（电气工程专业论文）基于dsp的低压开关柜故障电弧智能采集及其在线监控技术研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t u s u a l l yt h e r ew i l lb ef a u l t sa r ci nl o wv o l t a g es w i t c h g e a rw h i l ei tc a l l tw o r kr i g h t l y t h ef a u l t sa r ci sh a r m f u lt ol o wv o l t a g es w i t c h g e a ra n di t ss u r r o u n d i n g sb e c a u s eo fi t sv e r y h i 曲t e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r ef e a t u r e f o ra r c i n gt i m ei sv e r ys h o r ti nl o wv o l t a g e s w i t c h g e a r , i ti sv e r yd i f f i c u l to fo b s e r v ea r cp h e n o m e n ad i r e c t l yf o rr e s e a r c h e r t h e r e f o r e ， m o d e l i n ga n dv i s u a l i z a t i o no ff a u l t sf i l e i si m p o r t a n tt ou n d e r s t a n da r cp h e n o m e n a , t o a n a l y z et h ef e a t u r e so fa r ca n dt oi m p r o v et h ed e s i g na n dr e l i a b i l i t yo fl o wt e n s i o ns w i t c h c a b i n e t b a s e do na n a l y z et h ev i s u a l i z a t i o nm e t h o d st h a th a db e e np r o p o s e db yo t h e r r e s e a r c h e r s ，an e wf a u l t sa r cv i s u a la p p r o a c hb a s e do nd s p 2 4 0 7 aw a si n t r o d u c e di nt h i s p a p e r af a u l t sa r ci m a g ea c q u i s i t i o na n dv i s u a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eb a s e do nh i 曲s p e e d c c dc a m e r ah a r dw a r es y s t e mw a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d f a u l t sa r ci m a g e 、析血g o o d v i s i o ne f f e c tw a so b t a i n e d an e ww a yf o ri n v e s t i g a t i n gf a u l t sa r cm o t i o ni nl o wt e n s i o n s w i t c hc a b i n e ti se s t a b l i s h e db yt h i ss e to fi m a g es a m p l i n gs y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，s o m en e ws e n s o rt e c h n o l o g i e sf o rp r e s s u r e ，t h e r m a le n e r g ya n da r c l i g h ts e n s o r sh a v eb e e na p p