摘要：通过对电弧光保护装置的工作原理、实际应用情况、相关标准的研究，分析了电弧光保护装置测试设备的设计需求，设计了带可旋转光源的电弧光保护装置测试设备，设备主要包括主控单元、可旋转光源、电流输出模块、开关量输入模块等，可以用来实现对弧光和电流的定量联动输出，并对保护装置动作时间进行精确计时，还可以测试弧光传感器的有效感光角度。本装置通过功能测试，其过程和结果显示，带可旋转光源的电弧光保护装置校验测试设备，满足相关标准对弧光保护装置主要技术性能的检定要求。
关键词：电弧光保护装置；校验测试设备；可旋转光源
0 引言
电弧光保护装置能够快速检测并切除中低压开关柜中母线故障，近年来已经在变电站得到应用和验证[1-3]，通过开展相关研究和实验[4]，已逐步形成一系列相关配套标准[5,6]。行业标准里还有相关对弧光传感器感光角度的要求，但目前市场上的继电保护测试仪，只能模拟输出故障电流，为了对电弧光保护装置进行测试，通常用强光电筒照射模拟短路弧光[7]，不能真实反映弧光保护装置的动作逻辑，无法对电弧光保护装置的功能和性能进行定量检验，更不能定量完成检测弧光传感器不同角度感光性能的要求，因此有必要研制一种带可旋转光源且能够联动输出定量弧光和故障电流的校验设备，对弧光保护装置进行统一认证。
1电弧光保护装置的原理及实际应用分析
当前市场上的电弧光保护装置,基本都是弧光和过电流检测的原理[8-10]，如图1所示。动作判据为故障时产生的两个条件，即弧光和电流增量。当同时检测到弧光和电流增量时系统发出跳闸指令，当仅检测到弧光或者电流增量时发出报警信号，而不会发出跳闸指令。
图1 弧光保护装置动作逻辑
电弧光保护装置主要由主控单元、辅助单元和弧光传感器几部分组成。主控单元用于管理、控制整套电弧光保护系统。通过检测弧光和电流增量信号，并对收到的两种信号进行处理、判断。在满足跳闸条件时，发出跳闸指令以切除故障。主控单元的跳闸及报警信号可根据不同母线结构和运行方式编程，选择跳闸逻辑。弧光传感器大多为圆柱形，头部为感光部分，尾部为光纤连接部分。传感器经光纤连接至保护装置的光电转换电路。
图2 弧光传感器及母线室实物图
目前，弧光保护广泛安装于110kV变电站中35kV、10kV开关柜内，一般情况下弧光传感器正对于监测点。但现实情况中，由于施工难度和成本等原因，一个母线室内只安装一个弧光传感器，母线室有三根母线，三根母线之间都有一段安全距离，所以一个弧光传感器不可能同时正对与三根母线。实物安装情况见图2。由图可见弧光传感器在不同角度的传感性能，直接影响弧光保护装置的整体性能。
2 带旋转光源的电弧光保护装置测试设备研制
2.1 设备系统需求分析
根据电弧光保护装置组成部分、工作原理、实际运用情况，按照相关标准要求，电弧光保护装置校验设备须具有弧光和故障电流发生功能，且可以检测传感器的感光角度。弧光和电流可以单独或并列运行，实现弧光单判据和实现弧光、电流双判据校验试验；校验设备的弧光强度和电流幅值须在量程范围内连续可调，可以对电弧光保护装置的弧光阈值和电流阈值进行验证；弧光和电流需要在时序上进行联动，从而实现对跳闸动作时间的测试。有研究表明电弧光的能量主要集中在300-400nm的紫外光波段和500-600nm的可见光波段[11]，中心波长大约分别为330nm和530nm，并且高压电弧中紫外成分比例更高[12]。因此测试设备要能够输出靠近中心波段的紫外光或可见光，来模拟真实弧光。开关柜发生内部弧光短路故障产生的短路功率很高，电弧燃烧持续时间超过100ms，所释放的能量开始急剧增加，接着各种故障效应对开关设备的电缆、铜排以及钢材造成严重损坏[12],所以保护动作时间越快越好。弧光保护装置的动作，可以是弧光单判据，也可以是弧光过流双判据，根据相关标准，两种条件下的最大动作时间要求分别是10ms和20ms，因此校验设备对动作时间的测试精度要求要高，至少要达到0.01ms。
