一種弧光保護裝置及其故障診斷方法與流程
2024-03-08 07:34:15
本發明關係二次保護設備領域，尤其涉及一種弧光短路時採用的一種弧光保護裝置及其故障診斷方法。
背景技術：
隨著電網的快速發展，110kV及以上電壓等級均已有比較成熟的保護措施，6kV(10kV)到35kV這個電壓等級範圍內廠用中壓配電開關櫃為全廠輔機/供電系統的供電樞紐，在發生內部故障時是否能迅速切除故障，對全廠(變電站)配電系統的安全運行至關重要，但是按目前的保護方案：在電力系統中，35kV及以下電壓等級的母線由於沒有穩定問題，一般未裝設母線保護。然而，由於中低壓母線上的出線多，操作頻繁，三相導體線間距離與大地的距離比較近，容易受小動物危害，設備製造質量比高壓設備差，設備絕緣老化和機械磨損，運行條件惡劣，系統運行條件改變，人為和操作錯誤等原因，中低壓母線的故障機率比高壓、超高壓母線高得多。但長期以來，人們對中低壓母線的保護一直不夠重視，大多採用帶有較大延時的後備保護來切除母線上的故障，往往使故障被發展、擴大。
鑑於中壓母線的重要地位，任何故障的延時切除，都是我們極為不願意看到的現狀，因為開關櫃內的電弧光發生時產生的高溫、高壓、弧光、振動、爆破音給開關櫃等相關設備造成嚴重的損傷，甚至波及到變壓器，造成變壓器的燒毀，嚴重危及人身的安全，從而造成巨大的經濟損失。如2009年安徽電力公司某供電局220kV變電站35kV開關櫃誤操作電弧光事故造成一人死亡；2009年重慶某電廠廠用電進線櫃電流互感器絕緣電弧光故障造成停機及廠用變壓器返廠維修；2011年雲南電網公司「2.24」事故，怒江供電局某變電站因電弧光事故造成一人死亡。
由於多年運行表明中低壓配電櫃內部弧光保護對人身及設備帶來極大的損害，各國電力專家開始對電弧光故障進行研究及認識。國際電工委員會IEC修訂了其IEC60298-2003標準了中壓開關櫃內部電弧光故障產生的原因、解決方案及測試方法，加拿大電力和電子製造商協會(EEMAC)制定了在內部弧光故障的條件下金屬鎧裝開關櫃電阻的測試規則，美國出版了IEEE C37.20.7中壓金屬鎧裝開關櫃內部弧光故障的測試導則。此外美國在電力職業安全生產方面針對電弧光弧閃事故建立了相關標準和要求，美國國家防火協會(NFPA),作為美國國家電力規範(NBC)的一個補充，制定了NFPA 70E-2004職業電力安全要求標準。國內根據IEC60298-2003標準制定我國現有標準GB 3906-2006《3.6kV～40.5kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》，定義了內部電弧級開關設備和控制設備(IAC)，其內部故障電弧試驗規定為必做的型式試驗。
近年來由於對內部故障電弧特徵參數的不斷了解，中壓開關櫃相關新標準對防弧光故障要求的不斷提高，國內一些專家一直強調裝設專用中低壓母線保護的重要性，用戶也希望可以提供一種造價偏低，原理簡單，適用於6-35kV的母線保護，以最大限度減小母線故障對設備的損害，提供供電可靠性，作為最快速度的專用母線弧光保護系統應運而生，它不僅能很好地應用於新裝開關櫃裡也能方便地加裝到已運行的開關櫃中，其目標就是在第一時間裡切除弧光故障使人身傷亡及設備損害降至最低，與其他專用母線保護相比有價格優勢。
目前市面上大多為電流和光學探頭作為弧光保護裝置的檢測探頭，但該探頭弧光難以校驗，進而確定其光學準確度。
技術實現要素：
本發明的目的正是為了克服上述現有技術存在的缺陷借鑑現有弧光保護裝置的優點，克服弧光探頭難以校驗的缺點提出一種弧光保護裝置及其故障診斷方法，其技術方案如下：
一種弧光保護裝置，本發明特徵在於：包括弧光保護主控單元，電學探頭和溫度探頭，電學探頭為電壓探頭或電流探頭，用於檢測弧光電信號信息，為弧光短路產生的電壓信號或電流信號，溫度探頭為採用光纖測溫探頭，主要檢測母線或主要電氣設備的溫度信號，電學探頭和溫度探頭直接連接到弧光保護主控單元，主控單元經過分析、計算、處理等操作給出跳閘信號。
