開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧檢測與預(yù)警方法綜述

開關(guān)柜內(nèi)部故障電弧檢測與預(yù)警方法綜述

開關(guān)箱是一種廣泛使用的設(shè)備，其內(nèi)部故障電流一旦發(fā)生，將帶來災(zāi)難的結(jié)果。近幾年出現(xiàn)的幾種新的故障電弧檢測與預(yù)警方法,擺脫了傳統(tǒng)檢測方法中以電壓、電流為研究對象的局限性,極大地提高了檢測效率。開關(guān)柜是一種廣泛使用的電氣設(shè)備。在長期運(yùn)行的過程中,由于電的、熱的和化學(xué)的作用會導(dǎo)致絕緣劣化,進(jìn)而產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。這種局部放電如果任之發(fā)展很可能會形成故障電弧,給系統(tǒng)帶來災(zāi)難性的后果,因此如何及時有效地檢測出開關(guān)柜中的故障電弧或在電弧發(fā)生前就能提供預(yù)警信息具有很高的實(shí)際應(yīng)用價值。ICE298標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定故障電弧的切除時間必須小于100ms。按照我國現(xiàn)行的繼電保護(hù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),在低壓母線系統(tǒng)中一般不配置專用的快速母線保護(hù),而是依賴變壓器的后備過電流保護(hù)來切除母線短路故障。這些保護(hù)方案的動作切除時間都在300ms到1.4s之間,無法達(dá)到快速保護(hù)母線的目的,客觀上延長了設(shè)備的受損程度。20世紀(jì)90年代開始許多學(xué)者對電弧故障的物理特性、產(chǎn)生機(jī)理及探測方法進(jìn)行深入細(xì)致的研究。近年來,隨著非電量檢測技術(shù)和信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展,人們注意到開關(guān)柜中出現(xiàn)故障電弧時除了電流、電壓的變化外還伴生一系列聲、光、化學(xué)和熱效應(yīng),根據(jù)這些現(xiàn)象發(fā)展出多種新故障電弧檢測方法。這些方法擺脫了傳統(tǒng)檢測方法中以電壓、電流為研究對象的局限性,極大地提高了檢測效率。1對故障電流的檢測和報警方法1.1vamp系統(tǒng)的原理當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生電弧時,會產(chǎn)生強(qiáng)烈弧光,這一現(xiàn)象成為弧光法進(jìn)行故障電弧檢測的依據(jù)。近年來,國外已經(jīng)研發(fā)出一系列弧光檢測與保護(hù)系統(tǒng),包括德國Moeller公司的ARCON故障電弧保護(hù)系統(tǒng)、ABB公司的ARCGuardSystem保護(hù)系統(tǒng)和芬蘭Vaasa公司的VAMP保護(hù)系統(tǒng)等。國內(nèi)開展這方面研究的有西安交大蔡彬開發(fā)的弧光保護(hù)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)均采用弧光、電流雙判據(jù),通過檢測弧光和電流兩種信號,并經(jīng)過比較、判斷環(huán)節(jié)在電弧故障發(fā)生時發(fā)出切斷電路的指令。圖1中所示為VAMP系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)的主單元中包括電流檢測、弧光檢測和短路失靈保護(hù)三部分,它通過檢測短路電流和來自弧光傳感器的動作信號,并對收到的信息進(jìn)行處理、判斷,在滿足跳閘條件時發(fā)出跳閘指令切出故障。當(dāng)進(jìn)線斷路器不能切除故障時,它將啟動斷路器失靈保護(hù),發(fā)出跳閘指令命令上一級斷路器跳閘來切除故障。此外主單元還能根據(jù)輔助單元傳感器傳送來的弧光傳感器動作信息來提供故障開關(guān)柜的定位信息。電流輔助單元安裝在進(jìn)線柜上,為主單元提供短路電流的檢測功能;弧光輔助單元安裝在某個開關(guān)柜中,當(dāng)發(fā)生電弧故障時輔助單元接收到弧光傳感器的信息;短路電流信息和弧光傳感器信息均傳遞給主單元。這套系統(tǒng)原理簡單,動作迅速可靠,配置靈活方便,整套母線的保護(hù)動作時間可達(dá)5~7ms,并且能顯示故障開關(guān)柜的位置信息。