CN114200258A - 一种基于电信号的电弧起弧检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电信号的电弧起弧检测方法，属于电力系统继电保护技术领域。实时采集中压开关柜电信号，对采集到的电信号进行A/D转换、降噪处理。利用时间获取设备为采集到的电信号标定时刻。若在同一时刻，电压迅速下降，电流迅速上升，则判断该时刻为电弧起弧；对采集到的电弧在起弧阶段的零序电压信号与零序电流信号进行判断，若零序电压迅速下降，零序电流迅速上升且在暂态过程变化波动大，则判断该时刻为电弧起弧；对采集到的电压信号与零序电压信号梯度变化进行判断，若电压信号与零序电压信号梯度变化趋势相似，则判断该时刻为电弧起弧；校验电弧起弧信号，构造“或”逻辑作为电弧起弧判据，若符合逻辑，出口电弧起弧信号，否则复归。

Description

一种基于电信号的电弧起弧检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于电信号的电弧起弧检测方法，属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
随着城市配电网规模的扩大和电缆线路的普及，系统的容性电流增大，接地故障电弧不易熄灭，为城市配电网的安全稳定运行带来巨大挑战和压力。目前的保护装置主要针对短路故障，而接地故障发生概率远大于短路故障。国内配电网以中性点非有效接地方式为主，提高了供电可靠性，但是其接地故障电流检测困难，电弧故障不易发现，中压开关柜柜体内部环境复杂，柜内电弧更难检测。开关柜中的电弧起弧时，电弧发展很迅速，通常在10ns时间内，电弧电压从暂态击穿值显著下降，电流从“零休”状态快速上升，大约在1μs后，电弧电压和电流就已接近稳定状态。所以，在电弧起弧瞬间，其电压、电流暂态量特征很明显，方便检测，弧光保护装置应该在这个过程中动作。如果柜体已经开始燃烧，则故障就变得复杂多样，故障判别难度将大大增加。
针对这一问题，发明一种基于电信号电弧起弧检测方法。该方法原理是利用电弧起弧阶段产生的特定电弧电压信号、电弧电流信号、零序电压信号、零序电流信号作为判据，通过对比在起弧阶段通过对比电弧电压信号、电弧电流信号的变化趋势；电弧在起弧阶段的零序电压信号与零序电流信号变化趋势；电弧在起弧阶段的电弧电压信号与零序电压信号梯度变化趋势的相似性等作为判据，实现中压开关柜内电弧起弧阶段的精确检测，最大限度保护设备安全以及人身安全。该方法应用于新型弧光保护，在保证了速动性的同时，提高了可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于电信号电弧起弧检测方法，获取环网柜发生电弧故障初期起弧阶段的电气量，通过对起弧阶段电弧的不同电气量对比，根据判据可判断出是否为电弧故障，从而更加灵敏、快速地解决弧光故障，检测结果灵敏度高，可靠性高，有效减小财产损失，保护人身安全，从而解决目前直流线路发生高阻故障、远距离故障时无法快速、可靠、准确的动作的问题。
本发明的技术方案是：一种基于电信号的电弧起弧检测方法，具体步骤为：
Step1：实时采集中压开关柜的电信号。
Step2：对采集到的电信号进行A/D转换和降噪处理。
Step3：利用高精度时间获取设备为采集到的电信号标定时刻。
Step4：若在同一时刻，电压迅速下降，电流迅速上升，则判断该时刻为电弧起弧时刻。
Step5：对采集到的电弧在起弧阶段的零序电压信号与零序电流信号进行判断，若零序电压迅速下降，零序电流迅速上升且在暂态过程变化波动大，则判断该时刻为电弧起弧。
Step6：对采集到的电压信号与零序电压信号梯度变化进行判断，若电压信号与零序电压信号梯度变化趋势相似，则判断该时刻为电弧起弧。
