CN108963957A - 中低压开关柜弧光传感器自检方法及弧光保护设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中低压开关柜弧光传感器自检方法及弧光保护设备，自检方法的实施步骤包括向弧光传感器照射指定强度和频率的自检光，如果感应光信号获取成功则提取感应光信号的频率，判断感应光信号、自检光的频率是否一致，一致则判定弧光传感器正常运行、否则判定弧光传感器受到外部干扰光源的影响；如果感应光信号获取失败则判定弧光传感器或自检光的光源故障；弧光保护设备包括自检光发光单元、弧光传感器、执行机构、信号采集模块、信号转换模块和主控单元。本发明基于感应光信号完成对弧光传感器故障或者自检光的光源故障、弧光传感器正常运行以及是否受到外部干扰光源的影响的判断，从而快速地发现上述故障，提高弧光保护的可靠性。

Description

中低压开关柜弧光传感器自检方法及弧光保护设备

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，具体涉及一种中低压开关柜弧光传感器自检方法及弧光保护设备。

背景技术

如今，中低压开关柜母线保护主要依赖变压器后备过电流保护来切除母线短路故障，这种方法会导致故障切除时间过长，加大设备的损伤程度。中低压开关柜母线发生弧光短路故障时，弧光保护系统可以在电弧光燃烧危害扩大前切除故障，确保操作人员安全，将故障损失降至最低。电力系统弧光保护具备费用低廉、准确度高、使用范围灵活、可快速组网等优点，将电力系统弧光保护引入到中低压开关柜中是很有必要的。电力系统弧光保护的基本原理是基于弧光和电流双判据判断母线弧光短路故障使断路器跳闸以保护母线。

广泛应用于弧光保护系统的弧光传感器由弧光探头和专用光纤组成，弧光传感器存在的问题，一方面引起弧光探头故障的外界因素很多，如表面锈斑，污染等环境造成。使得弧光保护不能够及时准确可靠的探测到弧光，是造成弧光保护可靠性降低的主要原因。另一方面由于外部原因引起输入光量的变化，也有因光轴偏移，外界杂散光等的影响，其日常维护检修过程中，容易受到诸如手电筒、日光灯等弱光的影响，使得弧光保护设备不能够准确可靠的探测到弧光，有可能发生误动作。

目前大量研究是对弧光传感器内部电路的故障的自检。缺乏专业的工具对弧光传感器的探头进行检测，参照其它保护装置的检验方法无法判断弧光传感器探头运行是否正常。弧光保护传感器的探头能够实现实时自检，使传感器始终保持着稳定的工作状态，这样才能够保证传感器的故障尚未发生时，就能及时预报，对某些传感器要进行检修或更换，并且防止如手电筒、日光灯等弱光的影响导致保护系统误动，提醒操作人员注意。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种中低压开关柜弧光传感器自检方法及弧光保护设备，本发明基于感应光信号完成对弧光传感器的弧光探头或专用光纤损坏或者自检光的光源故障、弧光传感器正常运行以及是否受到外部干扰光源的影响的判断，从而快速地发现上述故障，提高弧光保护的可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种中低压开关柜的弧光传感器自检方法，实施步骤包括：

1）向被检测的弧光传感器的弧光探头照射指定强度和频率的自检光，所述自检光的强度小于短路弧光的强度使得自检光不会触发弧光保护设备动作，尝试获取弧光传感器输出的感应光信号；

2）判断弧光传感器输出的感应光信号是否获取成功，如果获取成功则跳转执行步骤3）；否则，判定弧光传感器的弧光探头或专用光纤损坏或者自检光的光源故障并退出；

3）提取感应光信号的频率，判断感应光信号的频率、自检光的频率是否一致，如果一致则判定弧光传感器正常运行并退出；否则判定弧光传感器受到外部干扰光源的影响。

本发明提供一种弧光保护设备，包括弧光传感器、执行机构、信号采集模块、信号转换模块和主控单元，所述弧光传感器的输出端依次通过信号采集模块、信号转换模块和主控单元相连，所述执行机构的控制端与主控单元相连，所述弧光保护设备还包括自检光发光单元，所述自检光发光单元与弧光传感器的弧光探头通过专用光纤连接。

优选地，所述自检光发光单元包括依次相连的时基电路、脉冲宽度调制电路、驱动电路和LED灯，所述LED灯与被检测的弧光传感器的弧光探头通过专用光纤连接。

优选地，所述时基电路由555定时器及其外围电路构成。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明通过向被检测的弧光传感器照射自检光，自检光的强度小于短路弧光的强度使得自检光不会触发弧光保护设备动作，尝试获取弧光传感器输出的感应光信号，并基于感应光信号完成对弧光传感器的弧光探头或专用光纤损坏或者自检光的光源故障、弧光传感器正常运行以及是否受到外部干扰光源的影响的判断，从而快速地发现上述故障，提高弧光保护的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例装置的结构示意图。

