專利名稱：開關(guān)柜中內(nèi)部電弧故障的檢測保護(hù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種開關(guān)柜中內(nèi)部電弧故障的檢測保護(hù)裝置。
背景技術(shù)：
近年來，國外開發(fā)出了電弧光保護(hù)系統(tǒng)，如德國Moeiier公司用于低壓開關(guān)柜的故障電弧保護(hù)系統(tǒng)ARCON，ABB的ARC Guard System故障電弧保護(hù)系統(tǒng)，以及Vaasa電子公司的用于中、低壓開關(guān)柜的故障電弧保護(hù)系統(tǒng)VAMP等。這些系統(tǒng)是基于檢測電弧故障時發(fā)出的弧光以及過流雙判據(jù)，以提供快速而安全的母線保護(hù)，這為限制電弧故障損壞提供了一種有效的解決方案。采用這種方案的保護(hù)范圍，是通過布置弧光傳感器的物理位置來實(shí)現(xiàn)的，因此其覆蓋范圍在開關(guān)柜內(nèi)是不受限制的。此外，有些保護(hù)系統(tǒng)還能提供故障定位信息，這一信息對于盡快找到故障點(diǎn)進(jìn)行維修，盡快恢復(fù)供電時至關(guān)重要。
自90年代以來，國外越來越多的電力和工業(yè)用戶認(rèn)識到電弧故障的危害，在開關(guān)柜中采用了上述這些裝置或系統(tǒng)。但是這些裝置或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高而影響了其推廣使用。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是在總結(jié)國內(nèi)外在電弧檢測裝置方面一些最新成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、結(jié)構(gòu)簡單、檢測范圍大、靈敏度調(diào)節(jié)靈活、抗干擾性強(qiáng)、動作快、可靠性高、成本低的開關(guān)柜中內(nèi)部電弧故障的檢測保護(hù)裝置。
實(shí)現(xiàn)上述目的開關(guān)柜中內(nèi)部電弧故障的檢測保護(hù)裝置，包括光纖探頭連于弧光信號檢測電路，弧光信號檢測電路的輸出經(jīng)故障分析單元得出的故障參數(shù)一路直接送入繼電保護(hù)裝置，另一路經(jīng)傳感器參數(shù)優(yōu)化后再送入繼電保護(hù)裝置，電流互感器連于電流檢測單元，電流檢測單元的輸出連于故障分析單元。
本實(shí)用新型的開關(guān)柜中內(nèi)部電弧故障的檢測保護(hù)裝置具有抗干擾性強(qiáng)、動作快、靈敏度高、測量范圍大、可靠性好，與小型可編程控制器EASY、數(shù)字式繼電保護(hù)裝置PA100、PA200等配合使用，能有效地測檢到開關(guān)柜內(nèi)部的電弧故障，快速切除電弧，確保電力系統(tǒng)的安全。
弧光信號檢測單元設(shè)計(jì)的主要目的是將由光纖探頭采集并由光纖傳遞過來的弧光信號轉(zhuǎn)換成可進(jìn)行控制和處理的電信號，再用電信號控制繼電保護(hù)裝置的動作。圖2為弧光信號的采集與處理電路原理圖。此電路的組成是，光電二極管負(fù)極分成兩路，一路直接連于運(yùn)算放大器輸入正端，另一路經(jīng)采集模塊和電阻與運(yùn)算放大器輸入負(fù)端相連，運(yùn)算放大器輸出端經(jīng)電阻連于與繼電保護(hù)裝置相連的電壓比較器。
弧光信號由光電二極管轉(zhuǎn)換為電流信號，在采樣模塊AR1的作用下，變成電壓信號輸入到運(yùn)算放大器A1的同向輸入端，經(jīng)過放大，送入到比較器SPR中與實(shí)驗(yàn)確定的電壓進(jìn)行比較，得到一個開關(guān)信號，最后將此信號送給繼電保護(hù)裝置RELAY控制斷路器的開斷動作。
圖2中的AR1為信號采集電路中的采樣模塊，在燃弧電流不變的情況下，適當(dāng)改變它的參數(shù)就可以提高采樣端的采樣電壓，相應(yīng)的提高了弧光傳感器的靈敏度；在燃弧電流改變的情況下，弧光強(qiáng)度發(fā)生變化，光敏二極管輸出電流也隨之改變，此時同樣可以通過調(diào)節(jié)采樣模塊的參數(shù)來提高采樣端的采樣電壓，達(dá)到提高弧光傳感器靈敏度的目的。
圖2中使用的運(yùn)算放大器A1，主要作用并不是為了放大采樣電壓，而是為了提高采集卡的輸入阻抗，降低輸出阻抗，提高傳感器的干擾能力。