Step7：校验电弧起弧信号，构造“或”逻辑作为电弧起弧判据，若符合逻辑，出口电弧起弧信号，否则复归。
进一步的，所述Step1中，通过录波装置对开关柜的电弧进行电信号的实时采集，采集的电信号包括电压，电流，零序电压，零序电流。并通过录波装置存储处理电弧各阶段的电流电压数据。连接试验测量回路、电压互感器(PT)、电流互感器(CT)测量端连接故障电弧接地线，输出端分别连接录波器UA1、IA2模拟通道。
进一步的，所述Step2中，在采集电信号时，录波装置的采样率设置为100K。所采集到的电信号不能直接进行分析，还需要对采集到的电信号进行A/D转换、降噪处理。
进一步的，所述Step3中，高精度时间获取设备包括GPS/北斗等能获取符合时间校验条件的其他时间获取设备。使用高精度时间获取设备为采集到的电压信号，电流信号，零序电压信号，零序电流信号标定时刻。
进一步的，所述Step4中，电压下降、电流上升以采集到的连续时间序列的电压、电流的差分来体现，差分包括：前差、后差、中心差。
进一步的，所述Step5中，零序电流暂态过程波动以电流变化梯度表征。
进一步的，所述Step7中，“或”逻辑表示满足Step4-Step6至少任一个，即可判定为电弧起弧。
本发明的有益效果是：
1、本发明使用电弧起弧阶段的电信号作为判断依据，与传统电弧故障的判据相比，该发明的保护速度更快；本发明将电弧起弧阶段产生的特定电弧电压信号、电弧电流信号、零序电压信号、零序电流信号作为判据，通过三种判别方法同时进行，大大提高了该发明的速动性。
2、本发明仅使用内部电弧故障信号的弧光电信号作为判据，该装置结构简单，成本较低，实用性强，可靠性能得到充分保证，复杂性降低。不易受光信号的影响而产生误动、误判，大大提高了准确性与实用性。
3、相比于其他保护方法，该发明关注于柜体内部电弧故障的物理原理，通过对电弧起弧阶段电信号的特征段进行分析，对电弧故障精准判别，避免了瞬时故障引起频繁动作，提高了电弧故障确认能力及故障保护装置的速动性，进而提高了电力系统的可靠程度；相比于其他保护方法，本发明可配置于各种情景下的中压环网开关柜。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在没有实施创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中故障电弧PSCAD仿真电路图；
图2是本发明实施例中所使用的故障电弧试验台实物图；
图3是本发明实施例中所使用高速相机拍到的起弧瞬间照片；
图4是本发明实施例中起弧及实验装置原理图；
图5是本发明实施例中所做试验使用的电弧试验环境调节装置原理图；
图6是本发明Step 2中电弧起弧阶段电压突变波形；
图7是本发明Step 2中电弧起弧阶段电弧电压突变及衰变波形；
图8是本发明Step 2中电弧起弧阶段电弧电流突变及衰变波形；
图9是本发明Step 4中电弧起弧阶段电弧零序电压突变波形；
图10是本发明Step 4中电弧起弧阶段电弧零序电流突变波形；
图11是本发明所实施流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明先在PSCAD/EMTDC搭建电压等级为800kV，线路长度为1500km直流输电线路模型，在模型中设置不同的采样频率下的正常运行和非正常运行，非正常运行包括单极故障、高阻故障、远距离故障等多种情况。
实施例1：在中性点不接地情况下系统中，在试验线路首端分别设置电弧故障，采集电弧故障起弧时电晕、起弧阶段的电信号。改变电弧间隙为2CM，采集在不同空气湿度等条件下的电弧故障电信号。在试验室条件下建立10kV配电网电弧故障等效电路模型，通过高压击穿电弧间隙，通过录波装置采集电弧实时波形并传递到电脑，并存储处理电弧各阶段电流电压数据。
