开关设备电弧故障检测及定位装置

摘要

本发明涉及开关设备电弧故障检测与定位领域，公开了一种开关设备电弧故障检测及定位装置。它包括：故障电流检测模块，用于检测开关设备的进线侧电流，输出开关设备的电弧故障信号；故障电弧采集模块，用于采集开关设备的弧光信号，实时存储、输出故障电弧图像信号；电弧监控与智能处理模块，用于显示故障电弧图像，根据故障电弧图像反向定位电弧发生位置，并输出开关设备的保护信号。

说明书

技术领域

本发明涉及开关设备电弧故障检测与定位领域，特别涉及一种开关设备电弧故障检测及定位装置。

背景技术

开关设备是电力系统运行中的关键设备，在电力系统中起控制与保护作用。它的安全可靠性关系到整个电力系统正常运行状态。电弧是触头在开断电流时在动静触点间隙中产生的一团温度极高、发出强光且能够导电的近似圆柱形的气体。它是气体放电的一种形式，使弧隙中气体由绝缘状态变为导体状态、使电流得以通过的现象。开关设备内部电弧故障是一种频发性、灾难性的严重故障，故障电弧的发生会辐射出巨大的声、光、电、热等能量，对开关设备的寿命和电力系统的正常运行状态具有不可估量的负面影响。长期以来，电弧故障一直是制约开关设备寿命和工作可靠性的最重要因素。围绕如何有效的检测开关设备内部电弧故障这个问题，国内外相关学者进行了大量的研究工作。国际上从90年代初开始研究电弧故障的物理特性、产生机理及探测方法，如现今比较常用的电流检测法、电压探测法、压力探测法和弧声弧光检测法等，其目的就是通过研究故障电弧的发生机理和发生特点来提高开关设备的寿命和工作可靠性。然而时至今日，尚未取得令人满意的结果。

在电弧故障研究领域，由于开关设备是电力系统运行的关键设备，前人做过各种有益的探索。这些探索主要基于如下一种思想，即对来自开关设备内部电流传感器和声音、光探测器的信号进行实时处理，如果发现满足故障电弧即将发生的电流、弧声与(或)弧光特征存在，发出预警信号，进而请求设备检修维护。但是，这些探索仍然还存在一些不足。

例如中国专利申请号为200510033926.1，名称为“故障电弧检测方法及其保护电路”的专利，通过对电路电流信号的实时采样和处理来判断电弧的产生，进而切断电源，其能对线路中出现的断续电弧起到一定的作用，但是由于其在设计上只是检测电路中的电流的波形状况，而通常起动诸如电动机等电气设备时的电流波形和故障电弧的波形类似，如果采用该方法进行检测，就会容易引起电流检测器的误判，因此，其对一般电弧的检测具有一定的局限性，另外，此方法未涉及对故障电弧的定位问题。

再如中国专利申请号为200910308380.4，名称为“电弧光的检测方法及其检测装置”的专利，通过探测电弧光中的紫外光成分来确定电弧光的产生，其光学滤波器后级电路无法屏蔽可见光成分，影响了装置检测的可靠性，另外，该方法也未涉及对故障电弧的定位问题。

再如中国专利申请号为200420025913.0，名称为“开关柜中内部电弧故障的检测保护装置”的专利，利用光纤探头和弧光信号检测电路，通过电流互感器和电流检测单元以及故障分析单元对电弧故障进行分析，该检测保护装置具有抗干扰性强、动作快、灵敏度高、测量范围大、可靠性好等特点。由于光纤具有集光能力，在光纤端面一定入射角范围内的光线都能进入光纤内部产生全反射传播出去，所以光纤阵列中存在观测区重叠的问题，因此该方法对判断有无电弧故障的可靠性存在一定的问题。同时，该检测方法未涉及电弧故障的定位问题。

