矿用高压开关柜的弧光监测与保护系统

第41卷第1013年6月1日 电力系统保护与控制 0141 l 2013 矿用高压开关柜的弧光监测与保护系统 张杰 ，马宏伟 (1西安科技大学机械工程学院，陕西西安710054；2神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏银川750011) 摘要：煤矿工业现场特殊的生产环境对电气设备的安全运行提出了更高的要求，尤其是以故障电弧为主的电气故障蕴含着巨 大的安全隐患。传统的故障电弧监测和保护手段一般基于电流、电压、弧光等单一信号的提取和判断，虽然组合式监测方法 已被提出，但往往实现复杂，成本较高。提出电流和弧光过光敏三极管阵列的传感措施，结合专家系 统的评估方法，可以有效判断并定位高压开关柜中的故障电弧，及时切除故障，进而提高设备的工作寿命和安全可靠性，为 煤矿电力系统的安全稳定运行提供保障 关键词：开关柜；故障电弧；在线监测与保护；故障定位 of ，Iii10054，25001 1，he of to of is of of in he of on of as it is to is n a is aS y of of in be an be of be 图分类号：献标识码：A 文章编号： 1674013)11014105 0 引言 矿用隔爆型高压开关柜是煤矿供电系统中的关 键设备，起着控制和保护作用，它的安全可靠性关 系到整个供电系统的正常运行。在开关柜长期运行 过程中，由于电、热和化学作用，可能导致开关柜 的绝缘性能发生劣化，产生局部放电现象，进而发 展成为故障电弧。故障电弧的发生会辐射出巨大的 声、光、电、热等能量，虽然矿用开关柜已采用一 定的物理隔爆措施，但严重的故障电弧仍可能造成 开关柜毁坏，引发煤矿瓦斯爆炸，带来巨大的生命 和财产损失。据美国计，约有40的电气故障是由故障电弧引起的， 造成平均每年336人死亡，1 446人受伤，直接经济 损失644亿美元。德国科隆精密机械行业工伤事故 保险联合会编制的关于中低压配电设备事故最新统 计报告指出，近几年来中低压成套开关设备电气事 故中与电弧故障有关的超过5O 】。因此，如何及 时识别和定位开关柜中出现的故障电弧并在其出现 初期就提供预警信息，采取有效的控制和保护手段 具有很高的实用价值。 围绕如何有效地进行开关设备内部电弧故障监 测和保护这个问题，国内外相关学者进行了大量的 研究工作。国际上从2理特性、产生机理及探测方法，其目的就是通过 研究故障电弧的发生机理与特点，提取其发生时的 相关伴随信号，如电压、电流、弧光、弧声、电磁 能量、压力波等，结合复杂的算法来及时发现和切 断故障电弧，提高开关设备的工作可靠性2 。近年 来，国外已经研发出一些弧光监测与保护系统，典 电力系统保护与控制 型产品包括德国护系统，和芬兰些 系统是基于监测电弧故障时发出的弧光以及过流双 判据，以提供快速而安全的母线保护，为限制电弧 故障损坏提供了有效的解决方案【9】。但这些系统往 往比较复杂，实现起来难度较大，价格高昂，因而 限制了其的推广使用。 相对于国外在这一领域的研究，国内在电弧诊 断与保护方面仍处于起步实验研究阶段。西安交通 大学开发了基于光纤传感器和弧光信号监测单元的 弧光单判据监测系统，这是国内首次开发成功的开 关柜内部电弧在线监测和保护装置。此外国内也有 基于电弧光谱中紫外线来分析故障电弧的装置1以及基于电弧电磁能量【l 2弧监测保护装置，但上述一般均采用单判据监测 方法，可靠性仍有待论证，暂时还无法推广到工程 实践中去。因此在现有研究成果的基础上，针对矿 用开关柜的特殊要求，提出一套可靠性高，抗干扰 性强，动作快速，使用简便，成本低廉的故障电弧 监测和保护装置是非常有必要的。 