具体实施步骤如下：
Step1：如图1所示，先设计好整个电路原理图与故障电弧PSCAD仿真电路图。如图2所示，搭建好故障电弧试验台。如图3所示，在电弧发生装置中，采用棒-棒结构，两个电极的间隙为2CM。在一次的高压设备中使用了可调节电压源、试验电感、可调电阻；在二次侧主要是低压的数据采集示波器。逐渐增大电弧发生装置中的电压，调节到起弧阶段，如图4所示。
Step 2：如图5所示，采用高压探头测量电弧高压电压，采用电流互感器采集低压侧的电流，通过录波器对电流电压数据进行存储处理，该录波器可以长时间的对电信号采集。
Step 3：对录波器进行基本参数设置，设置在工频50Hz下的连续录波，采样率为409.6kHz，预录时间设为0s，录波时长设为15s，采集模拟通道选择UA1、IA2，量程分别选择DC50V(AC35V)、1H，UA1通道变比选择1000、IA2通道变比选择1，采样点数选择每周波64个点，选择开出1通道，开出1设置延迟为20s。
Step 4：加压过程中，点击录波器开始按钮采集电压、电流信号，当电压升至电压参考值时点击触发按钮记录电压、电流数据，并加压至电弧放电，看到明显起弧后持续故障电弧2s后开始降压至熄弧。点击录波器开始按钮记录数据，试验完毕后保存录波器文件，为保证试验可靠性和数据完整性，此试验共做3次测得实验结果如图5、图6、图7所示。
Step5：对所得数据进行分析，如图7所示，电弧起弧瞬间电压发生突变。如图7、图8所示，电弧起弧瞬间，由于棒-棒之间电弧将空气击穿，因此电弧电压发生突变，电弧电压值急剧下降，由于刚在起弧阶段，属于暂态过程，起弧阶段十分短暂且不稳定，因此电弧电压下降且波动，后续将稳定在零值左右。同理，根据图8，由于电弧起弧，之间形成不稳定的电弧，电弧电流由零开始急剧变化，由于电弧在暂态过程的不稳定性，所以电弧电流急剧变化且不稳定，在后续过程中方可以正弦波存在。
由电弧电流与电弧电压的大小变化分析可知，根据电信号的突变情况在中压开关柜起弧阶段可以作为起弧检测的判据，由于过程短暂且变化量大，因此作为判据十分可靠且迅速，保证了良好的可靠性、速动性。
实施例2：在中性点直接接地情况下系统中，在试验线路中间设置电弧故障，采集电弧故障起弧时电晕、起弧阶段的光信号。改变电弧间隙为3CM，采集在不同空气湿度等条件下的电弧故障电信号。在试验室条件下建立35kV配电网电弧故障等效电路模型，通过高压击穿电弧间隙，通过录波装置采集电弧实时波形并传递到电脑，并存储处理电弧各阶段电流电压数据。
具体实施步骤如下：
Step1：如图1所示，先设计好整个电路原理图与故障电弧PSCAD仿真电路图。如图2所示，搭建好故障电弧试验台。如图3所示，在电弧发生装置中，采用棒-棒结构，两个电极的间隙为5CM。如图4所示。根据试验原理图，先连接故障电弧主回路并安全接地，调整好故障电弧间隙，然后接通电源，检验主回路试验接线正确性。逐渐增大电弧发生装置中的电压，调节到起弧阶段。
Step 2：如图5所示，采用高压探头测量电弧高压电压，采用电流互感器采集低压侧的电流。电压互感器(PT)、电流互感器(CT)测量端连接故障电弧接地线，输出端分别连接录波器UA1、IA2模拟通道，接通录波器电源，用屏蔽网线连接录波器与笔记本电脑，调节至联机正常，通过录波器对电流电压数据进行存储处理，并长时间对电信号进行采集存储。
Step 3：对录波器进行基本参数设置，设置在工频50Hz下的连续录波，采样率为409.6kHz，预录时间设为0s，录波时长设为15s，采集模拟通道选择UA1、IA2，量程分别选择DC50V(AC35V)、1H，UA1通道变比选择1000、IA2通道变比选择1，采样点数选择每周波64个点，选择开出1通道，开出1设置延迟为20s。
