专利名称：开关柜中内部电弧故障的检测保护装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种开关柜中内部电弧故障的检测保护装置。
背景技术：
近年来，国外开发出了电弧光保护系统，如德国Moeiier公司用于低压开关柜的故障电弧保护系统ARCON，ABB的ARC Guard System故障电弧保护系统，以及Vaasa电子公司的用于中、低压开关柜的故障电弧保护系统VAMP等。这些系统是基于检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，这为限制电弧故障损坏提供了一种有效的解决方案。采用这种方案的保护范围，是通过布置弧光传感器的物理位置来实现的，因此其覆盖范围在开关柜内是不受限制的。此外，有些保护系统还能提供故障定位信息，这一信息对于尽快找到故障点进行维修，尽快恢复供电时至关重要。
自90年代以来，国外越来越多的电力和工业用户认识到电弧故障的危害，在开关柜中采用了上述这些装置或系统。但是这些装置或系统结构复杂、价格高而影响了其推广使用。
实用新型内容本实用新型的目的是在总结国内外在电弧检测装置方面一些最新成果的基础上，设计出一种经济、实用、结构简单、检测范围大、灵敏度调节灵活、抗干扰性强、动作快、可靠性高、成本低的开关柜中内部电弧故障的检测保护装置。
实现上述目的开关柜中内部电弧故障的检测保护装置，包括光纤探头连于弧光信号检测电路，弧光信号检测电路的输出经故障分析单元得出的故障参数一路直接送入继电保护装置，另一路经传感器参数优化后再送入继电保护装置，电流互感器连于电流检测单元，电流检测单元的输出连于故障分析单元。
本实用新型的开关柜中内部电弧故障的检测保护装置具有抗干扰性强、动作快、灵敏度高、测量范围大、可靠性好，与小型可编程控制器EASY、数字式继电保护装置PA100、PA200等配合使用，能有效地测检到开关柜内部的电弧故障，快速切除电弧，确保电力系统的安全。
弧光信号检测单元设计的主要目的是将由光纤探头采集并由光纤传递过来的弧光信号转换成可进行控制和处理的电信号，再用电信号控制继电保护装置的动作。图2为弧光信号的采集与处理电路原理图。此电路的组成是，光电二极管负极分成两路，一路直接连于运算放大器输入正端，另一路经采集模块和电阻与运算放大器输入负端相连，运算放大器输出端经电阻连于与继电保护装置相连的电压比较器。
弧光信号由光电二极管转换为电流信号，在采样模块AR1的作用下，变成电压信号输入到运算放大器A1的同向输入端，经过放大，送入到比较器SPR中与实验确定的电压进行比较，得到一个开关信号，最后将此信号送给继电保护装置RELAY控制断路器的开断动作。
图2中的AR1为信号采集电路中的采样模块，在燃弧电流不变的情况下，适当改变它的参数就可以提高采样端的采样电压，相应的提高了弧光传感器的灵敏度；在燃弧电流改变的情况下，弧光强度发生变化，光敏二极管输出电流也随之改变，此时同样可以通过调节采样模块的参数来提高采样端的采样电压，达到提高弧光传感器灵敏度的目的。
图2中使用的运算放大器A1，主要作用并不是为了放大采样电压，而是为了提高采集卡的输入阻抗，降低输出阻抗，提高传感器的干扰能力。
运算放大器输出的电压信号通过比较器与分压电路设定的电压值进行比较，超过设定的比较电压的信号将被作为故障信号，由比较器的输出端口送入到继电保护模块中。燃弧电流的大小不同，比较电压值的大小也不一样，需要通过实验确定。原则上为了达到要求的检测灵敏度，比较电压需要尽量小，但是又必须保证不出现误判现象，这就需要在大量的实验中找到合适的值。通过调节分压电路的阻值，就可以改变比较电压的大小，从而改变弧光检测装置的灵敏度。
弧光传感器将和Easy和PA100等继电保护装置配合使用，因此需要考虑传感器和继电保护装置的接口问题。以8路检测单元为例，附加编码器(CD4532B)和多路数据选择器(MUX，SN74LS251)，实现唯一的且为故障的信号输出。其原理如图3所示。
图中S0-S7是比较器输出的8路检测信号，同时输入到优先编码器和多路选择器中，分别进行检测信号的地址编码和选择输出。优先编码器的作用是将输入信号按优先级顺序进行编码，输出故障信号的地址给多路选择器的地址输入端(A、B、C)。多路选择器在其输入端的8路检测信号中选择故障信号输出，而且它的输出决定于其地址输入端的值，优先编码器送给地址输入端故障信号的地址，保证了最终在8路检测信号中确实是故障信号输出。
为了维修方便，还考虑了故障电弧的定位问题。每套弧光保护装置由多个检测
图1是开关柜中内部电弧故障的检测保护装置组成框图。
图2是弧光信号采用与处理电路原理图。
图3是编码器和多路选择器连接方式示意图。
图4是故障定位显示电路原理图。
图1中符号名称EASY——小型可编程控制器；PA100、PA200——数字式继电保护装置。图2中符号名称PHOTO——光电二极管；ARI——电弧信号采集模块；A1——运算放大器；SPR——比较器；RELAY——继电保护装置。
具体实施方式
