一种集成式高速电弧光采集保护装置及采集分析控制系统的制作方法

[0001]
本发明属于电弧检测及故障保护技术领域，特别是涉及一种集成式高速电弧光采集保护装置及采集分析控制系统。


背景技术：

[0002]
近年来，随着我国电力工业的发展，开关柜的应用数量也越来越多，由于开关柜弧光短路引起的母线故障也日益增加。开关柜内部弧光短路故障是配电系统中一种非常严重的故障，它的发生往往会造成灾难性的后果，其内部电弧燃烧释放的巨大能量所产生的各种故障电弧效应，严重烧毁昂贵的开关设备，短路电流冲击可损坏主变压器，造成长时间停电。更严重的是，它还会造成附近工作人员的人身伤亡事故。
[0003]
而针对开关柜的电弧检测方式中，很多都是直接采用弧光传感方式对开关柜内产生的电弧进行判断，这种方式明显在实际的开关柜使用过程中存在一定的误判性。又或者存在采用监测实时电流的方式进行电弧产生与否的判断，而采用电流监测方式，一般都是在回路中添加电流互感器，电流互感器在回路正常导通时本身就存在电流，一些大型设备在启动瞬间，回路中的电流容易突变，导致电流互感器的电流判断失误，即使结合光信号判断，也会存在较大的误判概率。
[0004]
而针对现有弧光监测方式存在的误判性，电力系统中采用一些远程后台辅助判断，但是在信号来回传递过程中，耽搁的时间较长，会对电弧产生后的跳闸效率产生影响。
[0005]
现存在以下几种开关柜电弧检测、保护方式：
[0006]
第一、变压器后备过流保护方案。这是目前国内应用最广泛的中压母线保护方案。由于主变后备保护动作时限必须与出线及分段开关的过流保护按阶梯原则配合以提供选择性，因而采用这种保护方案的母线故障的切除时间比较长，保护跳闸时间一般整定为1.5-2.0s,有的甚至长达2.0-2.6s。显然它远不能满足在100ms内快速切除中压母线故障的要求。
[0007]
第二、馈线过流保护闭锁变压器过流保护方案。这是随着近年来微机过流保护在中压馈线的广泛应用，国外提出的利用馈线过流元件闭锁变压器过流保护的所谓过流闭锁式中压母线保护方案。这种保护方案的动作速度有了一定的提高，达到300-400ms，但它仍不能满足100ms切除中低压母线故障的要求。
[0008]
第三、采用环流原理的高阻抗母线保护方案。这是一种专用电流差动中压母线保护方案，在国外某些重要项目中有时采用。该保护的典型动作时间为35ms-60ms，这比上述两种方案快，总的故障清除时间大约在100ms左右，基本上满足动作快速性的要求。但这种保护方案的保护范围由于受到ct安装位置的限制而使保护范围受到限制，不能保护到电缆室的电缆接头部分，而该处却是故障概率较高的地方。此外，这种保护方案由于接线复杂，对ct的要求高，不能提供故障定位，并且安装在6-35kv母线上有很多困难，也很不经济等原因，因而也不适合中低压母线保护应用。
[0009]
以上所述的三种中低压母线保护方案，均不能满足快速切除故障或保护覆盖范围
的要求，迫切需要采用一种快速的，经济而适用性强的新型中低压母线保护系统，以解决中低压母线发生故障概率较高，延迟切除故障导致故障发展，扩大，从而造成巨大经济损失问题。
[0010]
而电弧保护的目的，是在发生电弧故障时通过限制电弧燃烧时间来保护附近工作人员及设备；为此，电弧保护首先必须检测故障电弧，然后才能切断流过的故障电流。在中低开关柜内部故障保护中，一般是通过跳开断路器来切除故障使故障电弧熄灭的。
[0011]
综上总结，针对电网开关柜内的电弧进行精准化的检测，进一步降低除电弧光以外的信号干扰率，并且在极短的时间内自动切除故障，成为亟需解决的问题。


技术实现要素：

[0012]
本发明的目的在于提供一种集成式高速电弧光采集保护装置及采集分析控制系统，通过在电弧发生的瞬间，采用声光磁进行多维度、多指标采集，经过多重分析判断，智能判断电弧是否发生，在保持灵敏度的同时有效杜绝误报，从而高效精准的进行电弧故障切除操作。
[0013]