目前，开关设备内故障电弧检测手段主要由弧光探测法和电流检测法组成，故障电弧保护的基本思想是实时检测故障电弧的弧光或(和)电流信号，当幅值超过预定的阈值时启动控制系统，使开关系统动作。而采用单一的弧光探测或者电流检测方法感知故障电弧的产生，在原理上存在着一定的不足，容易由于环境干扰因素的影响产生误判信号，严重影响装置或者系统对故障电弧检测的准确性以及开关设备的工作电寿命和工作可靠性，而且两种方法在弧光发生区域的定位上也存在一定的不足，不能很好地反映电弧的发生、发展过程，不能为后续的弧光故障分析提供很好的依据，不能对于开关设备的检修和再更新提供更好的指导。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，为了解决单一的故障电弧检测方法(电弧探测法、电流检测法)无法准确确定故障电弧产生时刻和定位故障电弧发生位置的问题，本发明的目的在于提供一种开关设备电弧故障检测及定位装置，能够准确判别开关设备内故障电弧发生的时刻和定位故障电弧发生的位置，大幅度提高开关设备故障电弧检测的可靠性，进而提高开关设备的工作电寿命和工作可靠性，为电力系统的稳定运行提供安全可靠的保障。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种开关设备电弧故障检测及定位装置，其特征在于，包括：

故障电流检测模块，用于检测开关设备的进线侧电流，输出开关设备的电弧故障信号；

故障电弧采集模块，用于采集开关设备的弧光信号，实时存储、输出故障电弧图像信号；

电弧监控与智能处理模块，用于显示故障电弧图像，根据故障电弧图像反向定位电弧发生位置，并输出开关设备的保护信号。

本发明的进一步改进和特点在于：

(1)所述故障电流检测模块包含依次串联的电流互感器、整流分压电路单元、信号转换单元、电平判断单元、积分单元、输出单元；所述电流互感器安装于开关设备的每相进线线路中，用以检测每相进线流过的电流变化量，并输出电流检测信号至整流分压电路单元的输入端，整流分压电路单元的输出信号再通过信号转换单元的一级滤波、电平限制和二级滤波；所述电平判断单元用以判断信号转换单元的输出电压是否超过预定的第一基准电压，并当输出电平超过第一基准电压时产生与输入值幅值相同的输出信号；所述积分单元对电平判断单元的输出信号进行积分，并判定积分信号是否超过预定的第二基准电压；当积分单元的积分信号超过第二基准电压时，输出单元产生开关设备的电弧故障信号。

(2)所述故障电弧采集模块包含安装于开关设备母线室内用于采集弧光信号的凸透镜，以及依次串联的弧光感测电路、比较电路、锁存电路、多路选择开关和采集卡；所述弧光感测电路将从凸透镜聚焦的光信号转换为电信号，比较电路将上述电信号与设定的基准信号进行比较后转换为电弧图像信号；锁存电路锁存电弧图像信号，并通过多路选择开关与采集卡进行数据传输。所述弧光感测电路中的感光元件为光敏三极管阵列或光敏二极管阵列。

(3)所述电弧监控与智能处理模块包含工控机和用于显示故障电弧图像的显示器，所述工控机采集开关设备的电弧故障信号和电弧图像信号，判断并输出开关设备保护信号，并利用故障电弧图像反向定位电弧发生位置。

本发明的开关设备电弧故障检测及定位装置，其优越性主要体现在：

(1)克服了单一故障电弧检测方法的不足：由于本发明利用了将电流检测法和弧光探测法综合的双判据法，因此避免了由于开关设备起动而造成的电流检测法的误判，以及非弧光信号进入感光元件引起弧光探测法的误判等不足，有效地提高了判断故障电弧产生的可靠性。

(2)本发明在以往电弧故障检测方法的基础上，增加了弧光定位功能，因此在以往其他方法具备判断电弧故障产生并切断开关的功能的基础上，本发明具备弧光定位功能，对弧光的定位功能能够很好地反映电弧的发生、发展过程，极大地提高了故障电弧检测与定位的准确性和可靠性，为后续的电弧故障分析提供了很好的依据。

(3)通过对开关设备故障电弧的准确检测和定位，可以很大程度上提高开关设备的分断准确度，降低电弧烧蚀对开关设备造成的损伤和误判对电力系统造成的危害；同时，准确定位电弧的发生位置，对于设备检修和更新升级有很大的指导和帮助作用。