l i e di no n l i n ed e t e c t i n gs y s t e mf o ri n t e r n a lf a u l t sa r c b u tm o s t o f t h e s em e t h o d sa l et o oc o m p l i c a t e da n de x p e n s i v et ob eu s e dw i d e l y m a n yk i n d so fl i g h t s ，s u c ha sc o r o n a , s u r f a c es p a r k l e ，s u n l i g h t ，l a m pl i g h t ，e l e c t r i c t o r c hl i g h ta sw e l la sa r cl i g h t ，a l er e s e a r c h e d t h ec h a r a c t e r i s t i co fa r cl i g h ti sf o u n dv i aa s e r i e so fl i g h ts e n s et e s t s ，t h e r e f o r et h es i n g l ec r i t e r i o no fa r ci sa d o p t e d o nt h i sb a s i s ，a n o p t i cf i b e rs e n s o rf o ra l el i g h ti sd e v e l o p e d f i n a l l y , ap r a c t i c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t e d o n - l i n ed e t e c t i n ga n dp r o t e c t i o ns y s t e mf o ri n t e r n a lf a u l t sa r ci sr e s e a r c h e da n d d e v e l o p e d t h i ss y s t e mi se c o n o m i c 、析t l ls i m p l ec o n s t r u c t i o n h i g ha n t i - j a m m i n gc a p a c i t y a n d v e r ys h o r ta c t i o nt i m e ；i tc a nn o to n l yb e u s e ds e p a r a t e l y , b u ta l s ob ei n t e g r a t e dw i 也 v a r i o u se x i s t i n gd i g i t a lr e l a yp r o t e c t i o ns y s t e m s ，t h e r e f o r et h et e c h n o l o g yl e v e la n da d d e d v a l u eo fs w i t e h g e a rc a nb ee n h a n c e dw h i l et h ec o s to n l yi n c r e a s e sal i t t l e k e yw o r d s ：l o wv o l t a g es w i t c h g e a r ；d s p ；d e t e c t i o no n l i n e i i 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 签字日期：年月日 签字日期：年月 日 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 随着科学技术的不断发展，社会生产、生活等各方面对能源的消耗也越来越 多。在各种能源中又以电能的使用最为广泛，这是由于电能的使用极为方便。电 能不但适合于大量生产、集中管理和控制，而且电能的传输距离远，传输损耗相 对较小，所以世界各国都以电能的产量来表征国民经济的生产水平【1 1 。 据国家电网公司快报统计，随着国民经济的不断持续快速增长，也带动 了用电的全面高涨。20 o4 年全国用电量达到209l0 亿千瓦，20 05 年 全国用电量达到22 682 亿千瓦，2006 年全国用电量达到242 75 亿千 瓦，净增约为16 00 亿千瓦。