图3为LED灯的发光强度与正向电流的关系示意图。

图4为PWM调光原理示意图。

图5为本发明实施例中时基电路（占空比可调的多谐振荡器）的电路原理示意图。

图6为本发明实施例中驱动电路的电路原理示意图。

图例说明：1、自检光发光单元；11、时基电路；12、脉冲宽度调制电路；13、驱动电路；14、LED灯；2、信号采集模块；3、信号转换模块；4、主控单元。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供一种中低压开关柜的弧光传感器自检方法，实施步骤包括：

1）向被检测的弧光传感器的弧光探头照射指定强度和频率的自检光，自检光的强度小于短路弧光的强度使得自检光不会触发弧光保护设备动作，尝试获取弧光传感器输出的感应光信号；

2）判断弧光传感器输出的感应光信号是否获取成功，如果获取成功则跳转执行步骤3）；否则，判定弧光传感器的弧光探头或专用光纤损坏或者自检光的光源故障并退出；

3）提取感应光信号的频率，判断感应光信号的频率、自检光的频率是否一致，如果一致则判定弧光传感器正常运行并退出；否则判定弧光传感器受到外部干扰光源的影响。

自检光的强度小于短路弧光的强度使得自检光不会触发弧光保护设备动作，且还需要考虑外界诸如手电筒、日光灯、杂散光等因素的影响。

如图2所示，本实施例的弧光保护设备包括弧光传感器、执行机构、信号采集模块2、信号转换模块3和主控单元4，弧光传感器的输出端依次通过信号采集模块2、信号转换模块3和主控单元4相连，执行机构的控制端与主控单元4相连，弧光保护设备还包括自检光发光单元1，自检光发光单元1与弧光传感器的弧光探头通过专用光纤连接。未发生弧光故障时，弧光传感器的光敏元件只感受到自检灯光；发生弧光故障时，弧光传感器的光敏元件接收电弧光和自检光。信号采集模块2把信号值放大后存储起来，以供信号转换模块3将探测到光信号转换成电信号，并将电信号传送给主控单元4。主控单元4对此信号作出判断，若信号频率与自检灯光一致，则说明弧光传感器的光敏元件正常运行。若主控单元接收到的信号频率不同于自检光所发出，则可判断为如手电筒、日光灯等弱光的影响。若主控单元4收不到电信号，则可判断为弧光传感器元件损坏，导致光敏元件长时间接收不到光源，或自检光发光单元1（自检光的光源）内部电路断线故障引起，此时操作人员应及时检修，或更换故障元件。当弧光故障发生时，电弧光的强度明显高于自检光，主控单元4此时对信号做出判断，即发生了短路弧光，弧光保护立即动作。

如图2所示，自检光发光单元1包括依次相连的时基电路11、脉冲宽度调制电路12、驱动电路13以及和LED灯14，LED灯14与被检测的弧光传感器的弧光探头通过专用光纤连接。LED器件在极限工作电流范围内发光强度随正向电流的增加而增加，但不同半导体材料制成的LED器件，其发光强度与正向电流的变化关系有所不同。从总体上看，发光强度都是随着正向电流I_f的增加而增加的。LED灯14的发光强度与正向电流的关系如图3所示。当LED灯14的正向电流I _d＜17mA时，其发光强度与它的正向电流I _d几乎可近似为线性关系但当正向电流I _d﹥20mA时，LED灯14的亮度的增强肉眼已无法分辨，因此，LED灯14的工作电流一般选择在15mA左右，此时LED灯14的电光转换效率较高，且光衰电流合理。综上所述，要实现对LED灯14的亮度调节最简单的方法就是调节其正向电流I _d的大小。目前广泛使用的LED调光技术都是基于PWM方式来调节LED灯14的亮度的。PWM调光通过调整亮和暗的时间比例实现调整亮度，这种方法通过把可调占空比和固定频率的数字信号加到调整亮和暗时间比例的引脚即可实现调光。PWM原理是以一固定直流电压经过以一定频率打开与闭合的开关K，从而控制改变LED灯14上的电压。设当LED灯14接通时的最大电流为I _max。开关开闭周期为T，每次闭合时间为t，则当占空比为q=t _on /T时，LED灯14的平均电流为： I _d=I _max q。由上式可知，当T不变(即开关的开关频率同定)时，只要改变导通时间t _on ，就可以改变LED灯14两端的平均电流，从而改变LED灯14的亮度。参见图4，当占空比分别为0.6/0.4/0.2/0.1时，最大电流I _max的持续时间分别占据开关开闭周期T的0.6/0.4/0.2/0.1，使得LED灯14的平均电流I _d同样分别为最大电流I _max的0.6/0.4/0.2/0.1。