(4)开关设备利用本发明的电弧故障检测及定位装置，可以很大程度上提高开关设备的寿命和工作可靠性，极大地提高电力系统运行的安全可靠性能。

附图说明

图1是本发明的开关设备电弧故障检测及定位装置的原理图；

图2是整流分压单元电路图；

图3是信号转换单元原理框图；

图4是一级滤波电路图；

图5是电平限制电路图；

图6是二级滤波电路图；

图7是电平判定单元结构图；

图8是积分单元电路图；

图9是输出单元电路结构图；

图10是故障电弧采集模块电路框图；

图11(a)是透镜安装位置图；

图11(b)电弧成像光路图；

图12(a)是光敏二极管结构简图；

图12(b)是光敏三极管结构简图；

图13(a)是光敏二极管的光谱特性曲线图；

图13(b)是光敏三极管的光谱特性曲线图；

图14是单路光敏信号的弧光感测电路图；

图15是比较电路与锁存电路原理图；

图16是8选1扩展为16选1数据选择器的电路连接图；

图17是电弧在二维光敏元件阵列上的成像示意图。

具体实施方式

以下结合附图和发明人给出的实施例，对本发明的开关设备电弧故障检测及定位装置作进一步的详细说明。

如图1所示，这是开关设备电弧故障检测和定位装置的原理图。它包括三个部分：故障电流检测模块、故障电弧采集模块和电弧监控与智能处理模块。(1)故障电流检测模块完成故障电流的采集和辨识，为开关设备的动作提供依据。电流互感器通过对开关设备每相进线线路上的电流检测，实时动态地输出所检测到的电流信号；从电流互感器输出的信号为交流形式，一般具有非常高的均方根，整流分压单元将电流互感器器输出的电流信号进行整流和按照预定比率进行分压，以便于与后级电路的配合和分析；信号转换单元将整流分压电路单元输出的信号通过滤波延迟电路、电平限制电路和后级滤波电路变换为判定是否发生电弧作用的电流信号；电平判断单元在信号转换单元输出的电平超过预定的第一基准电压的时候，产生与输入值幅值相同的输出信号；积分单元对电平判断单元的输出信号进行积分，并判定积分信号结果是否超过预定的第二基准电压；当积分单元积分信号超过第二基准电压时，输出单元产生故障电弧信号。(2)故障电弧采集模块完成对弧光信号产生的研判和故障电弧信号的采集功能。根据已设定的电弧放大倍数，将满足要求的凸透镜按照像距和物距的位置放置于开关设备母线室需要检测的母线对侧；弧光感测电路具有将从凸透镜聚焦的光信号转换为电信号的功能；比较电路完成弧光感测电路的输出信号与第三基准信号的比较功能，从而确定电弧成像有没有到达后方相应的弧光感测电路的光敏元件所在区域；锁存信号将比较电路的输出信号进行锁存；通过对多路选择开关的控制，完成将多个锁存电路的输出值及时送入采集卡的功能。(3)电弧监控与智能处理模块，完成对故障电流检测模块和故障电弧采集模块上传信号的分析和研判，在满足条件的情况下输出开关设备动作信号，以及故障电弧的定位功能。工控机通过综合电流检测法和弧光探测法两个判据，综合分析由故障电流检测模块和故障电弧采集模块输出的信号，准确判断故障电弧的是否产生，如果发生故障电弧，则发出开关设备的动作信号；同时，工控机利用故障电弧采集模块对弧光信号的采集，利用显示器显示故障电弧图像，根据故障电弧图像和凸透镜位置反向定位开关设备中的电弧发生位置。

参照图2，为整流分压单元电路图。四个二极管D200、D201、D202、D203、D204对电流互感器输出信号进行整流，将交变的电流信号变为直流信号；电阻R204、R205为共同组成了分压器，对高幅值的电流信号转换为电压信号，同时对其按照设定比率进行分压。

参照图3，为信号转换单元原理框图。它包括一级滤波电路300、电平限制电路301和二级滤波电路302。由于电弧信号包括很多高频信号，并且平常市电信号为低频信号，因而信号转换单元仅使高频信号通过。一级滤波电路为滤波延时电路，它对分压信号进行低频信号滤波，滤除电压信号中的低频信号，电平限制电路限制输入二级滤波电路的幅值，以免高电压损坏后级电路，而二级滤波电路则是对电平限制电路输出的信号进一步滤波，以避免干扰信号的对有用信号的影响。

