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低压配电开关故障电弧检测技术的发展趋势


第32卷第6期增刊 2011年6月













Vbl.32 No.6
Jun.20ll

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br />低压配电开关故障电弧检测技术的发展趋势
董爱华1谷彬1’2
(1.河南理工大学电气工程与自动化学院焦作454000; 2.中国神华神东煤炭分公司大柳塔煤矿榆林719315)

摘要:针对配电开关故障电弧发生频繁、危窖严重的现状,分析了故障电弧产生的原因及易造成的停电、引发电气火灾等 严重后果,着重介绍了故障电弧的主要检测方法及其原理、特点。电压检测法需要提取电弧电压的突降信息,它易受电网负 载及其他因素的干扰;弧光、电流信号双判据的故障电弧保护系统,可使保护系统的可靠性得到提高;弧声是电弧产生过程 伴生的一种明显的物理现象,可作为主要故障电弧报警的判据之一;紫外传感器的工作波长为太阳光盲区波段,可有效避免 日光的干扰,且具有较高的灵敏度。介绍和分析现有故障电弧的各种检测方法,其主要目的是借鉴先进检测技术和经验,以 实现预防或减少故障电弧的发生、提高配电线路的安全可靠性。 关键词:低压配电开关检测方法综述

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引言
在低压供电系统中,配电开关起着接通和断开

修或处理,将导致触头及连接点温度过高甚至烧
毁。另外,长时间过负荷产生过热也会加速配电开 关柜内母线表面老化,且负荷的不稳定性造成电流 时大时小,引起母线连接处的温度也忽高忽低,金

电力线路的控制作用,当被控线路发生故障时还具
有切断故障的安全保护功能。配电开关的触头、连 接点等部位因氧化、松动、过载和压力弹簧的弹性 老化等因素都将导致触头接触不良,接触电阻增 大,容易产生局部放电或电火花放电,如不及时检

属物体的热胀冷缩很容易使母线连接处松动,产生
接触不良,引起局部放电,进而发展成故障电弧。 据有关资料统计llJ,由配电开关柜故障电弧引发的 电气火灾占有相当大的比例,并且还有继续增大的

104

第6期增刊

董爱华等:低压配电开关故障电弧检测技术的发展趋势

趋势。全国平均每年因电弧短路烧毁的配电开关柜 多达数千个,在所有的事故中由电弧原因引起的约 占50%12l'且故障电弧产生的损坏程度也最为严重。 德国精密机械和电工技术职业协会(BGFE)事故统 计表明【3J,故障电弧事故约占总电流事故的25%, 且有34%的电流死伤事故发生在开关设备中。由于 故障电弧能量大,温度高,危害严重,仅O.5 A的 电弧电流就足以引起电气火灾,而2~10 A的电弧
电流就可以产生2 000~4 000℃的局部高温【4l。同

行整形、二次变换等处理。调理电路II主要由单稳 态触发器、积分器组成。经单稳态触发器后将脉冲 信号变为频率随脉冲信号变化且幅值恒定、宽度不 变的脉冲,再经积分器进行积分变换后作为比较器 的输入信号,当输入信号的幅值超过比较器的设定 值时,比较器输出保护信号。 该方法需要对电弧电压信号进行检测,提取电
弧电压的突降信息。然而电弧电压信号易受电网负 载及其他因素的干扰,故障电弧判别的准确性不

时故障电弧产生的高温还能使某些物质熔化,蒸发 产生有毒气体,威胁附近人群的生命安全。另一方 面,低压配电开关引发的故障电弧如不及时消除,还 会发展成为线路故障,造成供电系统大面积停电的 恶性事故【5l,进而引发更大的次生性危害。故障电弧 还会辐射出巨大的光、热等能量,可造成爆炸、引 发火灾,造成人身伤亡等重大事故和严重的经济、
财产损失。

