开关柜内部故障电弧检测与预警方法综述

开关柜内部故障电弧检测与预警方法综述

开关箱是一种广泛使用的设备，其内部故障电流一旦发生，将带来灾难的结果。近几年出现的几种新的故障电弧检测与预警方法,摆脱了传统检测方法中以电压、电流为研究对象的局限性,极大地提高了检测效率。开关柜是一种广泛使用的电气设备。在长期运行的过程中,由于电的、热的和化学的作用会导致绝缘劣化,进而产生局部放电现象。这种局部放电如果任之发展很可能会形成故障电弧,给系统带来灾难性的后果,因此如何及时有效地检测出开关柜中的故障电弧或在电弧发生前就能提供预警信息具有很高的实际应用价值。ICE298标准规定故障电弧的切除时间必须小于100ms。按照我国现行的继电保护设计标准,在低压母线系统中一般不配置专用的快速母线保护,而是依赖变压器的后备过电流保护来切除母线短路故障。这些保护方案的动作切除时间都在300ms到1.4s之间,无法达到快速保护母线的目的,客观上延长了设备的受损程度。20世纪90年代开始许多学者对电弧故障的物理特性、产生机理及探测方法进行深入细致的研究。近年来,随着非电量检测技术和信号处理技术的不断发展,人们注意到开关柜中出现故障电弧时除了电流、电压的变化外还伴生一系列声、光、化学和热效应,根据这些现象发展出多种新故障电弧检测方法。这些方法摆脱了传统检测方法中以电压、电流为研究对象的局限性,极大地提高了检测效率。1对故障电流的检测和报警方法1.1vamp系统的原理当开关柜内部产生电弧时,会产生强烈弧光,这一现象成为弧光法进行故障电弧检测的依据。近年来,国外已经研发出一系列弧光检测与保护系统,包括德国Moeller公司的ARCON故障电弧保护系统、ABB公司的ARCGuardSystem保护系统和芬兰Vaasa公司的VAMP保护系统等。国内开展这方面研究的有西安交大蔡彬开发的弧光保护系统。这些系统均采用弧光、电流双判据,通过检测弧光和电流两种信号,并经过比较、判断环节在电弧故障发生时发出切断电路的指令。图1中所示为VAMP系统原理结构图。系统的主单元中包括电流检测、弧光检测和短路失灵保护三部分,它通过检测短路电流和来自弧光传感器的动作信号,并对收到的信息进行处理、判断,在满足跳闸条件时发出跳闸指令切出故障。当进线断路器不能切除故障时,它将启动断路器失灵保护,发出跳闸指令命令上一级断路器跳闸来切除故障。此外主单元还能根据辅助单元传感器传送来的弧光传感器动作信息来提供故障开关柜的定位信息。电流辅助单元安装在进线柜上,为主单元提供短路电流的检测功能;弧光辅助单元安装在某个开关柜中,当发生电弧故障时辅助单元接收到弧光传感器的信息;短路电流信息和弧光传感器信息均传递给主单元。这套系统原理简单,动作迅速可靠,配置灵活方便,整套母线的保护动作时间可达5~7ms,并且能显示故障开关柜的位置信息。1.2紫外线法检测弧光原理利用紫外线检测是一种新的开关柜电弧弧光检测方法。在气体放电过程中会伴随有紫外线向外辐射。在电力系统中,当故障电弧产生时,在电弧放电的光谱中,紫外区的辐射强度较高,可以通过检测“日盲”区紫外光来检测电弧放电信息,因此紫外线检测法可以归纳为弧光检测法的一种。这种方法采用工作在特定波长的紫外线传感器去除可见光源的干扰,不仅能准确快速地发现故障电弧而且可以对电弧的放电强度进行评估。图2所示为紫外线法检测弧光原理的原理图。系统的传感器部分是光电倍增管,一种能把微弱入射光转换成光电子并获得倍增效应的真空光电发射器件。为了防止传感器接收到的紫外信号受到日光或其他光源因素的影响,将光电倍增管放置于暗室中,并在其前端加装紫外滤光片以滤除干扰。信号处理电路包括对电信号的放大、调理和A/D转换。软件部分对测量得到的信号进行积分运算得到信号平均功率,按照平均功率值是否超出设定的阈值来判定电弧发生与否。由于电弧发出的紫外线远远超过其余光源的紫外线能量,并且通过滤光片剔除了其他光源干扰,因此系统的检测准确度高并且可以依据信号功率值来定量评估放电规模的大小。1.3数据分析方法大量研究表明,弧声是故障电弧放电过程伴生的一种物理现象,并且早在故障电弧产生前就已经出现。在电弧弧声产生阶段及时判断电弧故障,是一种有效的早期预警探测方法。华侨大学杨建红、张认成等从电弧弧声检测入手开展检测研究取得较好效果。首先利用光纤声音传感器以保证在强电磁干扰下可靠地提取弧声信号。研究重点的是利用各种数据处理方法来提取信号中的弧声特征分量。电弧预警系统的原理框图如图3所示。