運(yùn)算放大器輸出的電壓信號通過比較器與分壓電路設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，超過設(shè)定的比較電壓的信號將被作為故障信號，由比較器的輸出端口送入到繼電保護(hù)模塊中。燃弧電流的大小不同，比較電壓值的大小也不一樣，需要通過實(shí)驗(yàn)確定。原則上為了達(dá)到要求的檢測靈敏度，比較電壓需要盡量小，但是又必須保證不出現(xiàn)誤判現(xiàn)象，這就需要在大量的實(shí)驗(yàn)中找到合適的值。通過調(diào)節(jié)分壓電路的阻值，就可以改變比較電壓的大小，從而改變弧光檢測裝置的靈敏度。
弧光傳感器將和Easy和PA100等繼電保護(hù)裝置配合使用，因此需要考慮傳感器和繼電保護(hù)裝置的接口問題。以8路檢測單元為例，附加編碼器(CD4532B)和多路數(shù)據(jù)選擇器(MUX，SN74LS251)，實(shí)現(xiàn)唯一的且為故障的信號輸出。其原理如圖3所示。
圖中S0-S7是比較器輸出的8路檢測信號，同時輸入到優(yōu)先編碼器和多路選擇器中，分別進(jìn)行檢測信號的地址編碼和選擇輸出。優(yōu)先編碼器的作用是將輸入信號按優(yōu)先級順序進(jìn)行編碼，輸出故障信號的地址給多路選擇器的地址輸入端(A、B、C)。多路選擇器在其輸入端的8路檢測信號中選擇故障信號輸出，而且它的輸出決定于其地址輸入端的值，優(yōu)先編碼器送給地址輸入端故障信號的地址，保證了最終在8路檢測信號中確實(shí)是故障信號輸出。
為了維修方便，還考慮了故障電弧的定位問題。每套弧光保護(hù)裝置由多個檢測
圖1是開關(guān)柜中內(nèi)部電弧故障的檢測保護(hù)裝置組成框圖。
圖2是弧光信號采用與處理電路原理圖。
圖3是編碼器和多路選擇器連接方式示意圖。
圖4是故障定位顯示電路原理圖。
圖1中符號名稱EASY——小型可編程控制器；PA100、PA200——數(shù)字式繼電保護(hù)裝置。圖2中符號名稱PHOTO——光電二極管；ARI——電弧信號采集模塊；A1——運(yùn)算放大器；SPR——比較器；RELAY——繼電保護(hù)裝置。
具體實(shí)施方式
由圖1可知，本實(shí)用新型的開關(guān)柜中內(nèi)電弧故障的檢測保護(hù)裝置由光纖探頭、弧光信號檢測單元、電流互感器、電流檢測單元和故障分析單元組成。光纖探頭將采集到的光信號送至弧光信號檢測單元，經(jīng)弧光信號檢測單元的處理送至故障分析單元；同時電流互感器檢測的電弧短路電流經(jīng)過電流檢測單元的處理送至故障分析單元。故障分析單元將電弧故障弧光信號和短路電流信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、判斷，發(fā)出脫扣信號，使故障電弧的上游斷路器分閘。
故障電弧會在開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的壓力、燃燒和輻射效應(yīng)。傳統(tǒng)的弧光探測傳感器大多是直接將光電轉(zhuǎn)換器件置于工作現(xiàn)場，然后通過信號傳輸線將由轉(zhuǎn)換過來的電信號傳送至上級處理單元。這種工作方式在大多數(shù)場合都是適用的。但由于開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生電弧故障時將使內(nèi)部壓力迅速上升，同時將產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁效應(yīng)、電效應(yīng)、光效應(yīng)和熱效應(yīng)等強(qiáng)干擾，電平很低的控制信號很難保證還能按系統(tǒng)保護(hù)要求的那樣正常工作。而一旦由于強(qiáng)干擾而使弧光檢測單元送出的控制信號失效，致使上級處理單元誤動作，其結(jié)果都是難以想象的。
為了提高系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中的工作能力，采用帶金屬套管的光纖探頭作為開關(guān)柜內(nèi)的感光器件，并由光纖將故障電弧光傳送至開關(guān)柜內(nèi)的低壓控制隔室。利用光纖的強(qiáng)抗干擾能力，使弧光信號可以非常可靠地傳至光敏器件端。光敏器件及后續(xù)的處理電路都放置于干擾相對較小的低壓控制隔室。
這樣與傳統(tǒng)的直接將光電探測器放置于開關(guān)柜中的設(shè)計(jì)方法相比，本裝置減少了弱電控制信號的傳輸距離，并大大改善了弧光傳感器的工作環(huán)境，它具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、易于安裝等特點(diǎn)。