由于电力需求的高速增长，使得同期电源投产容 量相对不足，必须增加装机容量，尤其是大容量发电机组。2o o5 年和200 6 年的全国新增装机容量分别为5o 00 和62 00 亿千瓦，装机增长速度分别 达到了12 和13 。 随着单机发电容量的不断增加，单台供电变压器的容量也相应增加。作为电 力系统中的关键电器设备之一的保护装置：低压开关柜的额定容量也随之增大。 其在电力系统中的作用也显得越来越重要。 1 1 低压开关柜简介 凡是根据外界指定信号和要求，自动或手动接通或断开电路，断续或连续地 改变电路参数实现对电路或非电对象切换、控制、保护、检测、变换和调节作用 的电气设备统称为电器。 电器的产生和发展是和电能的广泛使用是分不开的。电能的生产与传输均采 用高电压，而对电力的使用，却大多数是低电压。用于交流电压至1 2 0 0 v ，直流 电压1 5 0 0 v 的电路当中起通断、控制、保护等作用的电器，称为低压电器。低压 电器包括：刀开关、转换开关、熔断器、断路器、控制器、接触器、起动器、控 制继电器、主令电器、变阻器、调整器、电磁铁等。 由一个或多个低压电器设备和相应的控制、测量、信号、保护、调节等电气 元件或设备，以及所有内部的电气、机械的相互连接和结构部件组装成的一种组 合体，叫做低压开关柜，也叫低压成套开关设备，或低压配电柜。 江苏大学工程硕士肇住论文 目前，我国自行开发的低压开关柜品种有十几种，有固定面板式、固定分隔 式、抽出式、混装式、智能型等，产品设计水平达到了国际2 0 世纪9 0 年代中期 的水平。生产厂家主要分布在华东、华南、华北地区，特别是在江浙、广东、福 建和京津地区比较集中。二 三_ 要原困是这些地区经济发展迅速，而且生产能力、产 品水平相对来说要高一些。 低压开关柜由于具有体积小、重量轻、操作简便、操作力轻、联锁可靠、免 维护等特点广泛地应用城市电网改造和建设、冶金、石油、化工、工矿企业及 居民住宅等领域中所有需要高可靠性场合的低压系统。我圆电能的b o 左右都是 通过低压成套开关设备提供，可以说低压成套开关设备的发展已经植根于工业、 农业以及基础设施建设和人民的生活当中。 图1 一l 是由低压开关柜所组成的配电室一角。 图i i 低压开关柜一角 12 低压开关柜内部电弧故障的危害 随着市场的要求越来越高，特别是随着新的绝缘介质( 如矾、环氧树脂等) 的采用，低压开关柜的结构开始向小型化发展。从9o 年代开始，设计和用户对 供电的可靠性和连续性及安全性能越越来越高，制造商开始采用新工艺，新器件， 不断提高开关柜的质量和安全性能。虽然这样大大减少了其故障的发生，但是由 于低压开关柜的内部电流可高达6300a ，随着使用年限的增加，绝缘材料性 能的下降，以及外柬不定因素的影响，容易在其内部引起电弧效应，严重时烧毁 昂贵的开关设备，短路电流冲击可阻损坏变压器，造成长时间的停电。图l2 就 江苏九学工程硕士学位论疋 是开关柜由电弧效应引起的火灾现场图片 图1 - 2 故障电弧引火现场 丌关柜内部故障r 乜弧是发生在金属封闭丌关殴备内部的短蹄故障。它直接表 现为起孤燃烧，这是由于在强电流作用下，特电导体之间，或带电导体与地之间 的绝缘受到破坏时所产生的一种电弧故障。由于电弧电阻的原因，其短路电流小 于“金属性”短路电流。在开关柜中，当电弧一旦产生，周围的空气就会立刻电 离，更熏要的足将引起柜内压力不断增人，温度迅速l 升，导致装置的机械部 件、建筑物的墙壁承受强大的压力，不仅使供电中断，而且会产生大量的有害气 体。这些将产生严重的危害： 1 ) 电孤产生的热量极高，高温气体将烧伤周围工作人员的皮肤。 2 ) 随着强光的发生，将严重刺伤工作人员的眼睛。 3 ) 剧烈的爆炸声可以击穿周围人员的耳膜，造成内脏和大脑的损害。 4 ) 爆炸压力容易造成坠落空中碎片会伤害人体。 5 ) 有毒气体将严重影响到呼吸系统。 6 ) 燃烧将造成母排熔化、汽化，绝缘材料燃烧、电缆烧坏，高压气体迅速 扩散到邻柜。造成火烧联营的场面。 7 ) 巨大的冲击波将破坏柜体，造成不可修复性损害。 _ 卜述严重的危害使研发人员开始考虑到对开关设备保护措施的研究 3 4 , 5 1 。 1 3 低压开关柜故障电弧的防护措施 从上实际50 年代开始，由于绝缘材料的改进和开关器件的小性化，特别是 江苏大学工程硕士学位论文 低压开关柜开始向小型化方向发展，使得其体积大大缩小。