高。 2.2弧光探测方法 弧光是电弧发生时产生的最明显、变化最快的 物理量,通过检测电弧弧光信号,并根据弧光信号
的强度判别故障电弧的发生。它是目前比较理想的

中低压配电开关保护方案之一,它主要通过检测电 弧最明显且变化最快的物理量一弧光强度来实现。
图2为ABB公司Arc Guard SyStem示意图,它由电 弧保护器、电流榆测单元和弧光探测器3个主要部 分组成【3l。其中电弧保护器是核心部分,它有两路

2故障电弧检测方法
随着电弧故障引起的事故越来越凸显,对电弧
故障进行检测和保护的要求越来越迫切,针对电弧

输入信号通道,一路是电流信号通道,另一路是弧 光信号通道。电流互感器CT检测电弧电流信号经电 流检测单元处理后经通道l送给电弧保护器,故障
电弧的弧光信号经探测器检测并进行放大、滤波等

故障的研究也越来越多。从上世纪90年代初开始,
国内外先后对电弧故障的物理特性、产生机理及探 测方法进行研究睁10l,取得了一些很有价值的成果, 出现了许多故障电弧的检测方法。 2.1电压检测法 故障电弧发生时,会引起电路中电压和电流发 生变化。故障电弧的电流波形大致为正弦波形,而

与处理后经通道2输入给电弧保护器。电弧保护器 接收到电弧电流信号和弧光信号后,经~D转换器
转换为数字量,并进行数字处理、逻辑比较、判断, 当电流信号和弧光信号均达到设定值,则发出故障

电弧保护信号,控制配电开关的脱口机构,使配电
开关跳闸断开故障电弧线路。

电弧电压波形较为复杂,电弧电压在零区存在显著
特征:电弧零区的时间间隔非常小,电弧电压变化率 较大,在电流过零时最大,这一特征可用于电弧电 压波形的识别【ll-121。电压检测法的原理如图l所示。

电压

傈 护 信 号
图1 电弧电压检测 图2 A阳电弧保护

首先经电压传感器将含有电弧信息的线路电 压进行检测,经调理电路I对信号进行调理,调理电

由于环境中干扰光源较多,单一的弧光判据很
难实现故障电弧保护的叮靠性,但可以作为主要判

路I包括变换、放大、滤波等环节。经调理电路I对
电压信号处理后传输给脉冲转换器,将电压的突降 信息变成脉冲信号。该脉冲信号再经调理电路II进
105

据之一用于故障电弧保护系统中。这种采用弧光、 电流信号双判据的故障电弧保护系统,可使保护系

第32卷













统的可靠性得到提高。

检测方法受制造工艺和检测器材的限制,多是基于

2.3超声波检测法u训
弧声也是电弧产生过程伴生的一种明显的物 理现象,因此弧声信号可作为故障电弧报警的判据 之一。典型的超声检测系统结构如图3所示。该系 统由不同型号的压电传感器、前置仪用放大器、滤

全紫外波段进行检测,容易受到太阳光的干扰,需
要在特定天气情况下进行,使用不方便。随着检测 技术的发展,出现了日盲区紫外检测方法。紫外线

波长范围在lO~400啪,太阳光中也含紫外线,波 长小于280啪的部分几乎全部被大气中的臭氧所
吸收,波长范围在3 15~400 nm绝大部分可通过大 气传输,而波长范围在280~3 15 nm的只占2%,通 常将低于
280

波电路、后置放大电路和数字采集电路构成。最后,
检测数据输入给计算机处理。 压电倍感器ll|压电传感器

nm的波长区间称为太阳盲区。电

二[ 二[ 二[
前置放大 澹波器 计簋机

弧放电产生的紫外线大部分波长在280~400 nm区 域内,也有小部分波长在230~280 nm区域内,因 此可选用波长适当的紫外线传感器对故障电弧进 行检测。 紫外传感器的工作原理是基于金属的光电发 射效应和电子繁流理论。在紫外线传感器的阳极和