系统中弧声检测器中所用到的检测方法包括:(1)Duffing振子识别弧声信号利用Duffing振子对特定频率的微弱信号敏感的特点,设计了一个混沌临界系统。将待检声波输入系统,如果声波中混有电弧声,系统就迅速从临界状态转变到间歇混沌,反之,系统保持临界状态。以系统状态是否发生转变与否作为检测弧声存在的判据。(2)关联维数识别弧声信号将故障电弧弧声的产生分为两个阶段:第l阶段为有弧声产生,没有燃弧现象;第2阶段有弧声产生,同时有燃弧现象。通过G-P算法分别计算了背景噪声、第1阶段弧声及第2阶段弧声的关联维数,2个阶段声音信号的关联维数分别处在不同的维数段,通过大量的试验来修正关联维数的阈值以有效地探测早期电弧故障。(3)高阶谱估计识别弧声信号由于故障发生时电弧的弧声会在开关柜内部来回反射和折射,功率谱等一般的信号分析方法无法准确提取电弧形成之前的放电声响特征。但是高阶谱不仅提取信息量多且能抑制高斯噪声。开关柜周围背景噪声的高频成分分布同弧声放电声响的高频率成分分布有明显的区别。采用高阶谱分析法分别提取背景噪声和放电声响的高频率成分,并以此作为B-P神经网络的输入矢量以准确识别出放电声响。综上可见,检测电弧弧声是一种有效的故障早期预警手段,能有效地克服开关柜工作时对检测带来的各种电磁干扰。但是由于弧声信号通常与开关柜背景噪声重叠,存在误动作的风险,因此通常将弧声法与弧光法结合在一起形成双判据检测,以提高识别的准确度。1.4防电弧预警系统约翰-霍普金斯大学应用物理研究所的H.BruceLand教授,仔细研究了美国海军船舶中开关柜的连接部位电弧故障现象,发现开关柜中故障电弧产生的主要原因在于电气连接部位接触不良。由于电气连接点的接触不良会导致连接点处温度升高,进而熔化触点产生电弧。因此通过监视电气连接点处的温升可以实现对故障电弧的预警。他设计出了一套热电离传感器来检测电气连接点的温度变化。系统包括两块暴露在空气中的极板和一套放大电路。在极板上安装有极小量的镅241作为放射源,在极板间发出微弱电子流,放大电路能在放大信号的同时去除噪声。当由热电离产生的粒子电流穿过极板之间时将被俘获,极板吸收电子使得测量电流减少,这些现象也在放大电路中反映出来,测量电流大小变化可反映连接点处温升的信息。当连接点的温度达到150~300℃时发出预警信息,以防止连接点受热熔化。这套装置并不直接测量连接点的温度,而是通过检测电流值的大小变化来反映被测点的热电离情况,因此是一种有效的防电弧预警系统。经过美国海军的检测,这套系统易于安装,抗干扰能力强,能全天候实时在线工作。1.5开关柜局部放电超高频检测系统原理电力设备中每一次局部放电都会发生正负电荷中和,伴随有一个陡的电流脉冲,并向周围辐射超高频电磁波。超高频检测已经广泛应用在变压器、GIS等电力设备的在线检测上,并取得较好的识别效果。通过设置传感器接收柜体内局部放电产生的超高频电磁波,可以有效检测开关柜内部局部放电故障,预警故障电弧的产生。这种检测方式具有极强的抗干扰能力和较高的灵敏度。超高频检测系统的原理框图如图4所示。开关柜局部放电超高频检测系统硬件部分包括超高频天线传感器、信号调理单元、数据采集卡和装有虚拟仪器系统的计算机。超高频传感器采用电特性与频率无关的阿基米德双臂螺旋天线,可测量500~1500MHz的局部放电信号。通过放置在开关柜内部的模拟电极,分别模拟针-板放电、内部放电、悬浮放电和内部绝缘子等不同的放电形式。分析几种放电信号的二维谱图后得出结论:不同的放电类型,其放电发生的相位有着其一定的范围,但统计谱图特征变化不大。因此根据测量超高频信号的二维谱图可以实现开关柜内部局部放电的在线检测和模式识别。2多信息干扰检测综上所述,开关柜故障电弧检测的新方法呈现一些共同的特点,主要有以下几点。1)开关柜故障检测或预警的新方法大多依据光、热和压力等非电量检测手段,能有效避开开关柜工作时各种电磁信号对检测结果的干扰,大大提高了识别可靠度。2)为了提高故障识别的效果,广泛地采用双判据或多判据来判断电弧故障。例如弧光-弧声双判据、电流、弧光双判据等。3)目前的故障电弧检测方法在故障点定位方面都无能为力。由于无法预知电弧发生的具体位置,仅仅依靠传感器无法有效定位故障源,只能定位到具体的故障设备,对故障点的定位还有许多工作要做。4)由于受到环境、传感器本身、测量技术等多方面影响,故障电弧检测的难点在于如何从背景噪声中有效地识别电弧信号。在检测过程中大量采用了