中低压开关柜及其弧光保护方法、装置及应用方法和传感器与流程

本发明涉及电力系统继电保护领域，具体涉及一种中低压开关柜及其弧光保护方法、装置及应用方法和传感器。

背景技术：

弧光保护具有动作速度快、可靠性高、不需要与其他保护配合等优点，目前弧光保护作为母线保护已经广泛应用于电力、石化、冶金等领域。弧光保护的基本原理是基于弧光和电流双判据判断母线弧光短路故障使断路器跳闸以保护母线。其中弧光为主判据，电流为辅助判据。弧光传感器是检测弧光的主要部件，其性能决定了弧光保护的灵敏度和可靠性。

弧光传感器分为两种，一种是紫外光型，只接收紫外光。另外一种是可见光型，只接收可见光。弧光传感器一般由球面感光外壳、光纤、光敏元件、信号放大电路等四部分组成。其中球面感光外壳一般由塑料材料按一定曲面成型，其曲面具有聚光作用，能将球面感应的光聚焦到光纤断面，再由光纤传输到另外一端。如果光纤断面或感光外壳经特殊涂料构成的滤片滤除可见光，只有紫外光通过，就可以构成紫外光型传感器。如果不做任何处理，就构成可见光型传感器。

目前传感器存在以下一些问题：

1、传感器光纤断裂或st接头掉落或人工拆除时容易引起弧光保护误动。

弧光传感器光电转换功能由光敏元件完成，光敏元件将光强大小转换成电阻大小，进而转换成电流大小进行放大处理，放大后的信号送入ad转换，最后形成弧光强度信号。弧光传感器球面感光外壳和光纤只起到光的传输作用。或者说，球面感光外壳和光纤将光从开关柜内“搬运”到保护装置内部再进行光电转换。弧光信号在“搬运”过程中，强度大大衰减。造成送入光敏元件的光强度大大减小。根据我们现场实测，以6米光纤为例，光从球面感光外壳传输到光敏元件表面，其强度衰减到不到原来强度的1/1000。光敏元件感受的光非常微弱，转换成的电流信号也非常微弱。为了弥补光强的衰减，信号放大电路必须大幅提高放大倍数，以便能将微弱的电流信号放大后送入ad转换器。因此，光电转换后的信号处理电路放大倍数非常高，输入电路变得非常灵敏。如果在运行过程中，光纤st接头脱落，环境光没有经过球面感光外壳和光纤的衰减直接照射到光敏元件，再经过高放大倍数的信号处理电路放大，将有可能造成弧光保护误动。目前，各个厂家为了防止误动事件发生，将未连接光纤的传感器输入st插头用黑色塑料帽盖住，遮挡环境光直接照射到光敏元件。但已经投运的传感器通道若出现光纤断裂或st接头因振动脱落甚至检修人员误拆除st接头，导致环境光直接照射到光敏元件，将很可能引起弧光保护误动。目前各厂家尚没有有效手段解决该问题。

2、传感器可靠性不够。

目前的传感器都采用单通道采集弧光信号的方式判断某处是否发生故障。一旦传感器任意一个环节出现错误，将有可能导致保护误动或者拒动。对于弧光保护来说，如果保护拒动，变压器后备过流保护会动作切除故障。但如果保护误动，将直接造成整条母线停电。因此，弧光保护误动造成的损失相对于拒动可能更严重。为了防止检修时的手电筒照射或其他环境光造成的弧光保护误动，紫外光型传感器只接收紫外光，可以有效防止干扰光造成的误动。但当光纤靠近光敏部分st接头脱落或光纤断裂时，因为紫外光型传感器紫外光滤片是安装在靠近球面感光外壳一端，环境光仍可以造成紫外光型传感器误动。可见光型传感器灵敏度相对于紫外光型更高，但也更容易受到干扰光的影响，很容易误动。目前所有厂家都采用单一光谱和单一通道来采集弧光，其可靠性普遍不够高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种中低压开关柜及其弧光保护方法、装置及应用方法和传感器，本发明在传感器光纤断裂或光纤接头掉落或人工拆除时容易引起弧光保护误动，具有抗干扰性强、可靠性高的优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种双通道多频谱弧光传感器，包括带有可见光输出光纤和紫外光输出光纤的球面感光体，所述可见光输出光纤和紫外光输出光纤位于球面感光体内的断面设于球面感光体的光线汇聚焦点上，且所述紫外光输出光纤的断面处带有紫外光滤片。