本实施例中，时基电路11由555定时器及其外围电路构成。555定时器通过脉冲宽度调制电路12发出频率已知的方波信号，能够实现对LED灯14的亮度进行调节，交替点亮LED灯14。555定时器又称为时基电路，由于它的内部使用了三个5K的电阻，故取名555。如图5所示，555定时器（NE555）及其外围电路构成占空比可调的多谐振荡器，555定时器高电平保持时间记为t _on，则t _on=(R1+R2)Cln2，电容放电期间Uo输出低电平，其低电平保持时间记为t_off=R2Cln2，OUT端输出的方波周期T=t_on+t_off=(R1+2R2)Cln2，占空比为q=(R1+R2)/(R1+2R2)。利用555时基电路设计一个如图6所示驱动电路13实现对LED灯的亮度进行调节。占空比q在0.25~0.75可调，一个周期T内对应LED灯14的平均Id在5~15mA之间， PWM的周期T应足够小，以保证人眼不会觉察到LED灯14有明显的闪烁感。当PWM波输出高电平时，三极管VT导通，从而使VQ的栅极电压低于源极电压，MOSFET的源极和漏极导通，LED灯14点亮;当PWM波输出低电平时，VT截止，LED灯14熄灭。

本实施例弧光保护设备工作过程如下：555定时器通过脉冲宽度调制电路12控制发出频率已知的方波信号，能够实现对LED灯14的亮度进行调节，交替点亮Led灯14。未发生弧光故障时，弧光传感器只感受到自检灯光；发生弧光故障时，弧光传感器接收电弧光和自检光。信号采集模块2把信号值放大后存储起来，以供信号转换模块3将探测到光信号转换成电信号，并将电信号传送给主控单元4。主控单元4对此信号作出判断，若信号频率与自检灯光一致，则说明弧光传感器探头正常运行。若主控单元4接收到的信号频率不同于自检光所发出，则可判断为如手电筒、日光灯等弱光的影响。若主控单元4收不到电信号，则可判断为弧光传感器的弧光探头或专用光纤损坏，导致光敏元件长时间接收不到光源，或自检光发光单元1内部电路断线故障引起，此时操作人员应及时检修，或更换故障元件。主控单元4与执行机构的控制端相连以作为弧光保护设备的主控设备，因此主控单元4对所采集到的信号分析，会有以下四种情况出现：（1）频率与自检光发出的一致，说明弧光传感器正常运行；（2）接收到的信号频率不同于自检光所发出，则可判断为如手电筒、日光灯等弱光的影响；（3）若主控单元都收不到电信号，则可判断为弧光传感器的弧光探头或专用光纤损坏，导致光敏元件长时间接收不到光源，或自检光发光单元1内部电路断线故障引起，此时操作人员应及时检修，或更换故障元件；（4）当弧光故障发生时，电弧光的强度明显高于自检光，控制单元此时对信号做出判断，即发生了短路弧光，弧光保护设备立即动作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种中低压开关柜的弧光传感器自检方法，其特征在于实施步骤包括：

1）向被检测的弧光传感器的弧光探头照射指定强度和频率的自检光，所述自检光的强度小于短路弧光的强度使得自检光不会触发弧光保护设备动作，尝试获取弧光传感器输出的感应光信号；

2）判断弧光传感器输出的感应光信号是否获取成功，如果获取成功则跳转执行步骤3）；否则，判定弧光传感器的弧光探头或专用光纤损坏或者自检光的光源故障并退出；

3）提取感应光信号的频率，判断感应光信号的频率、自检光的频率是否一致，如果一致则判定弧光传感器正常运行并退出；否则判定弧光传感器受到外部干扰光源的影响。

2.一种弧光保护设备，包括弧光传感器、执行机构、信号采集模块（2）、信号转换模块（3）和主控单元（4），所述弧光传感器的输出端依次通过信号采集模块（2）、信号转换模块（3）和主控单元（4）相连，所述执行机构的控制端与主控单元（4）相连，其特征在于：所述弧光保护设备还包括自检光发光单元（1），所述自检光发光单元（1）与弧光传感器的弧光探头通过专用光纤连接。

3.根据权利要求2所述的弧光保护设备，其特征在于，所述自检光发光单元（1）包括依次相连的时基电路（11）、脉冲宽度调制电路（12）、驱动电路（13）和LED灯（14），所述LED灯（14）与被检测的弧光传感器的弧光探头通过专用光纤连接。

4.根据权利要求3所述的弧光保护设备，其特征在于，所述时基电路（11）由555定时器及其外围电路构成。