一种自主可控的弧光保护装置设计_陈继洪.pdf

一种自主可控的弧光保护装置设计陈继洪（国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 ）摘要：在电力系统中低压母线短路故障中电弧光故障发生频率高，故障危害大，严重威胁到电力设备及人身安全，电弧光的形成并不依赖于空气中的氧气，因此熄灭电弧的唯一方法就是切断产生电弧光的电源。电弧电流通常低于正常负载电流，因此断路器本身不能可靠地检测到电弧光的存在，必须通过电弧光检测电路来准确识别。设计一种满足自主可控要求的弧光保护装置，当检测到电弧光强度超过阈值时通过断路器迅速切断进线电源，实现保护功能；同时可以记录下故障时刻的弧光光强波形用于分析。对弧光保护装置的软硬件设计方案进行分析，并通过 空气绝缘高压开关柜工程项目完成挂网测试，验证该设计方案的可行性。关键词：弧光保护；弧光检测；中低压母线；开关柜中图分类号：（，）：，：；收稿日期：作者简介：陈继洪（），硕士研究生，研究方向为电力系统保护装置设计。引言在电力系统中低压母线的短路故障中，电弧光故障的发生频率较高，且危害较大，甚至会严重威胁到设备以及人身安全。当短路出现弧光时，弧光会以 的速度爆发，摧毁途中的任何物质，只要系统供电不断，弧光就会一直存在，最终引起中低压母线故障，造成供电系统失稳、大面积停电、开关设备严重烧毁等后果。电弧光的形成并不依赖于空气中的氧气，因此熄灭电弧的唯一方法就是切断产生电弧光的电源。电弧的电流通常低于正常负载的电流，因此断路器本身无法可靠检测到电弧光的存在，必须通过电弧光专用检测设备来准确识别。电弧光专用检测设备检测到微小的电弧光后，控制器通过断路器迅速切断进线电源，尽量降低电弧光故障对设备造成的损害。发生电弧光故障时，现有的弧光保护装置往往是在短时间内完成跳闸动作，但是无法记录下故障时刻的弧光光强波形用于分析和改进保护算法。同时，施工现场调测、验收装置时也无法获取弧光光强标定值，不便于快速部署。目前，市场上的弧光保护装置使用的大多是带式弧光探头，而带式弧光探头专利多为国外公司所有。为了满足自主可控的要求，国网公司组织国内厂家开发了点式安装方式的弧光探头，并明确了其技术指标，现已开发成功并推广使用。相关学者已对弧光保护装置的研究与设计做了一系列的工作，并取得了一定成果。文献 阐述了一种基于 的开关柜弧光保护装置设计，根据弧光保护的原理和特点，设计了基于 的开关柜弧光保护装置，并对该装置的总体方案和软硬件设计进行了阐述；文献 研究了开关柜弧声产生的原理及频率特点，电弧光的形成原理、能量幅值电工技术电力设备及频率特点，并通过对弧光故障电流特性的分析，提出了一种基于弧声、弧光及电流三种判据组成的开关柜快速弧光保护方案；文献 对几种常见的中低压弧光保护控制方案进行总结和分析，指出现有保护方案的不足，并在此基础上，提出一种基于 通信的弧光保护方案，实现中低压系统母线区和间隔区的无死区保护。以上几个文献的方案大多基于带式弧光探头架构，专利多数掌握在国外公司手上，无法满足自主可控要求。针对这一情况，本文设计了一种满足自主可控要求的弧光保护装置，使用具有自主知识产权的点式弧光探头架构。总体架构设计本文所设计的弧光保护装置总体架构及组网方式如图所示。弧光保护装置由弧光检测模块和处理器模块组成，对外可提供多路弧光探头接口；通过两路以太网接口环形级联方式可扩展多个弧光扩展单元，增加弧光探头接口数量。弧光探头将检测到的紫外光弧光光强值通过光纤传输到处理器模块，通过保护算法进行判断，故障时发出断路器跳闸指令并记录故障波形。处理器模块还可以通过比例换算标定弧光强度，为现场调测、验收提供相应的数据支撑。图弧光保护装置总体架构 弧光检测模块设计本文所设计的弧光保护装置中弧光检测模块架构如图所示，主要包括多组弧光探头、光纤、弧光传感器以及弧光采样模块。弧光探头采用点式安装方式分布于机柜中，将检测到的紫外光通过光纤传输到弧光传感器后转换成等比例的电压信号，再经过弧光采样模块后由模数转换电路产生对应的数字信号送给处理器模块用于保护算法。图 弧光检测模块架构弧光检测模块中弧光探头、光纤和弧光传感器组成检测系统。