可选地，还包括光电转换器，所述光电转换器包括相互连接的光敏元件单元和信号处理单元，所述光敏元件单元的输入端分别与可见光输出光纤和紫外光输出光纤的输出端相连。

可选地，所述可见光输出光纤和紫外光输出光纤的端部均设有光纤接头，所述光敏元件单元带有两个接头母座，所述光纤接头各与一个接头母座插接连接。

可选地，所述接头母座上带有用于在未使用时封堵接头母座的黑色封堵帽。

可选地，所述光敏元件单元为将两个光敏元件封装一体的双窗口光敏元件，其中一个光敏元件的输入端与可见光输出光纤的光路连通，另一个光敏元件的输入端与紫外光输出光纤的光路连通。

本发明提供一种弧光保护方法，采集获取目标开关柜内的可见光信号和紫外光信号，判断采集得到的可见光信号和紫外光信号的强度超过预设门槛值是否同时成立，如果同时成立则判定发生弧光故障并输出跳闸保护信号。

本发明提供一种用于前述弧光保护方法的弧光保护装置，包括光信号采集单元、主控单元以及用于采集获取目标开关柜内的可见光信号和紫外光信号的弧光传感器单元，所述弧光传感器单元的输出端通过光信号采集单元和主控单元相连。

可选地，所述弧光传感器单元为前述的双通道多频谱弧光传感器。

可选地，所述光信号采集单元包括可见光采集模块、可见光信号处理模块、紫外光采集模块、紫外光信号处理模块以及ad转换模块，所述ad转换模块的输出端和主控单元相连，所述ad转换模块包括两路输入端，且一路输入端通过可见光信号处理模块、可见光采集模块和双通道多频谱弧光传感器的可见光输出端相连、另一路输入端通过紫外光信号处理模块、紫外光采集模块和双通道多频谱弧光传感器的可见光输出端相连。

可选地，所述主控单元被编程或配置以执行下述步骤：通过弧光传感器单元采集获取目标开关柜内的可见光信号和紫外光信号，判断采集得到的可见光信号和紫外光信号的强度超过预设门槛值是否同时成立，如果同时成立则判定发生弧光故障并输出跳闸保护信号。

本发明提供一种前述弧光保护装置的应用方法，包括进行弧光保护的步骤，所述进行弧光保护的详细步骤包括：通过弧光传感器单元采集获取目标开关柜内的可见光信号和紫外光信号，判断采集得到的可见光信号和紫外光信号的强度超过预设门槛值是否同时成立，如果同时成立则判定发生弧光故障并输出跳闸保护信号。

本发明提供一种前述弧光保护装置的应用方法，还包括通过主控单元进行弧光保护装置自检的步骤，详细步骤包括：通过自检光源向弧光传感器单元发出自检光，所述自检光中包含紫外光和可见光，所述自检光的强度小于短路弧光的强度使得自检光不会触发弧光保护装置的动作；主控单元通过弧光传感器单元采集获取目标开关柜内的可见光信号和紫外光信号，如果同时收到可见光信号和紫外光信号，则判定弧光保护装置自检通过；否则，如果未收到可见光信号则判定可见光通道故障，如果未收到紫外光信号则判定紫外光通道故障，如果同时未收到可见光信号和紫外光信号，则判定可见光通道和紫外光通道同时故障或者自检光源故障。