随着体积的缩小，额 定值越来越高的发展，发生电弧的故障概率也越来越高。这就迫使人们开始考虑 对故障电弧的防护。 从总体上讲，故障电弧的防护分为积极防护和消极防护。前者防止电弧的产 生，后者则限制电弧的负面影响。 积极防护主要包括以下措施： 1 ) 结构措施 将带电器件加以绝缘或部分绝缘 结构设计中不形成弧根 采用耐弧绝缘材料 设立隔离壁和隔板 有足够的电气间隙和爬电距离 2 ) 使用的元件 。使用损失能量小的电气设备 采用过电压过电流保护 3 ) 运行管理 对设备进行不定期检查和维护 对设备进行散热设计 定期检查接触和连接部件 清洗和检验绝缘部件 4 ) 防止误操作 。对电气和机械进行连锁 一 对工作人员进行培训 消极措主要是限制电弧产生的消极效应。消极措施主要包括： 1 ) 空间限制 使用耐压和耐热的材料 设备总体按耐压和耐热强度进行设计 2 ) 限制电弧能量 通过带短路装置的故障电弧检测装置限制电弧的持续时间 4 江苏大学工程硕士学位论文 通过限电流器限制电弧的能量 1 4 国内外研究现状及研究目的 上世纪70 年代中期，西德首先提出了“耐电弧开关柜 的概念。所谓的耐 电弧开关柜是指，能抵御因内部故障电弧引起的电弧所产生的效应及条件的开关 柜。 耐内部故障电弧的含义： 1 ) 隔室内刚开始发生内部故障电弧时，故障的影响只限于隔室内： 相邻隔室问的隔板不能烧穿 相邻器件间的分割板不能烧穿 使相邻隔室和柜子免受压力 2 ) 能防止： 由于灼热气体的进入而导致相邻隔室、柜子严重玷污 相邻隔室、柜子内电弧重燃 隔板严重机械变形 1977 年夏天，加拿大的一个供电公司发生了一起严重的开关柜电弧故障 事故，操作人员严重受伤。故障的起因是雨水淋湿了母排的绝缘层，最初是小的 接地故障，最后发展为大的接地故障。断路器未能断开故障，因为此时断路器室 内的空气已经离子化。结果造成了大火和爆炸，这迫使加拿大制定了耐电弧故障 开关柜的标准e e m a c l 4 1 。现在加拿大已成为世界上使用耐电弧故障开关柜最多 的国家之一。 耐内部故障电弧开关柜虽然能承受相对于普通开关柜较长的额定持续时间、 额定故障电流，它也有自己的工作条件。 耐电弧开关柜的正常工作条件为： 1 ) 进入高压元器件件区域的所有门和盖板都已经上锁。 2 ) 压力释放装置能自由地打开。 3 ) 最大故障能量不能超过设定的额定值。 4 ) 在设备周围不能防止障碍物，从而将电弧故障的产生物及时准确地引导 到安全区域。 5 ) 设备接地完好i 江苏大学工程硕士学位论文 从上面耐电弧开关柜的正常工作条件可以看出，耐电弧开关柜只是从柜体本 身及周围的环境出发来尽量减少电弧对柜体的影响，但未从根本上杜绝电弧的发 生，一旦发生电弧故障，低压开关柜和母线还是要遭受到严重的损坏。 国外在80 年代初开始对引起电弧故障的原因、危害以及防护措施进行了较 为广泛的研究 7 8 9 1 0 1 i ，试图从根本上杜绝电弧故障的发生。 开关柜的损坏程度和电流及切除时间等关系如图卜3 所示。 图1 - 3 燃烧后果与时间关系图 从实验结果来看，要想杜绝开关柜内部电弧造成严重的危害，就必须控制其 作用时间。 1 9 8 1 年，ie c2 98 首先引入了对开关柜内部电弧合格的要求。从此，制 造商们做了不少的努力，建立了不少的防内部故障电弧的方法和措施。国外主要 在两方面开展工作：一是计算方法的研究，试图通过数值模拟仿真来对实际设计 和生产提供理论依据；二是耐内部故障电弧开关柜的研究与开发。通过设计过程 中对各种保护措施的研究来从根本上解决电弧故障的危害。主要从电弧检测装置 的研究，试图开发出性能可靠、工作安全的耐内部故障电弧开关柜。 而国内对这方面的研究较少【1 2 ”14 1 ，主要是通过仿制的方法来预防内部故障电 弧的发生，本文就是基于这种现实而开发属于自己耐内部故障电弧的技术，进而 填补国内这方面研究的空白。 1 5 本文的主要研究内容 1 5 1 开关柜内部电弧数学模型的研究 。 研究低压开关柜内部故障电弧的规律途径主要有：现场型实验、实验室模拟 和数值模拟分析等。如果能将这三者有效地结合起来，则可以较全面地了解和掌 握内部故障电弧的规律，对其防护具有较高的价值。 6 江苏大学工程硕士学位论文 开关柜内部电弧的理论研究是要建立能正确反映和描述实际故障电弧发生的 物理、力学过程的解析研究理论和数值模拟方法，揭示和分析各种效应的特征和 规律。 在对内部故障电弧发生机理研究的基础上，本文第二章利用热力学、气体动 力学对开关柜内部故障电弧进行了数值分析，找出了其数学模型。