Step 4：加压过程中，点击录波器开始按钮采集电压、电流信号，当电压升至电压参考值时点击触发按钮记录电压、电流数据，并加压至电弧放电，看到明显起弧后持续故障电弧2s后开始降压至熄弧。将所有设备接通电源，在主回路不加压条件下检查测量回路能否正常采集信号，测试录波器正常测量后，点击录波器开始按钮记录数据，试验完毕后保存录波器文件。
Step5：对所得数据进行分析，如图9、图10所示，电弧起弧瞬间，由于棒-棒之间电弧将空气击穿，因此电弧电压发生突变，电弧起弧瞬间为暂态过程，通过录波装置可以检测到起弧时独有的电气量，如零序电流、零序电压。如图9、图10所示，在起弧瞬间零序电流、零序电压由零突变为不为零的一定值。但由于暂态过程十分不稳定且变化巨大，因此在短时间内发生巨大波动，等到起弧阶段过渡之后，零序电压、零序电流变为稳定波形。由于暂态电气量为起弧瞬间独有的电气量，因此通过零序电流、零序电压作为起弧判据，大大提高了判断精度。由于暂态过程发生在故障初级阶段，动作迅速，因此大大提高了故障判断的灵敏性，将故障切除在初始阶段，大大减小了财产损失与人员伤亡。
由电弧电流与电弧电压的大小变化分析可知，根据电信号的突变情况在中压开关柜起弧阶段可以作为起弧检测的判据，由于过程短暂且变化量大，因此作为判据十分可靠且迅速，保证了良好的可靠性、速动性。
本发明利用电弧起弧阶段产生的电弧电压、电弧电流、零序电压、零序电流等起弧瞬间特殊的电气信号作为判据，结合独特判据方法，对电弧起弧进行精准判据，保护判据简单且可靠，操作方便，检测准确，能有效保证电力系统设备的安全运行，实用性强，适用于各电压等级的环网开关柜。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于电信号的电弧起弧检测方法，其特征在于：
Step1：实时采集中压开关柜的电信号；
Step2：对采集到的电信号进行A/D转换和降噪处理；
Step3：利用高精度时间获取设备为采集到的电信号标定时刻；
Step4：若在同一时刻，电压迅速下降，电流迅速上升，则判断该时刻为电弧起弧时刻；
Step5：对采集到的电弧在起弧阶段的零序电压信号与零序电流信号进行判断，若零序电压迅速下降，零序电流迅速上升且在暂态过程变化波动大，则判断该时刻为电弧起弧；
Step6：对采集到的电压信号与零序电压信号梯度变化进行判断，若电压信号与零序电压信号梯度变化趋势相似，则判断该时刻为电弧起弧；
Step7：校验电弧起弧信号，构造“或”逻辑作为电弧起弧判据，若符合逻辑，出口电弧起弧信号，否则复归。
2.根据权利要求1所述的基于电信号的电弧起弧检测方法，其特征在于：所述Step1中，通过录波装置对开关柜的电弧进行电信号的采集，以及存储处理电弧各阶段的电流电压数据。
3.根据权利要求1所述的基于电信号的电弧起弧检测方法，其特征在于：所述Step1中，采集的电信号包括电压，电流，零序电压，零序电流。
4.根据权利要求1所述的基于电信号的电弧起弧检测方法，其特征在于：所述Step3中，高精度时间获取设备为能获取符合时间校验条件的时间获取设备。
5.根据权利要求1所述的基于电信号的电弧起弧检测方法，其特征在于：所述Step4中，电压下降、电流上升以采集到的连续时间序列的电压、电流的差分来体现，所述差分包括前差、后差、中心差。
6.根据权利要求1所述的基于电信号的电弧起弧检测方法，其特征在于：所述Step5中，零序电流暂态过程波动以电流变化梯度表征。
7.根据权利要求1所述的基于电信号的电弧起弧检测方法，其特征在于：所述Step7中，“或”逻辑表示满足Step4-Step6至少任一个，即可判定为电弧起弧。
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