基于此背景，本文提出了一种基于故障电流和 故障电弧弧光双判据的监测方法以实现故障电弧定 位监测和保护的双重功能，结构简单，具有较强的 稳定性和可靠性。 1系统总体方案 本系统由故障电流监测模块、弧光监测模块、 柜内温湿度监测模块以及中央控制单元构成。其中， 故障电流监测模块用于监测开关柜的进线侧电流； 故障电弧监测模块用于监测开关柜的弧光信号；温 湿度监测模块对开关柜母线室和电缆室温湿度实时 监测。中央控制单元搜集上述3个模块的监测信息， 运用专家系统进行综合判断，识别并定位故障电弧， 输出保护控制信号及故障信息数据。系统的结构框 图如图1所示。 后台1开关设备故障电弧监测系统框图 何通过搜集得到的电流、弧光和柜内温湿度 信号，准确预测并识别电弧故障，是系统研究的关 键点。故障电弧产生的时候，进线侧电流会瞬间变 大，因此，同时监测到弧光信号与电流瞬间增强， 可准确判断电弧故障的发生，避免单一监测可能带 来的误判。当同时检测到故障电流和弧光信号时， 发出跳闸指令；当仅检测到两者之一时，发出报警 信号。故障电弧保护原理如图2所示。另外，柜内 温湿度过大是造成电弧故障的一个重要因素，因此， 当柜内温湿度过大时，自动启动风扇实现降温除湿； 如果温湿度依然过高，启动报警。 图2故障电弧保护原理图 ic of 系统硬件设计 21故障电流监测模块 故障电流监测模块完成故障电流的采集和辨 识，为开关设备的动作提供依据。电流互感器对开 关设备每相进线上的电流进行监测，实时动态地输 出所监测到的电流信号，依次经过整流分压电路单 元、信号转换单元、电平判断单元、积分单元、输 出单元，产生开关设备的故障电弧信号，送入中央 控制模块进行分析和存储。 22故障电弧监测模块 故障电弧采集模块完成对弧光信号的调理和采 集功能，包含安装于开关设备母线室内用于采集弧 光信号的凸透镜，以及依次串联的弧光感测电路、 比较电路、锁存电路、多路选择开关。凸透镜按照 像距和物距的位置放置于开关设备母线室需要监测 的位置。本系统根据母线室和电缆室内的位置布局 和易于发生故障电弧的所在地，将8个不同焦距的 透镜分别安装在母线室和电缆室内，以全面监测可 能产生的电弧光信号。经过透镜后的电弧成像光路 如图3所示。 弧光感测元件为光敏三极管阵列，本设计中将 其组成88的阵列，将从凸透镜聚焦的光信号转换 为电信号。图4为利用虚拟仪器技术模拟的电弧成 像分布图。图中圆圈代表感光元件，阴影部分为故 障电弧的成像，根据凸透镜、弧光故障位置和光敏 三极管之间的位置关系即可换算出设备中发生电弧 张杰，等 矿用高压开关柜的弧光监测与保护系统 143 故障的位置，因而可以很好地反映电弧的发生、发 展过程，为后续的弧光故障分析提供很好的依据。 y 图3电弧成像光路图 4电弧成像示意图 of 图4所示，每个凸透镜后面有64个光敏三极 管阵列，而每个光敏三极管都对应着独自的信号处 理电路。如图5所示，先经过信号放大，再通过比 较电路与设定的基准电平比较，确定电弧成像有没 有到达后方相应的弧光感测电路光敏元件所在区 域，从而形成电弧图像信号；锁存电路锁存电弧图 像信号，并通过多路开关与中央控制单元进行数据 传输，而后送入监控后台进行模拟电弧成像处理。 本系统中8路弧光信号通过或门或多路选择器循环 采样，任何一路发生弧光即可产生故障信号。 凸 弧 光 硅材料光敏 放大 比较 锁存 多路 三极管 电路 电路 电路 开关 图5弧光监测电路的实施图 of 3温湿度监测模块 本系统采用温湿度传感器和电缆室的温湿度监测。字输出的集成温湿度传感器，能同时测量温度和 相对湿度，具有露点值计算输出功能。传感器中还 集成了14位的A定数据存储器和稳 压电路，输出数字信号可以直接送到微控制器，无 需外围元件，测量精度高，抗干扰性好。 24中央控制模块 中央控制模块完成对故障电流监测模块，故障 电弧采集模块和温湿度监测模块输入信号的分析， 准确判断故障电弧是否产生，并利用故障电弧图像 反向定位电弧发生位置。