1.2紫外線法檢測弧光原理利用紫外線檢測是一種新的開關(guān)柜電弧弧光檢測方法。在氣體放電過程中會伴隨有紫外線向外輻射。在電力系統(tǒng)中,當(dāng)故障電弧產(chǎn)生時,在電弧放電的光譜中,紫外區(qū)的輻射強(qiáng)度較高,可以通過檢測“日盲”區(qū)紫外光來檢測電弧放電信息,因此紫外線檢測法可以歸納為弧光檢測法的一種。這種方法采用工作在特定波長的紫外線傳感器去除可見光源的干擾,不僅能準(zhǔn)確快速地發(fā)現(xiàn)故障電弧而且可以對電弧的放電強(qiáng)度進(jìn)行評估。圖2所示為紫外線法檢測弧光原理的原理圖。系統(tǒng)的傳感器部分是光電倍增管,一種能把微弱入射光轉(zhuǎn)換成光電子并獲得倍增效應(yīng)的真空光電發(fā)射器件。為了防止傳感器接收到的紫外信號受到日光或其他光源因素的影響,將光電倍增管放置于暗室中,并在其前端加裝紫外濾光片以濾除干擾。信號處理電路包括對電信號的放大、調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換。軟件部分對測量得到的信號進(jìn)行積分運(yùn)算得到信號平均功率,按照平均功率值是否超出設(shè)定的閾值來判定電弧發(fā)生與否。由于電弧發(fā)出的紫外線遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其余光源的紫外線能量,并且通過濾光片剔除了其他光源干擾,因此系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確度高并且可以依據(jù)信號功率值來定量評估放電規(guī)模的大小。1.3數(shù)據(jù)分析方法大量研究表明,弧聲是故障電弧放電過程伴生的一種物理現(xiàn)象,并且早在故障電弧產(chǎn)生前就已經(jīng)出現(xiàn)。在電弧弧聲產(chǎn)生階段及時判斷電弧故障,是一種有效的早期預(yù)警探測方法。華僑大學(xué)楊建紅、張認(rèn)成等從電弧弧聲檢測入手開展檢測研究取得較好效果。首先利用光纖聲音傳感器以保證在強(qiáng)電磁干擾下可靠地提取弧聲信號。研究重點(diǎn)的是利用各種數(shù)據(jù)處理方法來提取信號中的弧聲特征分量。電弧預(yù)警系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。系統(tǒng)中弧聲檢測器中所用到的檢測方法包括:(1)Duffing振子識別弧聲信號利用Duffing振子對特定頻率的微弱信號敏感的特點(diǎn),設(shè)計了一個混沌臨界系統(tǒng)。將待檢聲波輸入系統(tǒng),如果聲波中混有電弧聲,系統(tǒng)就迅速從臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變到間歇混沌,反之,系統(tǒng)保持臨界狀態(tài)。以系統(tǒng)狀態(tài)是否發(fā)生轉(zhuǎn)變與否作為檢測弧聲存在的判據(jù)。(2)關(guān)聯(lián)維數(shù)識別弧聲信號將故障電弧弧聲的產(chǎn)生分為兩個階段:第l階段為有弧聲產(chǎn)生,沒有燃弧現(xiàn)象;第2階段有弧聲產(chǎn)生,同時有燃弧現(xiàn)象。通過G-P算法分別計算了背景噪聲、第1階段弧聲及第2階段弧聲的關(guān)聯(lián)維數(shù),2個階段聲音信號的關(guān)聯(lián)維數(shù)分別處在不同的維數(shù)段,通過大量的試驗(yàn)來修正關(guān)聯(lián)維數(shù)的閾值以有效地探測早期電弧故障。(3)高階譜估計識別弧聲信號由于故障發(fā)生時電弧的弧聲會在開關(guān)柜內(nèi)部來回反射和折射,功率譜等一般的信號分析方法無法準(zhǔn)確提取電弧形成之前的放電聲響特征。但是高階譜不僅提取信息量多且能抑制高斯噪聲。開關(guān)柜周圍背景噪聲的高頻成分分布同弧聲放電聲響的高頻率成分分布有明顯的區(qū)別。采用高階譜分析法分別提取背景噪聲和放電聲響的高頻率成分,并以此作為B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矢量以準(zhǔn)確識別出放電聲響。綜上可見,檢測電弧弧聲是一種有效的故障早期預(yù)警手段,能有效地克服開關(guān)柜工作時對檢測帶來的各種電磁干擾。