本发明提供一种中低压开关柜，包括中低压开关柜本体，所述中低压开关柜本体中设有前述的双通道多频谱弧光传感器，或者所述中低压开关柜本体中被编程或配置以执行所述弧光保护方法的步骤，或者所述中低压开关柜本体中设有所述的弧光保护装置，或者所述中低压开关柜本体被编程或配置以执行所述弧光保护装置的应用方法的步骤。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、传统的单通道弧光传感器因光的传输过程幅值大幅衰减，信号处理电路必须采用较高的放大倍数进行补偿，造成光纤接头脱落或其他原因环境光直接照射到光敏元件时保护误动，目前尚无有效方法解决该问题。本发明中低压开关柜及其弧光保护方法、装置及应用方法和传感器均本质上提供了可见光、紫外光两种频谱的检测或者保护动作触发功能，可见光、紫外光两种频谱信号进行对比，可以很好地解决光纤接头脱落或其他原因环境光直接照射到光敏元件时保护误动问题，这种多频谱的方式大大提高了保护动作的可靠性，当传感器受到手电筒等干扰光照射时，因紫外光通道不会动作，可以有效防止保护误动，在传感器光纤断裂或光纤接头掉落或人工拆除时容易引起弧光保护误动，具有抗干扰性强、可靠性高的优点。

2、弧光信号中的紫外光和可见光能更真实地反映弧光光谱能量，两种不同的光谱信号同时出错的概率极小，因此基于紫外光和可见光进行弧光保护具有更高的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例双通道多频谱弧光传感器的结构示意图。

图2为本发明实施例弧光保护方法的原理示意图。

图3为本发明实施例弧光保护装置的原理结构示意图。

图4为本发明实施例弧光保护装置的自检步骤示意图。

图5为本发明实施例弧光保护装置的自检和弧光保护一体的步骤示意图。

图例说明：1、球面感光体；11、可见光输出光纤；12、紫外光输出光纤；13、紫外光滤片；14、光纤接头；2、光电转换器；21、光敏元件单元；210、接头母座；22、信号处理单元；3、光信号采集单元；31、可见光采集模块；32、可见光信号处理模块；33、紫外光采集模块；34、紫外光信号处理模块；35、ad转换模块；4、主控单元；5、弧光传感器单元。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供一种双通道多频谱弧光传感器，包括带有可见光输出光纤11和紫外光输出光纤12的球面感光体1，可见光输出光纤11和紫外光输出光纤12位于球面感光体1内的断面设于球面感光体1的光线汇聚焦点上，且紫外光输出光纤12的断面处带有紫外光滤片13（紫外光滤片13能滤掉可见光，可以防止检修时手电筒和其他杂散光照射到紫外光通道）。本实施例的双通道多频谱弧光传感器提供了可见光、紫外光两种频谱的检测功能，这种多频谱的方式大大提高了保护动作的可靠性，当传感器受到手电筒等干扰光照射时，因紫外光通道不会动作，可以有效防止保护误动，本发明在传感器光纤断裂或光纤接头掉落或人工拆除时容易引起弧光保护误动，具有抗干扰性强、可靠性高的优点。球面感光体1提供了可见光、紫外光两种频谱的光路通道，一路光纤靠球面感光外壳端经过紫外光滤片13，另一路光纤不经任何滤片，两路光纤传输的光分别经两路独立的光电转换电路放大处理。只有紫外光通道采集的光信号和可见光通道采集的光信号幅度同时超过门槛值时才认为发生了弧光事故；否则，当只有一路通道采集到的光信号幅度超过门槛值时发出告警信号，提示运行人员检查设备是否异常，可以有效防止光纤接头脱落、光纤断裂、受到外部干扰光照射或通道元器件损坏等原因造成的保护误动。

球面感光体1用于收集弧光信号，将180度范围内照射的弧光聚焦到可见光输出光纤11和紫外光输出光纤12的光纤感光断面，保证光经过折射和反射后将主要能量集中到可见光输出光纤11和紫外光输出光纤12的光纤感光断面。

如图1所示，本实施例还包括光电转换器2，光电转换器2包括相互连接的光敏元件单元21和信号处理单元22，光敏元件单元21的输入端分别与可见光输出光纤11和紫外光输出光纤12的输出端相连。

本实施例中，可见光输出光纤11和紫外光输出光纤12的端部均设有光纤接头14，光敏元件单元21带有两个接头母座210，光纤接头14各与一个接头母座210插接连接。本实施例中，光纤接头14具体采用st接头，此外也可以根据需要采用其他类型的接头。