其中，弧光探头为紫外光敏感传感器，接收弧光的紫外光，输出可见光（红光）；光纤为大口径 光纤做成的专用光缆，用于将弧光探头所探测到的光信号传输给弧光传感器，该光纤两端采用标准的 接口；弧光传感器用于将弧光光强值转换成便于检测的电压信号，可对光强进行实时监测。整个检测系统的主要规格参数见表。表弧光检测系统规格参数名称规格参数响应范围 范围内的紫外光电流消耗 最小检测光强 探头通光孔径 探头视角 光纤界面 光纤最小弯曲半径 整体尺寸 工作温度 供电电压 信号输出 如图所示，弧光采样模块由幅值调节电路和模数转换电路构成。其中，幅值调节电路用于将弧光检测模块输出的电压信号等比例转换成满足模数转换电路采样范围的模拟信号。经过模数转换电路后的数字信号会被传递到处理器模块。图弧光采样模块电路幅值调节电路包括分压电路和电压跟随器电路。分压电路一端接模拟信号 ，另一端接电压跟随器电路同向输入端，电压跟随器电路 输出端接模数转换电路。分压电路的分压比例可以表示为：（）（）式中，为上分压电阻值；为下分压电阻值。本文 所 使 用 的 芯 片 输 入 模 拟 电 压 值 范 围 为 ，所以要求分压比 。将值代入式（），最终取 ，。处理器模块设计本文所设计的弧光保护装置中处理器模块主要功能是通过通信总线读取模数转换电路输出的数字信号，经过保护算法处理判断后发出断路器跳闸指令，并将故障时刻波形存储到外部存储器中，用于后续故障分析及改进保护控制算法。电力设备电工技术 如图所示，处理器模块架构主要包括 、及其外设器件。主要完成保护算法处理及故障波形记录并存储到 硬盘中；主要通过背板通信总线完成弧光检测数据的读取以及跳闸控制指令的发出，并在面板扩展个光口用于多装置级联。图处理器模块架构从成本、性能和功耗等方面综合考虑，选择全志的 处理器，逻辑器件选择资源丰富的安陆 。配备四核 ，集成度高、功耗低，非常适合嵌入式应用场景。其主要资源包括以下内容。（）主频最高支持 。（）高速缓存，存储控制器支持 ，内存最大容量为。（）集成 。（）支 持 、卡、启动。（）集 成个 千 兆 以 太 网 和个 百 兆 以 太 网。（）、（）、。（）丰富的音视频接口。结语本文所设计的弧光保护装置，通过分布于开关柜中的多路弧光探头检测弧光光强，并通过专用光纤传输给弧光传感器，经过模数转换后汇总到处理器模块，以多路弧光光强值作为弧光故障的判断依据，检测准确度高且可以记录故障时弧光光强波形。该弧光保护装置使用的弧光探头仅检测紫外光，避免了可见光的干扰；同时，检测装置采用光纤传感器原理，在高压大电流的电磁环境下，依然可以非常可靠地进行探测。产品已通过严苛的型式试验，并在 空气绝缘高压开关柜工程项目中完成了挂网测试，验证了设计方案的可行性。参考文献 梁伟杰，林昭敏，王亚琦，等基于弧光保护的中压开关柜母线保护装置应用技术研究供用电，（）：朱鑫，郑永康弧光保护技术及其在电网中的应用综述四川电力技术，（）：，徐伟基于 的开关柜弧光保护装置设计科技风，（）：沈宇龙，夏成林开关柜快速电弧光保护方案自动化仪表，（）：王杰，侯炜，陈俊，等基于 通信的弧光保护方案浙江电力，（）：（上接第 页）整合起来，共同建立储能技术创新平台，发挥出技术集群优势，加快技术成果转化。利用该平台，在产、学、研、用各方面进行合作，抢占储能技术发展制高点，引领储能技术的未来发展方向。结语对于储能技术的发展应用，技术层面能推动能源系统向低碳方向转型，政策层面是实现“双碳”目标的基础。本文以锂电池储能、钠电池储能、液流电池储能、压缩空气储能、氢储能、移动储能为例，介绍了储能技术发展应用现状。在未来，只有加快技术推广应用、完善市场运行机制、协同应用多种技术、建立资源共享平台，才能推动储能技术快速发展，为实现“双碳”目标贡献力量。参考文献 殷光治，郑漳华，王歆，等 能源安全视角下的储能技术发展路径分析电器与能效管理技术，（）：张智刚，康重庆碳中和目标下构建新型电力系统的挑战与展望中国电机工程学报，（）：郑琼，江丽霞，徐玉杰，等 碳达峰、碳中和背景下储能技术研究进展与发展建议中国科学院院刊，（）：姜红丽，刘羽茜，冯一铭，等 碳达峰、碳中和背景下“十四五”时期发电技术趋势分析发电技术，（）：李建林，张则栋，李雅欣，等碳中和目标下移动式储能系统关键技术 储能科学与技术，（）：邵振国，朱铁超，陈飞雄“双碳”目标下福建省储能技术发展思路初探发展研究，（）：电工技术电力设备