光纖探頭的具體組成是，在圓柱體形纖芯外層環(huán)繞一層圓柱形套層，最外層由護(hù)套包覆，兩端裝有便于安裝固定的金屬套管。為了提高傳感器檢測弧光的精確度，減少光纖中弧光信號的衰減，本實(shí)用新型采用石英玻璃光纖。單元組成，將每個檢測單元的光纖探頭分別放置于開關(guān)柜的不同位置。仍以8路檢測單元為例，將8路檢測單元進(jìn)行S0-S7的編號，編碼器輸出的故障電弧的地址用譯碼器配合數(shù)碼管顯示出數(shù)字或符號，從這個數(shù)字或符號就可以輕松的判斷故障信號來自哪個檢測單元，從而了解到故障電弧發(fā)生在開關(guān)柜的哪個位置。二極管每位最多可以顯示16個不同的數(shù)字或字母，所以每套弧光傳感器最多可以有16個檢測單元。無論哪一個檢測單元發(fā)生了電弧故障，從二極管中的數(shù)字都可以直接判斷出來，繼而進(jìn)行檢修。8路檢測的故障定位顯示電路如圖4所示。
圖中譯碼器的作用是將編碼器輸出的故障地址的3位編碼譯成8位，逐位驅(qū)動數(shù)碼管各位，控制數(shù)碼管各位的點(diǎn)亮。值得一提的是，用編碼器的輸出GS控制譯碼器的LT位，使得在無故障出現(xiàn)時，數(shù)碼管各位全亮，即顯示“8”，任何一路有故障時，就顯示0-7的一個數(shù)字，從而將有和無故障狀態(tài)的顯示區(qū)分開來。數(shù)碼管顯示的數(shù)字時刻隨輸入的地址值而變化，故障出現(xiàn)后為了避免由于電弧的消失導(dǎo)致的數(shù)碼管顯示清0，在顯示電路中增加了地址鎖存器。鎖存器的作用是保證故障地址顯示持續(xù)、穩(wěn)定，它的閉鎖使能端(CLK)由編碼器的輸出E0控制，確保任何一路出現(xiàn)故障，其地址都能夠安全的保存在鎖存器中，從而使故障定位準(zhǔn)確、可靠。本電路中編碼單元的擴(kuò)展(如將8位擴(kuò)展到16位)會使檢測單元數(shù)量再次增加，使檢測范圍更廣，從而對開關(guān)設(shè)備的保護(hù)更充分。
綜上所述，本套電弧光檢測裝置可以實(shí)現(xiàn)在多路檢測信號中準(zhǔn)確地選擇故障信號輸出，使檢測單元的數(shù)量不受繼電保護(hù)模塊端口數(shù)量的限制。比較已有的弧光保護(hù)裝置，本裝置具有故障信號判斷準(zhǔn)確，檢測范圍大，維修方便等特點(diǎn)。
權(quán)利要求1.一種開關(guān)柜中內(nèi)部電弧故障的檢測保護(hù)裝置，其特征在于，包括光纖探頭連于弧光信號檢測電路，弧光信號檢測電路的輸出連于與繼電保護(hù)裝置相連的故障分析單元，檢測電弧短路電流的電流互感器連于電流檢測單元，電流檢測單元的輸出連于故障分析單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)柜中內(nèi)部電弧故障的檢測保護(hù)裝置，其特征在于，光纖探頭的組成是，在圓柱體形纖芯外層環(huán)繞一層圓柱形套層，在圓柱形套層上再包覆一層護(hù)套，兩端裝有便于安裝固定的金屬套管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的開關(guān)柜中內(nèi)部電弧故障的檢測保護(hù)裝置其特征在于弧光信號采集與處理電路包括光電二極管負(fù)極分兩路，一路直接連于運(yùn)算放大器(A1)輸入正端，另一路經(jīng)采集模塊(AR1)和電阻與運(yùn)算放大器(A1)輸入負(fù)端相連，運(yùn)算放大器(A1)的輸出端經(jīng)電阻連于與繼電器保護(hù)裝置相連的電壓比較器(SPR)。
專利摘要一種涉及開關(guān)柜中內(nèi)部電弧故障的檢測保護(hù)裝置，包括光纖探頭，弧光信號檢測電路，電流互感器、電流檢測單元和故障分析單元。光纖探頭將采集到的弧光信號送至弧光信號檢測電路處理后送至故障分析單元；同時由電流互感器檢測到的電弧短路電流經(jīng)電流檢測單元輸至故障分析單元。故障分析單元將電弧故障弧光信號和短路電流信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、判斷，發(fā)出脫扣信號，使故障電弧的上游斷路器分閘。本裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有抗干擾能力強(qiáng)，檢測范圍大，響應(yīng)時短，只需5ms，可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低等特點(diǎn)。
文檔編號H02H7/22GK2689428SQ20042002591
公開日2005年3月30日 申請日期2004年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月1日
發(fā)明者蔡彬, 吳銳, 王鑫偉, 高冬梅 申請人:江蘇長江電氣集團(tuán)有限公司