本实施例中，接头母座210上带有用于在未使用时封堵接头母座210的黑色封堵帽。外部环境光是可以透过接头母座210部分直接照射到光敏元件，因此，当通道未使用时接头要用黑色封堵帽封堵接头母座210，阻止环境光进入装置内部。

本实施例中，光敏元件单元21为将两个光敏元件封装一体的双窗口光敏元件，其中一个光敏元件的输入端与可见光输出光纤11的光路连通，另一个光敏元件的输入端与紫外光输出光纤12的光路连通。双窗口光敏元件为双输入、双输出结构，将两个接收窗口集成到一个封装的的玻璃外壳，并输出两路单独的信号，可以同时接收两路光信号，能过提高光敏元件单元21的集成度，减少光敏元件单元21的体积，能过防止对开关柜内器件造成干扰，便于开关柜内安装。此外，也可以根据需要将光敏元件单元21采用两路独立的光敏元件，同样也可以实现对可见光信号和紫外光信号的分别光敏检测。

如图2所示，本实施例提供一种弧光保护方法，采集获取目标开关柜内的可见光信号和紫外光信号，判断采集得到的可见光信号和紫外光信号的强度超过预设门槛值是否同时成立，如果同时成立则判定发生弧光故障并输出跳闸保护信号。当光纤接头靠近光敏元件部分脱落或其他原因造成干扰光直接照射到光敏元件时，因为只有一个通道采集到干扰光，弧光传感器能有效防止保护误动，并能进一步根据需要发出相应的告警信号，提示运行人员检查传感器的状态。

如图3所示，本实施例提供一种弧光保护装置，包括光信号采集单元3、主控单元4以及用于采集获取目标开关柜内的可见光信号和紫外光信号的弧光传感器单元5，弧光传感器单元5的输出端通过光信号采集单元3和主控单元4相连。本实施例的弧光保护装置同时采用紫外光和可见光，其中一个通道只采集紫外光，另外一个通道只采集可见光。当发生弧光事故时，只有同时采集到紫外光和可见光时保护才动作，这种多频谱的方式大大提高了保护动作的可靠性，当传感器受到手电筒等干扰光照射时，因紫外光通道不会动作，可以有效防止保护误动。本实施例中，弧光传感器单元5为前述的双通道多频谱弧光传感器，此外也可以基于前述弧光保护方法的原理采用独立的可见光传感器和紫外光传感器实现。

如图3所示，光信号采集单元3包括可见光采集模块31、可见光信号处理模块32、紫外光采集模块33、紫外光信号处理模块34以及ad转换模块35，ad转换模块35的输出端和主控单元4相连，ad转换模块35包括两路输入端，且一路输入端通过可见光信号处理模块32、可见光采集模块31和双通道多频谱弧光传感器的可见光输出端相连、另一路输入端通过紫外光信号处理模块34、紫外光采集模块33和双通道多频谱弧光传感器的可见光输出端相连。光敏元件单元21的两路光敏元件将光的强度信号转换成电阻阻值，并经有源电路转换成电流信号输出，输出信号经光信号采集单元3放大和ad转换，因为光经过球面探头和光纤传输，强度已经大大衰减，光信号采集单元3一般要设置很高的放大倍数，这也是目前传统单通道当光纤接头脱落，光敏元件受到环境光直接照射时容易误动的主要原因。

本实施例中，主控单元4被编程或配置以执行下述步骤：通过弧光传感器单元5采集获取目标开关柜内的可见光信号和紫外光信号，判断采集得到的可见光信号和紫外光信号的强度超过预设门槛值是否同时成立，如果同时成立则判定发生弧光故障并输出跳闸保护信号。本实施例中，当其中一路光纤接收到超过门槛值强度的光信号时，主控单元4查询另外一路光纤是否接受到超过门槛值的光信号。如果两路通道都接收到强光，则认为发生了弧光事故。否则，本实施例中主控单元4还可进一步发出告警信号，提示运行人员传感器故障，故障原因可能是st接头脱落、光纤断裂、受到外部干扰光照射或通道元器件损坏等。