为开发耐内部 故障电弧的开关柜提供科学的依据，同时又可以节省大量的实验费用，缩短开发 周期，降低开发成本。 由于实际开关柜内部故障电弧实验费用高、时间长、且是破坏性实验，因此 不可能进行多次实验。如果记录下开关柜内部故障电弧的运动规律、以及过零后 重燃点形态，可以在节约实验费用和时间的条件下很好地总结和找出故障电弧的 微观参数、形成机理和重燃条件。论文第三章就这个问题展开了讨论。 1 5 2 开关柜内部故障电弧的在线检测研究 内部故障电弧破坏巨大，旦发生就必须立刻切除，否则就要造成极大的损 失。论文第四章在国内首套新型故障电弧的在线监控提供装置上： ( 1 ) 对电弧的机理以及检测方法进行了详细的分析。并对各种内部故障电弧 的检测方法优缺点进行了分析比较，指出通过检测内部故障电弧的弧光信号是一 种较好的方法 ( 2 ) 并做了大量的弧光传感实验研究，确定了内部故障弧光的特征，排除了 其它干扰源的误动作，为内部故障电弧的判断规则提供了可靠的依据。 ( 3 ) 提出了低压开关柜内部故障电弧的弧光单判据规则，采用弧光单判据配 合保护时间就可以很好完成对故障电弧的在线检测。 ( 4 ) 该装置具有抗干扰能力强、结构简单、成本低廉、动作时间快、故障电 弧定位准确等特点；不仅可以单独使用，也可以和电流互感器配合使用，在成本 增加不大的情况下，可以大大提高开关柜的安全性。 ( 5 ) 光纤传输不仅有效地抑制了电磁场和高温对光电器件工作的不利影响， 而且可以实现远距离的传输，增加了灵活性和工作人员的安全性。 江苏大学工程硕士学位论文 第二章低压开关柜内部故障电弧的数学模型研究 低压开关柜大量应用于电力系统的电路保护电路当中。当开关柜内部发生故 障时将产生故障电弧，电能被转化为热能，引起周围空气温度升高，压力增大。 空气介质的不断膨胀又进一步对柜体产生力的冲击。如果能对内部电弧产生的力 和热进行建模、计算，找到其规律，则非常有利于对柜体结构的改进和完善，并 对柜外物体的安全研究提供有益的参考【1 5 1 6 ”1 8 1 争2 0 1 。 目前，随着国内对产品质量、安全性能等要求的提高以及相应制度的健全， 开关柜在使用过程中的安全问题在我国开始得到前所未有的重视丝2 3 - - 1 。 本章首先阐述了内部故障电弧的效应，分析了开关柜的柜体结构，然后内部 故障电弧的发生原因、物理现象以及故障特征，对电弧故障时柜体内部压力和温 度的变化建立了数学模型，试图找到合理的柜体结构。 2 1 低压开关柜的柜体结构 开关柜的外形为六方体，内部分割有两种类型，其平面结构如图2 1 。 1 代表前室，2 代表后上室，3 代表后下室，4 代表出气孔 2 1 开关柜内部结构示意图 图中各室之间的隔板上分布有小孔或缝隙。各室上方在顶板处都设置有压力 释放通道，当内部气体的压力高于外部大气压时，泄压装置的盖板被打开并不会 自动关闭。当某一室内发生故障电弧时，该室内气体可以从顶部排气口排出，也 可以通过上述小孔或狭缝流通到其它室内。开关柜的材料皆为2 5 m m 厚的普通钢 板。电弧能量的释放功率可以达到1 0 7w ，电弧故障持续时间不超过1 s 。 8 江苏大学工程硕士学位论文 2 2 开关柜中内部故障电弧效应 低压柜发生电弧故障时，首先看到强烈的弧光，伴随这种现象，低压柜冒出浓 浓的黑烟和强烈的爆炸声，故障电弧短路结果会产生压力效应，辐射效应和弧根效 应。如图2 - 2 所示： 图2 2 电弧故障效应 2 2 1 故障发生原因 内部电弧故障发生的原因有很多，但主要有以下四类：外部影响、绝缘事故、 载流事故、误操作。 外部影响。如设备工作时，如果外壳和柜内各功能区域的防护等级降低， 灰尘、微粒、小动物、维修工具、有机物残渣等外物进入到低压开关柜内部；由 于振动等导致紧固螺栓、螺母松动等引起的相问短路。 绝缘事故 造成绝缘事故的主要原因有： 1 ) 材料或机械缺陷，如母线系统的绝缘因老化受到破坏； 2 ) 为进行有效维护。 3 ) 小的接地故障未及时解决而恶化。 载流事故 对于手车式开关柜，除上述原因外，还可能由于紧固螺栓松动造成接触电阻 增大，手车柜触头接触不良，长期载流过热，触头烧热并脱落，产生负荷电流的 电弧连续燃烧，产生大量高温金属气体，最终发展成为两相、三相短路，即载流 9 江苏大学工程硕士学位论文 事故引起电弧短路。 误操作 1 ) 操作人员操作不当引起故障电弧； 2 ) 配电房内的开关柜种类多，操作方式不同 2 2 2 物理现象 在低压开关柜发生内部故障电弧时，将伴随着各种物理现象。