但是由于弧聲信號通常與開關(guān)柜背景噪聲重疊,存在誤動作的風(fēng)險,因此通常將弧聲法與弧光法結(jié)合在一起形成雙判據(jù)檢測,以提高識別的準(zhǔn)確度。1.4防電弧預(yù)警系統(tǒng)約翰-霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理研究所的H.BruceLand教授,仔細(xì)研究了美國海軍船舶中開關(guān)柜的連接部位電弧故障現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜中故障電弧產(chǎn)生的主要原因在于電氣連接部位接觸不良。由于電氣連接點(diǎn)的接觸不良會導(dǎo)致連接點(diǎn)處溫度升高,進(jìn)而熔化觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧。因此通過監(jiān)視電氣連接點(diǎn)處的溫升可以實(shí)現(xiàn)對故障電弧的預(yù)警。他設(shè)計出了一套熱電離傳感器來檢測電氣連接點(diǎn)的溫度變化。系統(tǒng)包括兩塊暴露在空氣中的極板和一套放大電路。在極板上安裝有極小量的镅241作為放射源,在極板間發(fā)出微弱電子流,放大電路能在放大信號的同時去除噪聲。當(dāng)由熱電離產(chǎn)生的粒子電流穿過極板之間時將被俘獲,極板吸收電子使得測量電流減少,這些現(xiàn)象也在放大電路中反映出來,測量電流大小變化可反映連接點(diǎn)處溫升的信息。當(dāng)連接點(diǎn)的溫度達(dá)到150~300℃時發(fā)出預(yù)警信息,以防止連接點(diǎn)受熱熔化。這套裝置并不直接測量連接點(diǎn)的溫度,而是通過檢測電流值的大小變化來反映被測點(diǎn)的熱電離情況,因此是一種有效的防電弧預(yù)警系統(tǒng)。經(jīng)過美國海軍的檢測,這套系統(tǒng)易于安裝,抗干擾能力強(qiáng),能全天候?qū)崟r在線工作。1.5開關(guān)柜局部放電超高頻檢測系統(tǒng)原理電力設(shè)備中每一次局部放電都會發(fā)生正負(fù)電荷中和,伴隨有一個陡的電流脈沖,并向周圍輻射超高頻電磁波。超高頻檢測已經(jīng)廣泛應(yīng)用在變壓器、GIS等電力設(shè)備的在線檢測上,并取得較好的識別效果。通過設(shè)置傳感器接收柜體內(nèi)局部放電產(chǎn)生的超高頻電磁波,可以有效檢測開關(guān)柜內(nèi)部局部放電故障,預(yù)警故障電弧的產(chǎn)生。這種檢測方式具有極強(qiáng)的抗干擾能力和較高的靈敏度。超高頻檢測系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。開關(guān)柜局部放電超高頻檢測系統(tǒng)硬件部分包括超高頻天線傳感器、信號調(diào)理單元、數(shù)據(jù)采集卡和裝有虛擬儀器系統(tǒng)的計算機(jī)。超高頻傳感器采用電特性與頻率無關(guān)的阿基米德雙臂螺旋天線,可測量500~1500MHz的局部放電信號。通過放置在開關(guān)柜內(nèi)部的模擬電極,分別模擬針-板放電、內(nèi)部放電、懸浮放電和內(nèi)部絕緣子等不同的放電形式。分析幾種放電信號的二維譜圖后得出結(jié)論:不同的放電類型,其放電發(fā)生的相位有著其一定的范圍,但統(tǒng)計譜圖特征變化不大。因此根據(jù)測量超高頻信號的二維譜圖可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)部局部放電的在線檢測和模式識別。2多信息干擾檢測綜上所述,開關(guān)柜故障電弧檢測的新方法呈現(xiàn)一些共同的特點(diǎn),主要有以下幾點(diǎn)。1)開關(guān)柜故障檢測或預(yù)警的新方法大多依據(jù)光、熱和壓力等非電量檢測手段,能有效避開開關(guān)柜工作時各種電磁信號對檢測結(jié)果的干擾,大大提高了識別可靠度。2)為了提高故障識別的效果,廣泛地采用雙判據(jù)或多判據(jù)來判斷電弧故障。例如弧光-弧聲雙判據(jù)、電流、弧光雙判據(jù)等。3)目前的故障電弧檢測方法在故障點(diǎn)定位方面都無能為力。由于無法預(yù)知電弧發(fā)生的具體位置,僅僅依靠傳感器無法有效定位故障源,只能定位到具體的故障設(shè)備,對故障點(diǎn)的定位還有許多工作要做。4)由于受到環(huán)境、傳感器本身、測量技術(shù)等多方面影響,故障電弧檢測的難點(diǎn)在于如何從背景噪聲中有效地識別電弧信號。在檢測過程中大量采用了