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0014]
本发明中涉及到的名词解释：
[0015]
通性电磁波波段：指电弧发生时，不论电弧的强弱，电弧所产生的电磁波谱变化波动不大，有着共同的电磁波段区间。
[0016]
氧化铝材质板：氧化铝材质板具有耐高温、对电磁波阻挡吸收率较低，提高本发明中对电磁波的获取精准性。
[0017]
本发明为一种集成式高速电弧光采集保护装置，包括开关柜体、采集装置部分，采集装置部分中：开关柜体内配合装设有非接触式电弧检测装置；非接触式电弧检测装置的一侧设有第一底侧板、第一上侧板；非接触式电弧检测装置上设有位于第一底侧板、第一上侧板组合体内部的声波采集探头；非接触式电弧检测装置的一侧设有光敏采集盒；光敏采集盒内装设有内侧光敏机构；非接触式电弧检测装置上设有位于第一上侧板与光敏采集盒之间的氧化铝材质的第二防护安装板；第二防护安装板的内侧安装有若干级别的电磁波信号天线。
[0018]
作为本发明的一种优选技术方案，第二防护安装板采用氧化铝材质板。
[0019]
作为本发明的一种优选技术方案，第一上侧板为折形板块，第一上侧板的外端折形板块与第一底侧板之间形成广口式开口；第一底侧板、第一上侧板的内侧面嵌设有光面材料反射板；声波采集探头上设置有用于捕获声波信号的电容性咪头。
[0020]
作为本发明的一种优选技术方案，光敏采集盒的一侧设有用于防护内侧光敏机构的第一透明玻璃板；内侧光敏机构上设有光敏二极管；若干级别的电磁波信号天线的电磁波信号接收区间连续。
[0021]
一种集成式高速电弧光采集分析控制系统，采集分析系统部分中：
[0022]
电弧产生所发出的声波传输至声波采集探头，声波采集探头将接收到的信号传输至mcu处理器中；电弧产生所发出的可见光，由内侧光敏机构进行采集，并将采集到的光敏信号传输至mcu处理器中。
[0023]
声波采集探头在对电弧产生的声波进行采集时，对相应区间内声波进行采集，定
义所要采集的电弧动作声波区间为[c，d]hz；内侧光敏机构在对电弧产生的可见光进行采集时，对相应区间内的可见光进行采集，定义所要采集的电弧产生的可见光谱区间为[a，b]nm。
[0024]
电弧产生所发出的电磁波，穿透氧化铝材质的第二防护安装板，电磁波信号天线接收到电弧产生的通性电磁波波段；电磁波信号天线对电弧电弧产生的电磁波进行采集时，对相应区间内的电磁波进行采集，定义所要采集的电磁波采集区间为[e，f]mhz。
[0025]
采集分析系统内对电弧电磁波信号进行采集时，若干级别的电磁波信号天线进行连续区间的监测，当若干级别的电磁波信号天线同时获取到的对应的电磁波信号，判定电弧电磁波信号触发。
[0026]
mcu处理器对光谱信号、声音信号、电磁波信号进行同步化的获取分析，对三种信号同时触发的状态进行电弧故障确定状态输出，并驱动高速继电器切断电弧故障；对三种信号中存在光谱信号、电磁波信号的同步触发或声音信号与电磁波信号的同步触发状态进行电弧风险警告状态输出，并驱动报警器进行同步高危警报，并将控制系统切换至回路待切断状态；对三种信号中存在光谱信号、声音信号的同步触发进行电弧风险提示输出。
[0027]
作为本发明的一种优选技术方案，若干级别的电磁波信号天线进行电磁波采集区间[e，f]mhz属于电弧产生时所发出的通性电磁波波段频率范围内；设电弧产生时所发出的通性电磁波波段频率范围为[j，k]mhz，则存在[e，f]∈[j，k]。
[0028]
作为本发明的一种优选技术方案，电弧电磁波信号采集系统中，每个电磁波信号天线都配合连接有电磁波信号捕获输入模块、信号差分采集模块和信号放大输出模块；若干个信号放大输出模块输出的独立化信号共同传输至与逻辑模块，满足与逻辑关系并输出信号至mcu处理器，mcu处理器对信号进行处理后，结合光谱信号、声音信号的状态，对应驱动高速继电器或警告器或风险提示器。
[0029]
本发明具有以下有益效果：
[0030]