例如，在外壳 的大气条件下，内部电弧产生的电弧能量会转移给周围的气体，将导致内部过压 和局部过热，使设备产生机械应力和热应力，甚至使结构内的某些材料可能因受 热而分解出有毒气体，还可能产生爆炸声、电光以及大量的烟雾，气体因受高温 电弧的加热而变成等离子体，设备的金属件和绝缘件因受高温加热而熔化、蒸发， 最终变成灼热气体和灼热微粒，泄放甚至喷射出壳外。 2 2 3 内部故障电弧特征 内部故障电弧产生的影响和破坏程度与壳体大小、电弧电压、电弧持续时间 以及短路电流有关系。内部电弧故障具有以下几个特征： ( 1 ) 四个阶段 低压开关柜内部故障电弧将引起温度和压力的上升。在起始阶段，以压力上升效 应为主，随后是热效应。一般来说，故障电弧过程包括四个阶段： 1 ) 压缩阶段：此阶段从电弧燃烧到压力不再上升、气流从小室喷出结束。这 个阶段的主要特点为燃烧的电弧温度很高，迅速加热周围气体，小室内压力上升， 形成压力波。 2 ) 膨胀阶段：在达到最高压力后，压力释放装置打开，灼热气体开始从电弧 室逃逸，其特点是随着气体的逃逸，压力渐渐下降。 3 ) 发射阶段：这一阶段的特点是燃烧的电弧进一步加热柜内剩余的气体可能 会产生负压。将产生大量的烟雾、电火、强光，最主要的将产生巨响。 4 ) 热效应阶段：这一阶段持续至电弧熄灭。主要特点是燃弧熄灭，热能使设 备部件加热、熔化、蒸发。 ( 2 ) 电弧本质上是一个电阻元件，每单位电弧长度( i i m l ) 压降约为3 - - - 4 v ， 因此电弧长度是决定电弧故障期间能量散发的一个重要因素。 ( 3 ) 在封闭的小室内，大电弧电流与周围之间有几种不同的能量转移关系， 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 主要的是一部分导致弧根加热、弧根材料的熔化和蒸发，一部分作为电弧的辐射 功率散至外界；另一部分使气体加热，导致压力增加。 ( 4 ) 电弧产生的热量很高，其温度可达到4 0 0 0 k 。 ( 5 ) 电弧的移动速度非常快，能从短路点沿母线背离电源侧方向迅速逃逸， 造成“火烧连营 。 2 3 开关柜中内部故障电弧计算模型 由于内部电弧故障的试验需要花费很多的时间和财力，因此建立故障电弧合 适的数学模型进行模拟分析和仿真计算，显得尤其重要【2 5 孤”1 。 2 3 1 基础理论 金属封闭的开关柜的小室较小，可采用通用计算法来计算。在封闭小室的能 量平衡中，考虑到电弧电流及其周围物质之间不同的能量转移机理：电弧功率的 一部分只导致弧根加热、弧根材料的熔化和蒸发，另一部分使气体加热，导致压 力上升。表示电弧的辐射功率，表示蒸发的弧根材料和周围气体的化学反应产生 的功率，从而达到方程： 匕+ = 尸，+ p r + 昂 ( 2 一1 ) 或 1 + k 曲阴= t + k ，+ k p ( 2 - 2 ) 其中：t = 手 e l 如果知道了电弧功率巴及其导致压力上升的系数，或称能量转移系数k 口( 它 与空气的种类、气体密度等有关，需要通过试验确定) ，就可以用简单的计算方法 算出封闭小室的压力上升。 故障电弧周围气体的能量的转移受压力波和气流的影响。对于尺寸较小的空 间，故障电弧发生后，能量能立即均匀分布于整个空间，因为此时的压力波传输 时间可以忽略不计。这种方法特别适合于低压开关柜的计算。 通用计算法的基础是能量守恒定律和理想气体状态方程，且假设使压力上升 的那段电弧能量是均匀的，气体作单方向流动，并假定封闭开关柜室内的气体为 理想气体，其摩尔数不变，物理性质不变。；功率只迅速加热整个气体质量。通过 江苏大学工程硕士学位论文 积用a 表示，例如a ：表示前室与后上室之间气流通道的有效截面积。于是图2 - 1 彳供吲 3 ) 从上述的矩阵a 的表示方法中可以看出，当i = ，时，a “表示该小室上方泄压 通道的有效面积。若口。= 0 ，则表明该室上方无泄压通道或泄压通道没有打开，受 f ，d m l l d m l 2 d m l 3 、i d m = id m 2 ld m 2 2 d m 2 3i ( 2 4 ) l 锄3 ld m 3 2d m 3 3 j d m = f a ( 2 5 ) 厶咱肄剖矿槲舢1 心广驴p ， 协6 ， 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 d m f = 兀吩 ( 2 7 ) 当i = j ，p ，= p o 时，则可得到： 兀嘞胃剞矿吲“。