参照图4，是滤波延时电路图。输入信号为分压信号，为了防止前级分压电路电阻功率不能满足电路的要求这一问题的产生，电阻R400和R401组成分压器对前级分压信号再进行分压，以分担电路的功率；电阻R401和电容C402组成高通滤波延时电路，对电路中的低频信号进行滤除处理。

参照图5，为电平限制电路图。即使由电阻R204、R205构成的分压器使整流信号按照固定比率进行了衰减以稳定电路，电平限制器D501也要限制输入到后级电路的电压电平，这是因为，当发生过量脉冲时，即使是衰减后的信号也会对电路产生影响，而电平限制电路则起到了对后级电路的保护作用。电阻R500用作承担电路中的功率。

参照图6，为二级滤波电路图。由电阻R600和电容C601组成，其仅通过电平限制器D501输出的信号中与电弧有关的信号。

参照图7，为电平判定单元结构图。比较器700把由R600和C601组成的滤波器的输出信号和已设定的第一基准电压进行比较。并且，当上述滤波器的输出信号高于第一基准电压时，利用比较跟随器输出与滤波信号同幅值的跟随信号。

参照图8，是一简单的积分单元电路图。它由运算放大器和电阻R800和R801以及电容C802组成，运算放大器可采用OP07。完成电平判断单元的输出信号的积分。

参照图9，为输出单元电路结构图。比较器900把由积分单元输出的积分信号与已设定好的第二基准电压进行比较。并且，当积分信号高于第二基准电压时，输出电源电平，同时传送至电弧监控与智能处理模块。

参照图10，为弧光检测电路的实施图，如图所示，凸透镜后的光电处理电路由64路组成，每一路都包含有由光敏三极管和放大电路组成的光电感测电路、比较电路和锁存电路，其连接结构如图所示。在本发明实施过程中，64片光敏三极管组成8*8的阵列用以感测弧光信号，64路放大电路、比较电路、锁存电路以及4片74LS151扩展而成的多路选择开关电路焊接于印制电路板之上。在采集卡采集弧光信号的过程中，首先通过采集卡对64路74HC74锁存器进行一次性清零。开关设备内的弧光经过凸透镜的聚光作用后进入硅材料光敏三极管阵列，经过由光敏三极管和放大电路组成的光电感测电路，在进入比较电路与基准电压进行比较，同时将比较结果锁存至锁存器，锁存器的输出信号连接于多路选择开关的各输入端。此时，采集卡通过片选74LS151的地址位采集连接于多路开关上的64个已锁存信号，而后送入计算机进行上位机模拟电弧成像处理。在一次弧光采集完成后，采集卡再次将锁存器清零，定时动态的采集开关设备内检测处的弧光是否发生或者发生变化情况。各模块的具体实施具体说明说明如下。

图11为凸透镜安装位置及电弧成像光路图。按照一般开关柜母线室的结构，如图11(a)所示，其为母线室的正视图。一般情况下，母线室内的故障主要产生于母线在绝缘套管的出口处以及母线的电连接处，绝缘套管出口处母线的故障尤其比较多。因此，为了很好的发现故障电弧的发生地，以及很好的预警各母线的工作状态，本发明根据母线室内空间的位置布局，将6个用于收集电弧光的不同焦距的透镜安装于母线出口位置，每个透镜对应一相母线，母线室出入母线共3相6组，因此共安装6个透镜，以便很好的收集该处产生的电弧光。