同时，通过与上位机通信，发出故障信息与动作指令(包括 启动风扇)。本设计中主控芯片，共采集3路进线电流信号，8路弧光 信号，2路温湿度信号。主控板的整体硬件结构如 图6所示。 图6中央控制单元硬件图 系统软件设计 中央控制模块完成的主要任务包括电流信号， 弧光信号，温湿度信号的采集分析并与监控后台的 程序流程图如图7所示。 系统启动后，首先进行初始化，然后运行主程 序。主程序是一个无限循环的采集、判断与通信过 程。通过对弧光、电流、柜内温湿度信号的采集并 与设定值简单比较，如果超过设定值即启动专家系 统进行智能化分析。如果发现异常，则根据异常情 况启动风扇、报警及跳闸。每一次监测与判断完成 后，都通过结果上传给后台本系统建立了故障电弧监测专家系统，用于对 监测信息进行智能化分析和处理，其原理框图如图 t V 电力系统保护与控制 8所示。电弧故障发生时，进线电流的突变与电弧 之间的相互关系可以通过仿真与实验来得到，这将 作为专家知识写到系统中。另外，设备使用过程中 的老化，比如传感器本身感测能力的下降，以及对 温湿度敏感程度的增加，在系统中都加以考察，从 而使故障判断阈值柔性化，更能准确的识别、定位 电弧故障并实现保护功能。 图7主程序流程图 用隔爆型高压开关柜 实验方法l 电流状态参数J 温湿度状态参数 知识获取 工 专家系统 图8故障电弧诊断与预测系统框架 统采用以保障信息按优先级别实 现主动上传，及时反映故障信息。发送与接收程序 流程图如图9所示。发送时，将待发送信息按特定 格式组合成一帧报文，送入发送缓冲区中，启动发 送位，即可发送报文。当监测到接收缓冲器中存在 有效报文后，接收子程序将缓冲器中的内容读入 成接收后检查总线状态及溢 出情况等并做相应处理。 (a)发送 (b)接收 图9报文收发流程图 of 结论 本文从目前矿用高压开关柜故障电弧监测和保 护的需求出发，分析比较了目前国内外常见的监测 手段， 提出了一种基于电弧弧光信号和电流信号的 双判据监测和保护方法，克服了单一故障电弧监测 方法易产生误判的不足之处。采用光敏三极管阵列 实现电弧故障的定位，并可以分析故障的发展趋势。 采用，可以及时有效地检测到故障电弧的产生并对其 进行定位，有助于提高开关设备的寿命和安全性， 具有较大的实用价值。 参考文献 1 蓝会立，张认成开关柜内部故障电弧探测法的研究 现状及趋势J高电压技术，2008，34(3)：496499 enon in 008，34(3)： 496499 2 王德志，张爱萍电弧光保护在应用实践中的改进J 电力系统保护与控制，2009，37(24)：230231 eof in 009，37(24)： 230231 3 万山景，王坚，张梓望电弧光保护系统配置方案探 讨J电力系统保护与控制，2009，37(16)：99张杰，等 矿用高压开关柜的弧光监测与保护系统 145 4 5 7 8 9 on 009，37(16)： 991 J， J】 9，o464，1999：4752 W L， E，et of 995， 31(6)：14021410 I， A，et of in 007， 14(2)：375383 of in 002(4)：921 S， S， Sof in 2000 000：730734 蔡彬，陈德桂，吴锐开关柜内部故障电弧的在线监 测和保护装置【J电工技术学报，2005，20(10)：8387 e U in 005， 20(10、：8387 1O张瑞祥，耿英三，宋政湘，等开关柜故障电弧监测与 预警方法的新进展J电气制造，2012(7)：3638 et ew of 012(7)：3611汪金刚，林伟，王志，等基于紫外检测的开关柜电弧 在线检测装置J电力系统保护与控制，2011，39(5)： 128133，152 inhi，et on 01