一种弧光保护装置及其故障诊断方法与流程

本发明关系二次保护设备领域，尤其涉及一种弧光短路时采用的一种弧光保护装置及其故障诊断方法。

背景技术：

随着电网的快速发展，110kV及以上电压等级均已有比较成熟的保护措施，6kV(10kV)到35kV这个电压等级范围内厂用中压配电开关柜为全厂辅机/供电系统的供电枢纽，在发生内部故障时是否能迅速切除故障，对全厂(变电站)配电系统的安全运行至关重要，但是按目前的保护方案：在电力系统中，35kV及以下电压等级的母线由于没有稳定问题，一般未装设母线保护。然而，由于中低压母线上的出线多，操作频繁，三相导体线间距离与大地的距离比较近，容易受小动物危害，设备制造质量比高压设备差，设备绝缘老化和机械磨损，运行条件恶劣，系统运行条件改变，人为和操作错误等原因，中低压母线的故障几率比高压、超高压母线高得多。但长期以来，人们对中低压母线的保护一直不够重视，大多采用带有较大延时的后备保护来切除母线上的故障，往往使故障被发展、扩大。

鉴于中压母线的重要地位，任何故障的延时切除，都是我们极为不愿意看到的现状，因为开关柜内的电弧光发生时产生的高温、高压、弧光、振动、爆破音给开关柜等相关设备造成严重的损伤，甚至波及到变压器，造成变压器的烧毁，严重危及人身的安全，从而造成巨大的经济损失。如2009年安徽电力公司某供电局220kV变电站35kV开关柜误操作电弧光事故造成一人死亡；2009年重庆某电厂厂用电进线柜电流互感器绝缘电弧光故障造成停机及厂用变压器返厂维修；2011年云南电网公司“2.24”事故，怒江供电局某变电站因电弧光事故造成一人死亡。

由于多年运行表明中低压配电柜内部弧光保护对人身及设备带来极大的损害，各国电力专家开始对电弧光故障进行研究及认识。国际电工委员会IEC修订了其IEC60298-2003标准了中压开关柜内部电弧光故障产生的原因、解决方案及测试方法，加拿大电力和电子制造商协会(EEMAC)制定了在内部弧光故障的条件下金属铠装开关柜电阻的测试规则，美国出版了IEEE C37.20.7中压金属铠装开关柜内部弧光故障的测试导则。此外美国在电力职业安全生产方面针对电弧光弧闪事故建立了相关标准和要求，美国国家防火协会(NFPA),作为美国国家电力规范(NBC)的一个补充，制定了NFPA 70E-2004职业电力安全要求标准。国内根据IEC60298-2003标准制定我国现有标准GB 3906-2006《3.6kV～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》，定义了内部电弧级开关设备和控制设备(IAC)，其内部故障电弧试验规定为必做的型式试验。

近年来由于对内部故障电弧特征参数的不断了解，中压开关柜相关新标准对防弧光故障要求的不断提高，国内一些专家一直强调装设专用中低压母线保护的重要性，用户也希望可以提供一种造价偏低，原理简单，适用于6-35kV的母线保护，以最大限度减小母线故障对设备的损害，提供供电可靠性，作为最快速度的专用母线弧光保护系统应运而生，它不仅能很好地应用于新装开关柜里也能方便地加装到已运行的开关柜中，其目标就是在第一时间里切除弧光故障使人身伤亡及设备损害降至最低，与其他专用母线保护相比有价格优势。

目前市面上大多为电流和光学探头作为弧光保护装置的检测探头，但该探头弧光难以校验，进而确定其光学准确度。

技术实现要素：

本发明的目的正是为了克服上述现有技术存在的缺陷借鉴现有弧光保护装置的优点，克服弧光探头难以校验的缺点提出一种弧光保护装置及其故障诊断方法，其技术方案如下：

一种弧光保护装置，本发明特征在于：包括弧光保护主控单元，电学探头和温度探头，电学探头为电压探头或电流探头，用于检测弧光电信号信息，为弧光短路产生的电压信号或电流信号，温度探头为采用光纤测温探头，主要检测母线或主要电气设备的温度信号，电学探头和温度探头直接连接到弧光保护主控单元，主控单元经过分析、计算、处理等操作给出跳闸信号。