如图2所示，本实施例提供一种前述弧光保护装置的应用方法，包括进行弧光保护的步骤，进行弧光保护的详细步骤包括：通过弧光传感器单元5采集获取目标开关柜内的可见光信号和紫外光信号，判断采集得到的可见光信号和紫外光信号的强度超过预设门槛值是否同时成立，如果同时成立则判定发生弧光故障并输出跳闸保护信号。如果仅仅一个通道的强度超过预设门槛值，则判定为干扰光信号，并发出告警信号。毫无疑问，执行弧光保护的主体可以根据需要选择主控单元4或者与其它计算机设备，例如上位机、或者智能终端设备、或者服务器等具备计算能力的设备。

如图4所示，本实施例提供一种前述弧光保护装置的应用方法，还包括通过主控单元4进行弧光保护装置自检的步骤，便于快速定位故障，详细步骤包括：通过自检光源向弧光传感器单元5发出自检光，所述自检光中包含紫外光和可见光，所述自检光的强度小于短路弧光的强度使得自检光不会触发弧光保护装置的动作；主控单元4通过弧光传感器单元5采集获取目标开关柜内的可见光信号和紫外光信号，如果同时收到可见光信号和紫外光信号，则判定弧光保护装置自检通过；否则，如果未收到可见光信号则判定可见光通道故障，如果未收到紫外光信号则判定紫外光通道故障，如果同时未收到可见光信号和紫外光信号，则判定可见光通道和紫外光通道同时故障或者自检光源故障。如果没有收到信号，可能的原因有光纤断裂、自检光源损坏、光敏元件失效、信号处理单元故障等等，以上三种情况都提示维护人员检查传感器是否出现故障，并且闭锁弧光保护出口。

如图5所示，主控单元4还可以根据需要将自检和弧光保护功能进行集成为一体，可见光通道和紫外光通道一个为通道1、另一个为通道2为例，实施步骤包括：s1）接收光信号，通道1判断是否收到信号。如果收到信号，跳转执行步骤s2）。如果没有收到信号，可能的原因有光纤断裂、自检光源损坏、光敏元件失效、信号处理单元故障等等。继续判断通道2是否收到信号，如果通道2收到信号，不考虑两个通道同时发生故障的情况下，可以判断通道1发生了故障，发出通道1故障告警信号，提醒检修人员及时检查上述可能出现的故障，确保弧光保护工作在正常工作状态。如果通道2也没收到信号，则判断自检光源出错，发自检光源故障告警信号；s2）判断接收光信号是否超过门槛值，如果超过门槛值，跳转执行步骤s3）。如果没有超过门槛值，这时通道1接收的可能是自检光源发出的光，如果通道1是紫外光通道，接收的紫外光是自检光。如果通道1是可见光通道，接收的光可能是自检光，也可能是干扰光等。两种情况都可以判断通道1正常。s3）如果通道1接收的信号超过门槛值，继续判断通道2接收光信号是否超过门槛值，如果通道2接收光信号也超过门槛值。说明保护装置同时检测到幅度较强的紫外光和可见光，两个通道同时出错的概率可以忽略不计，可以判断发生弧光事故，弧光保护结合电流判据立即做出跳闸或告警动作。如果通道2接收光信号没有超过门槛值，则判断通道1接收的是干扰光，保护装置闭锁不动作，同时发出告警信号，提醒运行人员检查，及时排除故障隐患。出现这种情况的可能的原因是检修手电筒照射、光纤接头脱落或其他原因造成的环境光直接照射到通道1的光敏元件。需要特别说明的一点是：即使是紫外光通道，虽然可以滤除掉手电筒等可见光干扰光源的照射。但当光纤接头脱落或光纤断裂，因为此时紫外光滤片已经不起作用了，干扰光源直接照射到装置内部时，保护仍可能误动。通道2的检测逻辑同通道1，不再重复描述。

此外，本实施例提供一种中低压开关柜，包括中低压开关柜本体，中低压开关柜本体中设有前述的双通道多频谱弧光传感器，或者中低压开关柜本体中被编程或配置以执行前述弧光保护方法的步骤，或者中低压开关柜本体中设有前述的弧光保护装置，或者中低压开关柜本体被编程或配置以执行前述弧光保护装置的应用方法的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。