包括十路光信号输入口和六路光传输口，光信号输入口用来接收弧光传感器的信号，光传输口接收来自弧光单元、电流单元的信号或弧光传感器的信号。所述输出模块包括四个快速继电器跳闸出口和两个常规继电器跳闸出口，其中一个保留作为装置故障报警信号输出用。

该装置还包括两个以太网和一个CAN口，用来和其他主控单元配合满足复杂系统的特殊要求。所述电流模块用于检测A、B、C三相过电流信号，电流模块匹配1A、2A和5A的电流互感受器，过电流整定值在50％到500％间，当电流模块感受到过电流后向主控单元发送光信号。所述弧光模块具有十六个弧光检测接口用于连接弧光传感器，和主控单元的光输入口一样，所接弧光传感器的感光强度可以在0Klux到20Klux之间调节，感受到过弧光后向主控单元发送光信号。所述弧光传感器为用于母线保护的无源弧光传感器，弧光传感器安装在开关柜的母线室内探测弧光。该装置电弧光保护基于检测开关柜发生内部故障时发出的弧光为主，为防止误动作采用过流作为闭锁条件，控制器在同时检测到弧光和过流时才发出跳闸指令。

本发明有益效果是:(1)系统运行稳定可靠,排除了外界干扰的光源对弧光保护装置的影响，不会出现误动作现象,保护正确动作率100％，符合系统设计要求。主要干扰源有：(a)巡检时，现场人员打开手电筒、手机屏幕光、手机电筒等：(b)开关室日光灯或日光灯镇流器不稳定，引起闪烁，光强忽大忽小；(c)柜子密封不好，太阳光照射进来；(d)雷闪透过开关柜缝隙有光渗透进去。(2)系统原理简单明了,安装方便。(3)系统结构设计合理,实现了与原有保护系统的无缝连接,很好地保证了该系统的可靠性和实用性。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明的具体实施方式的弧光保护原理示意图。

图2是本发明的具体实施方式的单母不分段时弧光保护装置。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

抗非电弧光干扰的弧光保护装置的原理如图1所示，它的动作判据为故障时产生的条件：弧光纯紫外光可见光光强、成份、比例和电流增量。当同时检测到弧光和电流增量时系统发出跳闸指令，当仅检测到弧光或者电流增量时发出报警信号，而不会发出跳闸指令。

抗非电弧光干扰的弧光保护装置由主控单元、电流模块、电源模块、弧光单元、弧光传感器组成；

主控单元，主控单元负责管理和控制整个电弧光保护系统，它通过检测故障电流和来自弧光传感器的弧光信号，对它们进行处理、判断，在满足跳闸条件时发出指令以切除故障。主控单元有10路光信号输入口，光输入口用来接收弧光传感器的信号，另外还有6个光传输口，接收来自弧光单元或电流单元的信号，也可以当作光输入口来接收弧光传感器的信号。装置的输出有4个快速继电器跳闸出口和2个常规继电器跳闸出口，其中一个保留作为装置故障报警信号输出用。另外还有2个以太网和1个CAN口可以用来和其他主控单元配合满足复杂系统的特殊要求。

电流模块，通常一条母线进线应装设一个电流单元用于检测A、B、C三相过电流信号，它可以匹配1A、2A和5A的电流互感受器，过电流整定值可在50％到500％间由用户选择，当它感受到过电流后向主控单元发送光信号。

弧光单元，当主控单元自带的光输入口不够用时就要使用弧光单元，每个弧光单元具有16个弧光检测接口用于连接弧光传感器，和主控单元的光输入口一样，所接弧光传感器的感光强度可以在0Klux到20Klux之间调节，当它感受到过弧光后向主控单元发送光信号。

弧光传感器，专用于母线保护的无源弧光传感器安装在开关柜的母线室内，是探测弧光的感应元件。

通信模块，配置2个CAN口、2个485口、2个以太网口，用来和其他主控单元配合满足复杂系统的特殊要求。

产品操作过程，弧光保护系统也是由主单元系统和一系列辅助单元组成，基本配置的思路是如何选择主单元和辅助单元的数量和构成方式以满足下面的要求：满足最基本的继电保护四性，即快速性、灵敏性、选择性和可靠性；扩展性要求，考虑母线上增加设备时可以方便在原保护上增加少量的辅助设备而保护功能不会改变；灵活性要求，尽量满足一整套保护系统保护范围内设备各种运行方式的改变，能正确地选择切除母线上各部位的故障；选取最优化方案以满足经济性的要求。

弧光保护装置应采用合理逻辑实现分区域选择性跳闸，但在动作的过程中，需要考虑死区保护，如若变压器CT安装在断路器上方时，需要考虑CT与断路器之间发生故障时的死区保护，母联开关处于合位时，需要考虑故障发生在母联开关与母联开关CT之间时的死区保护。

110kV及以下配电柜或整流柜一次接线主要包括单母不分段、单母分段、三进线、单母分段，两台配合使用等四种情况，弧光保护装置的在单母不分段典型应用中的配置方案如图2所示。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种抗非电弧光干扰的弧光保护装置，其特征在于,该装置包括主控单元、电流模块、电源模块、弧光模块、输出模块、弧光传感器组和通信模块，所述电流模块、电源模块、弧光模块、弧光传感器和通信模块组分别与主控单元连接，控制器根据紫外光和可见光比例、紫外光光强2种不同判据，对干扰光源和弧光光源进行区分。

2.根据权利要求1所述抗非电弧光干扰的弧光保护装置，其特征在于,所述主控单元通过检测故障电流和来自弧光传感器的弧光信号进行处理、判断，在满足跳闸条件时发出指令以切除故障。

3.根据权利要求1所述抗非电弧光干扰的弧光保护装置，其特征在于,所述主控单元包括十路光信号输入口和六路光传输口，光信号输入口用来接收弧光传感器的信号，光传输口接收来自弧光单元、电流单元的信号或弧光传感器的信号。

4.根据权利要求1所述抗非电弧光干扰的弧光保护装置，其特征在于,所述输出模块包括四个快速继电器跳闸出口和两个常规继电器跳闸出口，其中一个常规继电器保留作为装置故障报警信号输出用。

5.根据权利要求1所述抗非电弧光干扰的弧光保护装置，其特征在于,该装置还包括两个以太网和一个CAN口，用来和其他主控单元配合满足复杂系统的特殊要求。

6.根据权利要求1所述抗非电弧光干扰的弧光保护装置，其特征在于,所述电流模块用于检测A、B、C三相过电流信号，电流模块匹配1A、2A和5A的电流互感受器，过电流整定值在50％到500％间，当电流模块感受到过电流后向主控单元发送光信号。

7.根据权利要求1所述抗非电弧光干扰的弧光保护装置，其特征在于,所述弧光模块具有十六个弧光检测接口用于连接弧光传感器，和主控单元的光输入口一样，所接弧光传感器的感光强度可以在0Klux到20Klux之间调节，感受到过弧光后向主控单元发送光信号。

8.根据权利要求1所述抗非电弧光干扰的弧光保护装置，其特征在于,所述弧光传感器为无源弧光传感器，弧光传感器安装在开关柜的母线室内探测弧光。

9.根据权利要求1所述抗非电弧光干扰的弧光保护装置，其特征在于,该装置电弧光保护在检测开关柜发生内部故障时，同时检测弧光和过流信号，根据检测结果决定是否发出跳闸指令。