1、本发明通过在电弧发生的瞬间，采用声光磁进行多维度、多指标采集，经过多重分析判断，智能判断电弧是否发生，在保持灵敏度的同时有效杜绝误报，从而高效精准的进行电弧故障切除操作；
[0031]
2、本发明采用现场检测、现场分析、现场切除的操作方式，实现现场单机化独立操作，无需远程信号来回传输控制，故障切除时间大大减少，从而在电弧故障蔓延前切除电弧故障；
[0032]
3、本发明中对电弧产生的电磁波段进行通性采集，设置若干根连续电磁波捕获区间的天线进行多重性电磁波信号捕获，在满足多区间化的通性电磁波段的状态下输出最终电弧电磁波确定信号，降低了除电弧以外的电磁干扰率，有效提高了电弧电磁波指标的判定准确率。
[0033]
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附
图。
[0035]
图1为本发明中开关柜内电弧采集装置部分的结构示意图；
[0036]
图2为本发明中电弧采集系统的逻辑示意图；
[0037]
图3为电弧电磁波发生、采集的关系示意图；
[0038]
图4为本发明中电弧发生时的声音信号采集电路；
[0039]
图5为本发明中电弧发生时的光谱信号采集电路；
[0040]
图6为本发明中电磁波信号采集电路；
[0041]
图7为本发明中的mcu处理器示意图；
[0042]
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0043]
1-开关柜体；2-非接触式电弧检测装置；3-第一底侧板；4-第一上侧板；5-光面材料反射板；6-声波采集探头；7-光敏采集盒；8-第一透明玻璃板；9-内侧光敏机构；10-第二防护安装板；11-电磁波信号天线。
具体实施方式
[0044]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0046]
实施例一
[0047]
请参阅图1至图7，采集装置部分中：开关柜体1内配合装设有非接触式电弧检测装置2；非接触式电弧检测装置2的一侧设有第一底侧板3、第一上侧板4；非接触式电弧检测装置2上设有位于第一底侧板3、第一上侧板4组合体内部的声波采集探头6；非接触式电弧检测装置2的一侧设有光敏采集盒7；光敏采集盒7内装设有内侧光敏机构9；非接触式电弧检测装置2上设有位于第一上侧板4与光敏采集盒7之间的氧化铝材质的第二防护安装板10；第二防护安装板10的内侧安装有若干级别的电磁波信号天线11。
[0048]
进一步的，第二防护安装板10采用氧化铝材质板。
[0049]
进一步的，第一上侧板4为折形板块，第一上侧板4的外端折形板块与第一底侧板3之间形成广口式开口；第一底侧板3、第一上侧板4的内侧面嵌设有光面材料反射板5；声波采集探头6上设置有用于捕获声波信号的电容性咪头。
[0050]
进一步的，光敏采集盒7的一侧设有用于防护内侧光敏机构9的第一透明玻璃板8；内侧光敏机构9上设有光敏二极管；若干级别的电磁波信号天线11的电磁波信号接收区间连续。
[0051]
一种集成式高速电弧光采集分析控制系统，采集分析系统部分中：
[0052]
电弧产生所发出的声波传输至声波采集探头6，声波采集探头6将接收到的信号传输至mcu处理器中；声波采集探头6在对电弧产生的声波进行采集时，对相应区间内声波进
行采集，定义所要采集的电弧动作声波区间为[c，d]hz。
[0053]
电弧产生所发出的可见光，由内侧光敏机构9进行采集，并将采集到的光敏信号传输至mcu处理器中；内侧光敏机构9在对电弧产生的可见光进行采集时，对相应区间内的可见光进行采集，定义所要采集的电弧产生的可见光谱区间为[a，b]nm。
[0054]
电弧产生所发出的电磁波，穿透氧化铝材质的第二防护安装板10，电磁波信号天线11接收到电弧产生的通性电磁波波段；电磁波信号天线11对电弧电弧产生的电磁波进行采集时，对相应区间内的电磁波进行采集，定义所要采集的电磁波采集区间为[e，f]mhz。
[0055]