“广锄驴p ， 协8 ， 式中：f 排放系数，可取1 0 见多方系数，对本开关柜内的热空气可以去1 3 r _ 气体常数，为2 8 7 4 j k g - 1 k - 1 根据开关柜的特点知，口 ，= ，即开关柜的泄压结构矩阵a 为对称矩 阵。对于排气质量矩阵而言，从数值上讲是对称矩阵，但符号相反。规定：从第i 室流到第j 室的气体质量为a m ，则d m ，= a m 0 ；则从第室流到第i 室的气体质 量显然为为一a m ，贝t jd m 嘶= 一朋 o ，则表示室内气体有部分向歹室排出；若锄 ， s e t v ) f a u l t = 1 ； r e t u r nf a u l t ； e l s e r e t u r n0 ； ) r e t u m0 ；系统正常 ) 江苏大学工程硕士学位论文 p u b l i cv o i dt r i g g e r b r e a k e r 触发上游断路器的操作结构 m a i n o b i ts e t t i m e ； d o i f ( a r c _ s c a n 0 & & t i m e _ c o u n t e r = s e t t i m e ) 判断弧光传感器检测到故障信号的时间是否超时 t r i g g e r b r e a k e r 0 ； w h i l e ( 1 ) 4 5 4 故障电弧定位 为了维修方便，必须要考虑故障电弧的定位问题。每套弧光保护系统由多个 检测单元组成，将检测单元的光纤探头分别放置于开关柜的不同位置，将任意8 路检测单元进行s o - 7 编码，编码器输出的故障电弧的地址用译码二极管显示出数 字，从这个数字就可以轻松地判断故障信号来自哪个检测单元，从而很方便地了 解到故障所发生的地点。8 路检测故障定位显示电路的示意图如图4 2 0 。 编码器 _ 八 锁存器 入 译码器 m _ v 叫 l e d 显示 图4 2 0 故障电弧定位显示电路示意图 江苏大学工程硕士学位论文 第五章低压开关柜故障电弧的实验研究 本章根据前几章研究基础，按照防护标准在人员安全的条件下，本文在对低 压开关柜内部故障电弧进行了一系列的实验研究。 5 1 低压开关柜故障电弧实验 511 低压开关柜实体 本文实验所选择的柜体为a k 2 0 0 0 智能型低压开关柜。a k 2 0 0 0 智能型低压 开关柜是江苏省扬中市太全集团有限公司结合中国市场需求近期开发的新产品。 该产品吸收了美国g f 公司与欧洲a b b 产品的优点，将美国g f 公司最新的电 路保护、控制和通信技术结合在一起，并吸收本论文上述几章节所设计的内容， 具有技术指标高、安全可靠、应用方便、智能化程度高等特点，产品符合g t 3 7 2 5 1 1 和t e c6 0 4 3 91 标准。 产品的主母线额定工作电流50 0 0 a ，短时耐受电流8 0 k a ，峰值耐受电流 可达1 4 3 k a ，外壳防护等级t p 5 5 。a k2 0 0 0 智能型低压开关柜的外貌见图5 - 1 。 掣 二j 图5 - i 低压开关柜实体 5 12 技术参数及功能 5 12 1 主要技术参数 a k 2 0 0 0 智能型低压开关柜主要技术参数如下： 多 譬。： 到 ；i 江苏大荦工程硕士学住论文 表1 低压开关柜主要参数 额定工作电压v 3 8 0 4 1 5 6 6 0 额定冲击耐受电压进线端和水平母线8 u 。( 12 1 5 0 1 j s ) l k v 配电回路及设备 6 额定工作电流，a水平母线： 5 0 0 0 ( i p 3 0 时)垂直母线： 2 5 0 0 额定短时耐受工作电流水平母线：5 0 6 58 0 ( k v 1 s )垂直母线：5 06 5 额定耐受工作电流水平母线：1 0 51 4 3 1 7 0 ( k v 1 s ) 垂直母线：1 0 5 1 4 3 额定频率l z5 0 6 0 外壳防护等级 i p 3 0 i p 4 0 i p 5 0 i p 3 1 5 122 主要功能 根据项目的需要和工作环境，该装置应具有如下的功能： ( 1 ) 在线测量母线电压、电流、有功功率、无功功率、电网频率、功率因 数、电能：在线钡4 量检测断路器、隔离开关的工作状态；控制高压开关柜，使真 空断路器既能进行合闸也能进行分闸操作。 ( 2 ) 越限语音报警和故障诊断。 电压越限告警、电流越限告警、绝缘