图11(b)为电弧成像光路图，电弧的成像电路是通过感光的凸透镜和光敏三极管(或光敏二极管)阵列组成的。在对电弧成像的过程中，对于不同的电弧要根据其光功率的大小，来选择光功率合适的凸透镜进行成像，如果电弧的光功率大于凸透镜所能承受的光功率就会使凸透镜遭到破坏，甚至炸裂。在以开关设备中的自由电弧为光源，以光敏三极管阵列为像屏的光路中，凸透镜安装位置的不同，对电弧成像的虚实大小起决定性作用。当凸透镜的焦距已知时，可根据物距、像距和焦距的关系及放大倍数的需要来确定凸透镜的具体安装位置。如图所示，如果在一凸透镜所测的母线室平面内发生弧光，设发生位置坐标为(Xo，Yo)，经过凸透镜的聚光及放大后，其将会在后面三极管感光阵列上成像，并且是一个倒立的像，假设凸透镜焦距为f，物距为u，像距为v，焦点与三极管感光平面之间的距离为h，则利用光学成像原理可知，电弧所成像在光敏三极管上的位置坐标(x_o，y_o)将为由于透镜及三极管平面的位置以及三极管分布位置的各个参数在安装时已经确定，因此，只要确定哪几路光敏三极管收集了弧光并产生了电信号，即可确定该几路光敏三极管的位置坐标，进而通过光路可得到母线室发生弧光的具体位置坐标。

图12为光敏二极管、三极管结构简图。电弧成像后需要将光信号转换为电信号。电子电路中应用广泛的光敏器件有光敏二极管、光敏三极管。光敏二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光敏二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，其P-N结装在管顶，可直接接收光照射。它的结构简化图如图12(a)所示。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，当没有光照射是，其反向电阻很大，P-N结流过的反向电流很小。当光照在P-N结及其附近是，它们在P-N结处的内电场作用下作定向运动，形成光敏流。如果光照强度改变，光生电子-空穴对的浓度也相应变动，光敏流强度也随之变动。光敏三极管与一般的三极管也很相似，但它的基极-集电极结面积大，以扩大光的照射面积，而且基极往往不接引线。它也有两个P-N结。其结构简图如图12(b)所示。光敏三极管在把光信号转换为电信号的时候，同时也将光敏流信号加以放大。因此选用光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。

图13为光敏管的光谱特性曲线图。对一定材料的光敏管，总是对应一定的波长范围的入射角才会响应，这就是光敏管的光谱响应。光敏器件的光谱特性曲线如图所示。从图中可以看出，对于光敏晶体管而言，硅管的入射光波长在900nm左右为最灵敏，而锗管在1500nm左右最灵敏。根据电弧光的波长范围为320nm～820nm以及上面的分析，本发明选择硅管型的光敏三极管进行测量，效果好。而且本发明并没有先经过光纤阵列传送光信号，因为光纤具有集光能力，在光纤端面一定入射角范围内的光线都能进入光纤内部产生全反射传播出去，所以光纤阵列中存在观测区重叠的问题，而光敏器件只有光直射到它们的P-N结及其附件时，它才形成相应的光敏流，不具有集光能力，因此不存在观测区域重叠的问题。为提高测量精度，本发明选用现有的最小尺寸为Φ2mm，型号为3DU22B的硅管型的光敏三极管。通过其组成的光敏三极管阵列来感测弧光信号。该光敏三极管在光照充分时允许通过的电流IL≥3mA，且光照越强其通过的电流值就越大。其响应速度快，上升及下降时间都不大于15μs，可以满足本发明对开关设备的检测的需求。

参照图14，为单路光敏信号的弧光感测电路图。图中VT为光敏三极管，是光敏转换的核心元件。光敏三极管的输出信号为电流信号，它与采样电阻R1401通过电阻R1400与电源相连，将光敏三极管输出的电流信号转换为电压信号。VT在无光照射时，光敏三极管处于截止状态，暗电流很小；VT在有光照时，光敏三极管有光敏流通过，且随着光照强度的增加，光敏三极管通过的光敏流越大，经采样电阻R1401两端的电压降也就越大，相应的由电阻R1402、R1403、R1404、R1405组成的运放电路输出的电压值Vo就越大，其中运放可采用OP27。