本发明电学探头优选为电流探头，温度探头优选为带状光纤测温探头。

本发明光纤测温探头通过缠绕在重点设备周围或开关柜母线上。

本发明测温探头用于检测温度数值，其探头与被测设备距离r小于40cm。

本发明测温探头检测温度数值，当探头与被测设备距离为a，温度数值则为：正对距离为r，面积为(pi*r³/a)区域的平均温度。

1、本发明a取值范围为(15-30)cm，优选为20cm。

一种根据上述弧光保护装置在弧光保护动作过程中的故障诊断方法，本发明特征在于：采用电学探头满足电学信号阈值条件，采用温度探头满足阈值条件，两者取“与”操作，然后通过定时器的延时，弧光保护装置方可进行动作，当电学探头采用电压探头时，电压信号阈值为：额定电压有效值的(120-150)％，采用电流探头时，电流信号阈值为：电流工频信号与(3-25)次奇数谐波合成有效值的(120-200)％，温度信号阈值为：设备可持续运行最高温度的(120-150)％。

本发明定时器的延时时间为(200-500)ms。

本发明所达到的有益效果是：本发明主要考虑早期发现设备电弧放电类故障，出现温度异常后，也表明设备存在隐患，而不仅仅限于弧光判据。

本发明提出一种可以在弧光故障刚发生时有效进行监测、处理的弧光保护方法。在弧光还没有产生，仅仅温度升高时即可动作，可以有效保护附近工作人员免遭电弧光对人身的伤害，保护中低压设备免受严重破坏、防止火灾发生；保护主变压器或者厂用变压器免受严重冲击而损坏；防止波及占用直流系统，造成巨大的经济损失；最大限度地减小用户的停电时间(用户停电恢复时间，由原来的几个星期或几天减少至几个小时以内)，延长现有开关相关设备的使用寿命。

附图说明

图1为弧光保护装置结构示意图；

图2为弧光故障诊断方法示意图；

图3为单母分段时温度传感器配置示意图。

具体实施方式

见图1，一种弧光保护装置，本发明特征在于：包括弧光保护主控单元，电学探头和温度探头，电学探头为电压探头或电流探头，用于检测弧光电信号信息，为弧光短路产生的电压信号或电流信号，温度探头为采用光纤测温探头，主要检测母线或主要电气设备的温度信号，电学探头和温度探头直接连接到弧光保护主控单元，主控单元经过分析、计算、处理等操作给出跳闸信号。

本发明电学探头优选为电流探头，温度探头优选为带状光纤测温探头。

本发明光纤测温探头通过缠绕在重点设备周围或开关柜母线上。

本发明测温探头用于检测温度数值，其探头与被测设备距离r小于40cm。

本发明测温探头检测温度数值，当探头与被测设备距离为r，温度数值则为：正对距离为a，面积为(pi*r³/a)区域的平均温度。a取值范围为(15-30)cm，优选为20cm。

见图2，图3，一种根据上述弧光保护装置在弧光保护动作过程中的故障诊断方法，本发明特征在于：采用电学探头满足电学信号阈值条件，采用温度探头满足阈值条件，两者取“与”操作，然后通过定时器的延时，弧光保护装置方可进行动作，当电学探头采用电压探头时，电压信号阈值为：额定电压有效值的(120-150)％，采用电流探头时，电流信号阈值为：电流工频信号与(3-25)次奇数谐波合成有效值的(120-200)％，温度信号阈值为：设备可持续运行最高温度的(120-150)％。

本发明定时器的延时时间为(200-500)ms。

一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。辐射能量的大小按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身发出的红外能量的测量，便能准确地测出它的表面温度。光纤测温仪能接收多种物体自身发射出的不可见辐射能量。辐射是电磁频谱的一部分。当仪器测温时，被测物体发射出的红外辐射能量，通过测温仪的光学系统在探测器上转为电信号，并通过光纤测温仪的显示部分显示出被测物体的表面温度。

光纤测温仪特点：非接触式测量，测温范围广，响应速度快，灵敏度高。但由于受被测对象的发射率影响，几乎不可能测到被测对象的真实温度，测量的是表面温度。光纤测温确保测温精度最重要的因素是发射率，到光斑的距离、光斑的位置，视场。