采集分析系统内对电弧电磁波信号进行采集时，若干级别的电磁波信号天线11进行连续区间的监测，当若干级别的电磁波信号天线11同时获取到的对应的电磁波信号，判定电弧电磁波信号触发；
[0056]
mcu处理器对光谱信号、声音信号、电磁波信号进行同步化的获取分析，对三种信号同时触发的状态进行电弧故障确定状态输出，并驱动高速继电器切断电弧故障；对三种信号中存在光谱信号、电磁波信号的同步触发或声音信号与电磁波信号的同步触发状态进行电弧风险警告状态输出，并驱动报警器进行同步高危警报，并将控制系统切换至回路待切断状态；对三种信号中存在光谱信号、声音信号的同步触发进行电弧风险提示输出。
[0057]
进一步的，若干级别的电磁波信号天线11进行电磁波采集区间[e，f]mhz属于电弧产生时所发出的通性电磁波波段频率范围内；设电弧产生时所发出的通性电磁波波段频率范围为[j，k]mhz，则存在[e，f]∈[j，k]。
[0058]
进一步的，电弧电磁波信号采集系统中，每个电磁波信号天线11都配合连接有电磁波信号捕获输入模块、信号差分采集模块和信号放大输出模块；若干个信号放大输出模块输出的独立化信号共同传输至与逻辑模块，满足与逻辑关系并输出信号至mcu处理器，mcu处理器对信号进行处理后，结合光谱信号、声音信号的状态，对应驱动高速继电器或警告器或风险提示器。
[0059]
实施例二
[0060]
在本发明中：
[0061]
折形的第一上侧板4与第一底侧板3形成外广口，收集电弧发生时的声音信号，并通过光面材料反射板5进行声波低损化内传导，既能够防止电弧对声波采集探头的直接破坏，也能够较为高效精准的监测传感电弧动作声波。
[0062]
同理，第一透明玻璃板8也是对内侧光敏机构9的保护，第二防护安装板10能够对电磁波信号天线11进行保护，防止电弧对传感元件的损害。
[0063]
在电磁波信号天线11的外围设置第二防护安装板10，采用氧化铝材质的第二防护安装板10，是因为氧化铝材质本身具有耐高温特性，在电弧产生瞬间释放能量时，不会遭到损害；二是氧化铝材料板具有较好的电磁波穿透性，对电磁波的衰减影响较低。
[0064]
如图3所示，在电弧发生时，产生的电磁波存在通性电磁波波段，在通性电磁波波段内设定较为稳定的电磁波段采集区域，便于进行高精准的电磁波信号采集。
[0065]
另外，及时没有电弧电流影响，也是存在一定的干扰电磁波，例如图3中的电弧电流不存在时为non状态，但场环境中仍存在电磁波。
[0066]
如图4所示，为本发明中电弧发生时的声音信号采集电路，电容性咪头受到声波影响后，通过mos电路向c1触发一波动信号，形成声音信号sensor3。
[0067]
如图5所示，为本发明中电弧发生时的光谱信号采集电路，光敏二极管导通，形成短路接地回路，运放电路产生电平信号并输出，输出的光谱信号为sensor2。
[0068]
如图6所示，为本发明中电磁波信号采集电路，本发明中根据实际的需要设置与对应天线个数相同的电磁波信号采集电路，信号捕获输入模块中，采集可调式的lc振荡电路对相应频率内的电磁波信号进行捕获采集；根据对应的电弧电磁波分区化电磁频率，对lc振荡电路的参数进行对应的设定、调节；通过信号差分采集模块对捕获到的电磁波信号进行电压差处理、信号触发，然后通过信号放大输出模块输出对应电磁波频率所产生的电磁波信号[如图中b1、b2、b3]，再经过与逻辑模块进行判定，完成高准确率的电弧电磁波信号输出sensor1。
[0069]
如图7所示，为本发明中的mcu处理器示意图，mcu处理器获取到sensor1、sensor2、sensor3三种信号状态，根据实际的信号导通状态，进而输出对应的驱动信号[如图7中的relay12、relay13、relay14]，控制对应的高速继电器、报警器、提示器等。
[0070]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0071]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。