后置放大 数据采集

阴极间加上电压后,则两极间建立电场。当紫外线
射入阴极的表面,且入射光能量大于阴极表面逸出 功时,就会产生光电发射效应,逸出光电子。光电 子在电场作用下加速向阳极运动,与气体粒子发生 电离,电离产生新的电子与其他粒子碰撞,在阳极 和阴极之间迅速形成很大的电流并产生放电,这种 现象称为电子繁流。根据汤生放电理论,在均匀电 场中,繁流放电电流取决于光电流密度、电场强度、 管内气体压力和气体种类【№l。典型的紫外传感器如 日本HAMAMATSU公司生产的R2868,其通道工作

图3超声波检测系统结构

压电传感器为超声波换能器,完成由超声信号 到电信号的转变。超声波换能器是系统的关键部 件,可选用频率范围40~200 kHz、性能可靠的压电 传感器,其核心部件为进口镀膜压电晶片,频率误 差小,外部结构采用多层阻抗匹配及优良的被衬材 料,具有良好的振动阻尼特性,且时间和温度稳定 性好、灵敏度高。前置放大电路采用仪用放大器, 其主要特点是高灵敏度,高输入阻抗,低输出阻抗, 既可对信号进行放大,又可过滤:苴流分量。在故障

波长为日盲区中的185~260眦1波段,可有效避免
太阳光的干扰,且具有较高的灵敏度。 紫外传感器的驱动电路如图4所示。驱动电路 的工作电压为300 ̄350V的直流电压,如此高的电压 可通过DC/DC高压直流模块实现,其输入为5 V直 流电压,通过调整输入电阻可以使输出电压达到
300~350

电弧弧声检测过程中还存在一定的噪声干扰,主要
有低频的机械振动噪声(20 kHz以下)、高频的电磁 辐射干扰及信号本身的高频噪声,因此必须对信号 进行滤波,以提高信噪比。由于被检测超声波信号

随距离不同而衰减,针对不同的检测距离和弧声强 度,可调节后置放大电路的放大倍数。根据具体情
况数字采集电路的采样频率对采样点数和采样时 间进行调节。最后计算机对采集数据的进行分析处 理,实现对故障电弧的保护。 2.4紫外检测法【i
4J

V。该驱动电路的工作原理是:当没有紫

外线时,传感器呈高阻状态,其输出端电压为O, 则施密特触发器74HCl4的输入端为低电位、输出端 为高电位,即驱动电路输出高电平,LED灯熄灭; 当配电开关产生电弧放电时,紫外线传感器接收到 电弧发出的紫外线,传感器为导通状态,电容C,两 端的电压经电阻恐、紫外线传感器向电容C2充电,

从配电开关电弧放电机理可以看到,在放电的 不同阶段,伴随着分子的激发、电离、复合、电荷 交换、电子附着、辐射的发生,产生不同光谱的发 光现象。在放电光谱中,含有大量的紫外线光。因 此,检测配电开关中的紫外线强度ll副可以判断放电 强弱,确定配电开关是否有电弧发生。过去的紫外
106

并在电阻飓上产生瞬时电流,使施密特触发器
74HCl4的输入端为高电位,则输出1个低电平,LED 灯点亮。紫外线传感器导通后,电容c1电量逐渐减 少、电压逐渐降低,此时紫外线传感器输入端电压 也逐渐下降,当低于其维持电压时传感器暂停导

第6期增刊

董爱华等:低压配电开关故障电弧检测技术的发展趋势

通。传感器导通停止后,外加电源向电容cl充电, 传感器输入端电压又逐渐升高,达到起始电压后, 如果接收到紫外线,则紫外线传感器再次导通。施
密特触发器74HCl4芯片用于输出脉冲的整形,以