(1)所有的物体都会反射、透过(对于不透明的材料透射率为0)和发射能量，但只有发射的能量能指示物体温度，当光纤测温仪测量表面温度时，仪器能接收到所有这三种能量，因此测温仪必须调节为能读出发射的能量，测量误差通常由其他光源反射的能量引起的。有些测温仪可以改变发射率，测温时应尽可能地设置成与被测材料相同的发射率值，尽可能使测量示值与被测物的真实温度一致。而大多数仪器的发射率固定予置为0.95，该发射率的温度计对于大多数有机材料、油漆或氧化表面的表面温度进行测量时就要用一种黑胶带或平光黑漆涂于被测表面加以补偿。使黑胶带或黑漆达到与基底材料相同温度时，测量胶带或漆表面的温度，即为真实温度。

(2)距离与光斑之比(D：S)，光学分辨率定义为仪器到物体的距离与被测光斑尺寸之比(D：S)。比值越大，仪器的分辨率越好，且被测光斑尺寸也就越小。光纤测温仪的光学系统从圆形测量光斑收集能量并聚焦在探测器上。注意：激光瞄准只有用以帮助瞄准在测量点上，在本发明中即为r与a的数值。

(3)视场，确保目标大于仪器测量时的光斑尺寸，目标越小，就应离它越近，当精度特别重要时，要确保目标至少2倍于光斑尺寸。为了保证检定时设备温度的精确测温还应注意以下事项：

(1)为了准确测温，将光纤对准辐射源靶面的靶心，保证安排好距离和光斑尺寸之比视场，读出温度数据。

(2)不能透过玻璃进行测温，玻璃有很特殊的反射和透过特性。

(3)注意环境条件：水蒸汽、灰尘、烟雾、二氧化碳等中间介质。它会影响精确测温。

弧光保护装置一般用于中低压空气绝缘开关柜，可作为母线的快速保护。也可作为开关柜内短路故障的保护，如开关柜的开关室和电缆室。弧光保护装置建议按母线段配置，即每段母线配置一台主机(主单元)、满足该段母线温度监视点接入数量要求的若干台从机(扩展单元)，以及分散布置的温度传感器。

根据工程实际情况(母线长度、开关柜内体积和结构，以及监视范围，方便检修等)，建议对弧光保护装置进行灵活配置。

弧光保护装置应采用合理逻辑实现分区域选择性跳闸，但在动作的过程中，需要考虑死区保护，如若变压器CT安装在断路器上方时，需要考虑CT与断路器之间发生故障时的死区保护，母联开关处于合位时，需要考虑故障发生在母联开关与母联开关CT之间时的死区保护。

如图1所示，弧光保护装置包括电学探头和温度探头，一般情况下弧光短路产生早期会有温度升高现象，当发生时有电流和电压信号的急剧波动变化，本发明就是依据这样的物理现象发明的。

如图2所示，弧光保护装置保护原理和目前市面上厂家的电流和弧光探头的原理基本一致，区别在于检测的信号量、影响因素、条件等均不一样。本专利主要判据基于温度参量而不是弧光参量。

如图3所示，重点介绍下带状温度传感器、点状温度传感器、电流检测单元同时配置的情况下，弧光保护装置的故障判断方法，以单母分段为例，带状温度传感器监测两段母线温度情况，点状温度传感器监测两段母线各出线触头处温度情况，单母线分段主接线方式如图3所示，弧光保护装置还需要接入分段开关3DL的跳位，以及通过“跳分段开关”出口跳开3DL。

在母线分段主接线方式下，母线有三种供电方式，即：分段开关3DL合，母线I段和母线II段均由进线1供电；分段开关3DL合，母线I段和母线II段均由进线2供电；分段开关3DL分，母线I段由进线1供电，母线II段由进线2供电。弧光保护需要同时考虑以上三种供电方式，建议的保护逻辑如下：母线I段检测到温度超标，进线1过流或进线2过流且分段开关非跳位，则跳开进线1和分段开关；母线II段检测到温度超标，进线2过流或进线1过流且分段开关非跳位，则跳开进线2和分段开关。