本發明電學探頭優選為電流探頭，溫度探頭優選為帶狀光纖測溫探頭。
本發明光纖測溫探頭通過纏繞在重點設備周圍或開關櫃母線上。
本發明測溫探頭用於檢測溫度數值，其探頭與被測設備距離r小於40cm。
本發明測溫探頭檢測溫度數值，當探頭與被測設備距離為a，溫度數值則為：正對距離為r，面積為(pi*r3/a)區域的平均溫度。
1、本發明a取值範圍為(15-30)cm，優選為20cm。
一種根據上述弧光保護裝置在弧光保護動作過程中的故障診斷方法，本發明特徵在於：採用電學探頭滿足電學信號閾值條件，採用溫度探頭滿足閾值條件，兩者取「與」操作，然後通過定時器的延時，弧光保護裝置方可進行動作，當電學探頭採用電壓探頭時，電壓信號閾值為：額定電壓有效值的(120-150)％，採用電流探頭時，電流信號閾值為：電流工頻信號與(3-25)次奇數諧波合成有效值的(120-200)％，溫度信號閾值為：設備可持續運行最高溫度的(120-150)％。
本發明定時器的延時時間為(200-500)ms。
本發明所達到的有益效果是：本發明主要考慮早期發現設備電弧放電類故障，出現溫度異常後，也表明設備存在隱患，而不僅僅限於弧光判據。
本發明提出一種可以在弧光故障剛發生時有效進行監測、處理的弧光保護方法。在弧光還沒有產生，僅僅溫度升高時即可動作，可以有效保護附近工作人員免遭電弧光對人身的傷害，保護中低壓設備免受嚴重破壞、防止火災發生；保護主變壓器或者廠用變壓器免受嚴重衝擊而損壞；防止波及佔用直流系統，造成巨大的經濟損失；最大限度地減小用戶的停電時間(用戶停電恢復時間，由原來的幾個星期或幾天減少至幾個小時以內)，延長現有開關相關設備的使用壽命。
附圖說明
圖1為弧光保護裝置結構示意圖；
圖2為弧光故障診斷方法示意圖；
圖3為單母分段時溫度傳感器配置示意圖。
具體實施方式
見圖1，一種弧光保護裝置，本發明特徵在於：包括弧光保護主控單元，電學探頭和溫度探頭，電學探頭為電壓探頭或電流探頭，用於檢測弧光電信號信息，為弧光短路產生的電壓信號或電流信號，溫度探頭為採用光纖測溫探頭，主要檢測母線或主要電氣設備的溫度信號，電學探頭和溫度探頭直接連接到弧光保護主控單元，主控單元經過分析、計算、處理等操作給出跳閘信號。
本發明電學探頭優選為電流探頭，溫度探頭優選為帶狀光纖測溫探頭。
本發明光纖測溫探頭通過纏繞在重點設備周圍或開關櫃母線上。
本發明測溫探頭用於檢測溫度數值，其探頭與被測設備距離r小於40cm。
本發明測溫探頭檢測溫度數值，當探頭與被測設備距離為r，溫度數值則為：正對距離為a，面積為(pi*r3/a)區域的平均溫度。a取值範圍為(15-30)cm，優選為20cm。
見圖2，圖3，一種根據上述弧光保護裝置在弧光保護動作過程中的故障診斷方法，本發明特徵在於：採用電學探頭滿足電學信號閾值條件，採用溫度探頭滿足閾值條件，兩者取「與」操作，然後通過定時器的延時，弧光保護裝置方可進行動作，當電學探頭採用電壓探頭時，電壓信號閾值為：額定電壓有效值的(120-150)％，採用電流探頭時，電流信號閾值為：電流工頻信號與(3-25)次奇數諧波合成有效值的(120-200)％，溫度信號閾值為：設備可持續運行最高溫度的(120-150)％。
本發明定時器的延時時間為(200-500)ms。
一切溫度高於絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發出紅外輻射能量。輻射能量的大小按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關係。因此，通過對物體自身發出的紅外能量的測量，便能準確地測出它的表面溫度。光纖測溫儀能接收多種物體自身發射出的不可見輻射能量。輻射是電磁頻譜的一部分。當儀器測溫時，被測物體發射出的紅外輻射能量，通過測溫儀的光學系統在探測器上轉為電信號，並通過光纖測溫儀的顯示部分顯示出被測物體的表面溫度。