故障已经出现,通过信号检测去发现它,进而发出 报警信号。因而这是一种被动的电弧保护机制,实 践证明,这种机制一方面存在报警的准确率不高; 另一方面,由于保护装置动作的快速性不高,很难 做到快速切除故障电弧。对故障电弧最好的保护是 不让电弧发生,即及时发现故障电弧隐患实现对故 障电弧的预报或预警。故障电弧发生前的放电期间 会产生预示放电的声音和光信号,伴随着电、磁效 应的产生。因此深入研究放电期间光、电、声、磁 的物理特征,揭示它们与电弧发生的内在联系,寻 找有效的滤波降噪方法;研究基于多信息融合算

得到稳定、标准的脉冲输出波形。

图4紫外传感器的驱动电路

法,通过分析现有的信息融合方法,建立基于多信 息融合的故障电弧预警数学模型,提高故障信息识 别的可靠性,及时、准确地发出故障电弧的预警信 号。故障电弧预警机制改变了传统的被动保护模
式,实现了故障电弧的早期预防,使存在故障隐患 的配电开关及时得到维修或更换,将故障电弧消除

3故障电弧检测技术的发展趋势
电弧的危害之大已被人们所共识,科研人员对

故障电弧榆测、保护方法开展了大量的研究工作,
取得了可喜的成果。研究出了许多故障电弧判别方

在萌芽状态,这对减少或避免停电事故和电气火灾
事故的发生具有重要作用。因此,故障电弧的早期 预测预警具有重要的社会效益和经济效益,发展前 景十分广阔。

法,归纳起来有如下2大类:1)单判据法。如:电压、 电流探测方法:压力探测方法;弧光探测方法;电 磁探测方法;弧声探测方法;红外测温探测法;超
声波探测法等。单判据法只需检测故障电弧的某一

种信号,当检测信号达到阈值后,就发出保护信号, 这种方法检测量少,判别方法简单,但是误报率较 高。2)多判据法。如:弧光加电流、弧声加电流、
弧光加温度等双判据法;声、光、压力三判据法; 光、压力、电流三判据法;声、光、压力、电流四 判据法。多判据法检测2种以上的信号,并采用多

4结论
故障电弧在供电线路、配电开关柜中频繁发

生,且危害之大。而现有的故障电弧检测方法种类 繁多,各有特色。因此,对低压配电开关故障电弧 检测技术进行综述,介绍和分析现有故障电弧的各 种检测方法,借鉴好的检测技术和经验,将有助于
推动故障电弧有效检测方法继续深入研究,以实现

信息融合技术,可提高故障电弧判别可靠性。实践
表明,配电开关柜在故障电弧产生前的放电期间通 常伴随着明显的嗤嗤声音和间歇性的闪光,与此同 时释放出的电量先聚集在与放电点附近或周围空 间,形成电磁波并向各个方向传播,因此放电期间

预防或减少故障电弧的发生、提高配电线路的安全
可靠性。

根据作者多年的研究、并参阅大量的技术资料 完成了本文的撰写工作。这篇论文的内容得到了河
南省科技攻关项目的资助,在此表示由衷的致谢;

必然伴随着较为明显的光、声、电、磁效应的产生,
而在此期问产生的压力非常微弱、持续时间很短, 很难扑捉到。经分析研究,选取光、声、电、磁信 号检测作为故障电弧的预警信号是可行的。 故障电弧产生过程可分成两个阶段【17d8J:第l

论文的撰写过程参阅了大量的参考文献,借此机会 向所有参考文献的作者表示感谢。 参考文献
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阶段为燃弧前的局部放电和电火花放电,在此阶段
会产生电脉冲、气体生成物、超声波、电磁辐射、 光、局部过热等现象;第2阶段为故障电弧的燃烧

阶段,在燃弧发生阶段伴随有电弧电流和明显的弧
光产生。目前对电弧的研究主要集中在报警上,即
107

第32卷













【3】蓝会立,张认成.开关柜内部故障电弧探测法的研究现状 及趋势【J】.高电压技术.2008,34(3):496-499. 【4】GREGORY


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Switchgear【C】.New York:IEEE Sci锄ce,2003,50(4):1161.1
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T瑚s∞60ns∞Powcr DcIiveIy,2002,17(1):129-134.

108


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