参照图15，为比较与锁存模块电路图。发明采用将每一路运放的输出信号都接至比较器和锁存器的方法，来确定电弧像有没有到达前方相应光敏三极管所在区域，并将该信号加以锁存，以备数据采集卡进行信号的采集。发明通过在电弧成像区附近设一采样光敏三极管，并对其输出信号进行同样的放大分压等处理后，作为参考端送至比较器的负电压端。当某光敏三极管在电弧成像区域内时，则该光敏三极管输出信号经运放放大后输出的电压高于参考端电压，相应比较电路输出高电平；否则，比较电路输出低电平。发明根据比较电路输出电压的高低来判断对应光敏三极管是否在电弧成像的区域内。实际实施中，本发明选用由64路相对独立的比较电路组成的比较器LM339对光敏输出信号进行比较，来确定弧光成像范围。因为当光照较强时，各运放比较电路的输出电压会超过比较器LM339电源电压VCC，所以需要先对运放输出电压信号通过由电阻R1500和R1501组成的分压电路进行分压，然后再送入比较器LM339。选用芯片74HC74对比较器输出的信号及时进行锁存。该锁存器是利用肖特基TTL电路制成的双路快速边沿D触发器。每一路都有独立的清零和触发端口，并且都有独立的输出端口。边沿触发器次态仅取决于CLK上升沿(或下降沿)到达时刻输入信号的状态，而在有效触发沿之前和之后输入信号变化对触发器状态均无影响，从而克服了空翻，增强了抗干扰能力并提高了触发器的可靠性。74HC74属于时钟上升沿触发型芯片，即在时钟上升沿到来时输入端信号传送到输出端。对于芯片74HC74而言，信号从CLK端传送到Q端所用时间，总是比信号从输入端D传送到输出端Q所用时间长一些，且相差较大。因此，本发明直接将输入信号和时钟控制脉冲端相连。当比较器输出高电位时，信号输入端D先将信号送入输出端Q，接着CLK端将上升沿的时钟脉冲送到Q端，将比较器LM339输出的高电位信号及时锁存。当比较器输出低电位时，因时钟脉冲CLK端无上升脉冲产生，锁存器输出低电位不变。对于64路74HC74的清零端口CP，统一由采集卡DO口进行控制，即在一组电弧测量完毕后，对锁存器统一清零。

参照图16，为8选1扩展为16选1数据选择器的电路连接图。本发明将弧光像信号分为64路进行光敏信号采集，数据采集卡选用DAQ2214，受数据采集卡DAQ2214的AI端口仅为16路的限制，本发明将64路信号先通过16选1多路选择器，然后由4路AI端口有序地分批连续送入数据采集卡。其16选1多路选择器是由8选1多路选择开关74LS151扩展而成的。74LS151具有并串转换功能，易扩张，扩展后允许从N个通道中选择一通道。一般情况下，数据从输入到输出的传输延时为12.5ns，功耗为30mW。本发明所用扩展电路如图15所示。D0～D15为十六路数据输入端，A3A2A1A0为4位地址输入端。对于74LS151而言，只有其脉冲选通控制端口ST为低电平时该芯片才可用；如果ST为高电平，则输出端口Y电位被箝位在低电平，相应的Y被箝位在高电平。当高位地址码A3为低电平时，芯片74LS151I被选通，即从低位地址码A2A1A0选出D0～D7数据中的一路经或门74LS32送到输出端；当高位地址码A3为高电平时，芯片74LS151II被选通，低位地址码A2A1A0选出D8～D15数据中的一路经或门送到输出端。对图16中的非门，本发明选用芯片74LS04来实现，该芯片由独立的六路非门组成。无论输出信号从上升沿跳变到下降沿还是从下降沿跳变到上升沿所需延时都很短，具体数值随负载的阻抗值的不同而不同，当负载电阻RL＝2kΩ、电容CL＝50pF时，所需延时小于15nS。本发明选用芯片74LS32来实现或门功能，它由四路独立的或门组成，其输出跟随输入的响应时间短。由74LS32输出的信号直接送入数据采集卡。为保护数据采集卡免受过电压的损坏，本发明在该部分的每个AI输入端口都采用稳压二极管进行电压限值保护。

参照图17，为电弧在二维光敏元件阵列上的成像示意图。该图是基于LabWindows/CVI虚拟仪器技术对应二维感光元件的形状模拟电弧成像分布图，图中小圆圈代表感光元件光敏三极管，阴影部分为故障电弧的成像，通过凸透镜、弧光故障位置和光敏三极管三者之间的位置关系即可换算定位出开关设备发生电弧故障的位置，因而可以很好地反映电弧的发生、发展过程，为后续的弧光故障分析提供很好的依据。