光纖測溫儀特點：非接觸式測量，測溫範圍廣，響應速度快，靈敏度高。但由於受被測對象的發射率影響，幾乎不可能測到被測對象的真實溫度，測量的是表面溫度。光纖測溫確保測溫精度最重要的因素是發射率，到光斑的距離、光斑的位置，視場。
(1)所有的物體都會反射、透過(對於不透明的材料透射率為0)和發射能量，但只有發射的能量能指示物體溫度，當光纖測溫儀測量表面溫度時，儀器能接收到所有這三種能量，因此測溫儀必須調節為能讀出發射的能量，測量誤差通常由其他光源反射的能量引起的。有些測溫儀可以改變發射率，測溫時應儘可能地設置成與被測材料相同的發射率值，儘可能使測量示值與被測物的真實溫度一致。而大多數儀器的發射率固定予置為0.95，該發射率的溫度計對於大多數有機材料、油漆或氧化表面的表面溫度進行測量時就要用一種黑膠帶或平光黑漆塗於被測表面加以補償。使黑膠帶或黑漆達到與基底材料相同溫度時，測量膠帶或漆表面的溫度，即為真實溫度。
(2)距離與光斑之比(D：S)，光學解析度定義為儀器到物體的距離與被測光斑尺寸之比(D：S)。比值越大，儀器的解析度越好，且被測光斑尺寸也就越小。光纖測溫儀的光學系統從圓形測量光斑收集能量並聚焦在探測器上。注意：雷射瞄準只有用以幫助瞄準在測量點上，在本發明中即為r與a的數值。
(3)視場，確保目標大於儀器測量時的光斑尺寸，目標越小，就應離它越近，當精度特別重要時，要確保目標至少2倍於光斑尺寸。為了保證檢定時設備溫度的精確測溫還應注意以下事項：
(1)為了準確測溫，將光纖對準輻射源靶面的靶心，保證安排好距離和光斑尺寸之比視場，讀出溫度數據。
(2)不能透過玻璃進行測溫，玻璃有很特殊的反射和透過特性。
(3)注意環境條件：水蒸汽、灰塵、煙霧、二氧化碳等中間介質。它會影響精確測溫。
弧光保護裝置一般用於中低壓空氣絕緣開關櫃，可作為母線的快速保護。也可作為開關櫃內短路故障的保護，如開關櫃的開關室和電纜室。弧光保護裝置建議按母線段配置，即每段母線配置一臺主機(主單元)、滿足該段母線溫度監視點接入數量要求的若干臺從機(擴展單元)，以及分散布置的溫度傳感器。
根據工程實際情況(母線長度、開關櫃內體積和結構，以及監視範圍，方便檢修等)，建議對弧光保護裝置進行靈活配置。
弧光保護裝置應採用合理邏輯實現分區域選擇性跳閘，但在動作的過程中，需要考慮死區保護，如若變壓器CT安裝在斷路器上方時，需要考慮CT與斷路器之間發生故障時的死區保護，母聯開關處於合位時，需要考慮故障發生在母聯開關與母聯開關CT之間時的死區保護。
如圖1所示，弧光保護裝置包括電學探頭和溫度探頭，一般情況下弧光短路產生早期會有溫度升高現象，當發生時有電流和電壓信號的急劇波動變化，本發明就是依據這樣的物理現象發明的。
如圖2所示，弧光保護裝置保護原理和目前市面上廠家的電流和弧光探頭的原理基本一致，區別在於檢測的信號量、影響因素、條件等均不一樣。本專利主要判據基於溫度參量而不是弧光參量。
如圖3所示，重點介紹下帶狀溫度傳感器、點狀溫度傳感器、電流檢測單元同時配置的情況下，弧光保護裝置的故障判斷方法，以單母分段為例，帶狀溫度傳感器監測兩段母線溫度情況，點狀溫度傳感器監測兩段母線各出線觸頭處溫度情況，單母線分段主接線方式如圖3所示，弧光保護裝置還需要接入分段開關3DL的跳位，以及通過「跳分段開關」出口跳開3DL。
在母線分段主接線方式下，母線有三種供電方式，即：分段開關3DL合，母線I段和母線II段均由進線1供電；分段開關3DL合，母線I段和母線II段均由進線2供電；分段開關3DL分，母線I段由進線1供電，母線II段由進線2供電。弧光保護需要同時考慮以上三種供電方式，建議的保護邏輯如下：母線I段檢測到溫度超標，進線1過流或進線2過流且分段開關非跳位，則跳開進線1和分段開關；母線II段檢測到溫度超標，進線2過流或進線1過流且分段開關非跳位，則跳開進線2和分段開關。