由图1可知，本实用新型的开关柜中内电弧故障的检测保护装置由光纤探头、弧光信号检测单元、电流互感器、电流检测单元和故障分析单元组成。光纤探头将采集到的光信号送至弧光信号检测单元，经弧光信号检测单元的处理送至故障分析单元；同时电流互感器检测的电弧短路电流经过电流检测单元的处理送至故障分析单元。故障分析单元将电弧故障弧光信号和短路电流信号进行数据处理、判断，发出脱扣信号，使故障电弧的上游断路器分闸。
故障电弧会在开关柜内产生很强的压力、燃烧和辐射效应。传统的弧光探测传感器大多是直接将光电转换器件置于工作现场，然后通过信号传输线将由转换过来的电信号传送至上级处理单元。这种工作方式在大多数场合都是适用的。但由于开关柜内发生电弧故障时将使内部压力迅速上升，同时将产生强烈的磁效应、电效应、光效应和热效应等强干扰，电平很低的控制信号很难保证还能按系统保护要求的那样正常工作。而一旦由于强干扰而使弧光检测单元送出的控制信号失效，致使上级处理单元误动作，其结果都是难以想象的。
为了提高系统在恶劣环境中的工作能力，采用带金属套管的光纤探头作为开关柜内的感光器件，并由光纤将故障电弧光传送至开关柜内的低压控制隔室。利用光纤的强抗干扰能力，使弧光信号可以非常可靠地传至光敏器件端。光敏器件及后续的处理电路都放置于干扰相对较小的低压控制隔室。
这样与传统的直接将光电探测器放置于开关柜中的设计方法相比，本装置减少了弱电控制信号的传输距离，并大大改善了弧光传感器的工作环境，它具有抗干扰能力强、结构简单、成本较低、易于安装等特点。
光纤探头的具体组成是，在圆柱体形纤芯外层环绕一层圆柱形套层，最外层由护套包覆，两端装有便于安装固定的金属套管。为了提高传感器检测弧光的精确度，减少光纤中弧光信号的衰减，本实用新型采用石英玻璃光纤。单元组成，将每个检测单元的光纤探头分别放置于开关柜的不同位置。仍以8路检测单元为例，将8路检测单元进行S0-S7的编号，编码器输出的故障电弧的地址用译码器配合数码管显示出数字或符号，从这个数字或符号就可以轻松的判断故障信号来自哪个检测单元，从而了解到故障电弧发生在开关柜的哪个位置。二极管每位最多可以显示16个不同的数字或字母，所以每套弧光传感器最多可以有16个检测单元。无论哪一个检测单元发生了电弧故障，从二极管中的数字都可以直接判断出来，继而进行检修。8路检测的故障定位显示电路如图4所示。
图中译码器的作用是将编码器输出的故障地址的3位编码译成8位，逐位驱动数码管各位，控制数码管各位的点亮。值得一提的是，用编码器的输出GS控制译码器的LT位，使得在无故障出现时，数码管各位全亮，即显示“8”，任何一路有故障时，就显示0-7的一个数字，从而将有和无故障状态的显示区分开来。数码管显示的数字时刻随输入的地址值而变化，故障出现后为了避免由于电弧的消失导致的数码管显示清0，在显示电路中增加了地址锁存器。锁存器的作用是保证故障地址显示持续、稳定，它的闭锁使能端(CLK)由编码器的输出E0控制，确保任何一路出现故障，其地址都能够安全的保存在锁存器中，从而使故障定位准确、可靠。本电路中编码单元的扩展(如将8位扩展到16位)会使检测单元数量再次增加，使检测范围更广，从而对开关设备的保护更充分。
综上所述，本套电弧光检测装置可以实现在多路检测信号中准确地选择故障信号输出，使检测单元的数量不受继电保护模块端口数量的限制。比较已有的弧光保护装置，本装置具有故障信号判断准确，检测范围大，维修方便等特点。
权利要求1.一种开关柜中内部电弧故障的检测保护装置，其特征在于，包括光纤探头连于弧光信号检测电路，弧光信号检测电路的输出连于与继电保护装置相连的故障分析单元，检测电弧短路电流的电流互感器连于电流检测单元，电流检测单元的输出连于故障分析单元。
2.根据权利要求1所述的开关柜中内部电弧故障的检测保护装置，其特征在于，光纤探头的组成是，在圆柱体形纤芯外层环绕一层圆柱形套层，在圆柱形套层上再包覆一层护套，两端装有便于安装固定的金属套管。
3.根据权利要求1或2所述的开关柜中内部电弧故障的检测保护装置其特征在于弧光信号采集与处理电路包括光电二极管负极分两路，一路直接连于运算放大器(A1)输入正端，另一路经采集模块(AR1)和电阻与运算放大器(A1)输入负端相连，运算放大器(A1)的输出端经电阻连于与继电器保护装置相连的电压比较器(SPR)。
专利摘要一种涉及开关柜中内部电弧故障的检测保护装置，包括光纤探头，弧光信号检测电路，电流互感器、电流检测单元和故障分析单元。光纤探头将采集到的弧光信号送至弧光信号检测电路处理后送至故障分析单元；同时由电流互感器检测到的电弧短路电流经电流检测单元输至故障分析单元。故障分析单元将电弧故障弧光信号和短路电流信号进行数据处理、判断，发出脱扣信号，使故障电弧的上游断路器分闸。本装置与现有技术相比，具有抗干扰能力强，检测范围大，响应时短，只需5ms，可靠性高，结构简单，成本低等特点。
文档编号H02H7/22GK2689428SQ20042002591
公开日2005年3月30日 申请日期2004年4月1日 优先权日2004年4月1日
发明者蔡彬, 吴锐, 王鑫伟, 高冬梅 申请人:江苏长江电气集团有限公司