2.2 设备硬件系统设计
图3 硬件功能模块示意图
电弧光保护装置校验测试设备由主机和旋转光源机构组成，主机包括主控模块、电流输出模块、开关量输入模块、开关量输出模块、显示及操控模块、开关电源模块、通讯模块及上位机操作系统组成，如图3所示。旋转光源机构包括光源驱动模块及弧光灯组成的光源盒、转盘、量角器、传感器夹具、底板等组成，如图4所示。其中主控模块采用275MHz高速集成浮点数字信号DSP处理，该模块同时控制光源输出模块、电流输出模块输出定量幅值的光和电流，采集开关量输入模块检测的外部开入信号，控制开关量输出模块输出触发控制信号，与显示及操控模块通讯实现人机交互，经过通信模块可与上位机操作系统连接。该模块的Cycle Time为4ns，满足计时的准确度要求。
图4 旋转光源机构示意图
光源盒包括光源驱动模块和弧光灯，弧光灯选用光谱覆盖200-700nm波长范围的弧光灯，光源驱动模块根据主控模块发出的数据设定弧光灯的工作电压及电流，并实时检测弧光灯的光强度反馈给主控模块。旋转光源机构的工作原理就是光源以弧光传感器为圆心，围绕弧光传感器完成正负90度旋转。由图4可以看出，当转动量角器的指针时，光源盒通过连杆和指针一起转动。指针旋转的角度就是光源围绕弧光传感器旋转的角度。电流输出模块采用大功率集成电流输出模块，最大输出电流为40A，由主控模块控制输出电流的波形。主控模块同时对光源盒和电流输出模块进行控制，在弧光过流双判据模式时，光源和电流可以根据时序无间隔同时输出。开关量输入模块以高速光电耦合器为核心,信号传输时间为ns级，独立检测外部开关信号，并将信号传送给主控模块，用于计算弧光保护装置动作时间；开关量输出模块采用继电器接点输出，用于设备联动及测试；显示及操控模块配置液晶显示器和操作按键，用于用户交互操作；开关电源模块为整个设备系统提供工作电源，输入电源为AC220V，方便实验室和现场测试；通讯模块配有RJ45和RS232两种通讯接口，与后台电脑连接，可以通过客户端软件完成自动化的测试过程。
2.3 设备操作软件系统设计
电弧光保护装置校验测试设备的操作软件，包括控制程序、实时检测程序、计时程序、显示程序等部分。软件设计遵循“基础平台+应用平台”理念，采用模块化、层次化、组件化的开发思想，主要程序逻辑控制流程如图5所示。
图5 操作软件流程图
测试设备可通过客户端软件直接操作设备，并自动生成测试报告，测试报告的内容，包括实验日期时间、光强度值、光模式、输出模式、电流值、动作时间等详细信息。
3 实验验证
2018年11月9日使用带旋转光源的弧光保护测试仪，对不同厂家的弧光保护装置进行了测试，检测现场见图6。
图6弧光保护测试仪测试现场实物图
将弧光传感器安装在光源出口，保护装置电流输入端连接至测试设备的电流输出端口，保护装置的跳闸或报警输出端连接至测试设备的开入量输入端口。首先利用光源垂直入射弧光传感器单独输出进行弧光保护装置报警阀值的测试，动作阀值要在标准要求的5-20KLux 或1-10mw/cm2范围内，否则是不合格的，然后根据电流阈值，按照标准将校验装置设置为弧光过流双判据模式，输出电流设为电流阈值的两倍，输出光强度设为报警阀值的两倍，启动试验时，光电同时输出，弧光保护装置检测到弧光和电流后发出跳闸信号，跳闸信号被测试设备捕获后计算保护装置动作时间，满足标准要求的20ms内动作的保护装置即为合格。再次改变光源的角度，根据行业标准提到的水平入射时弧光传感器获取的光照度或辐射照度为垂直正入射时弧光传感器获取的光照度或辐射照度的７０％以上，测试弧光传感器的有效感光角度范围来判断传感器的性能是否达标。
图7所示为校验某厂家弧光保护装置时用示波器监测的校验测试设备性能测试波形图。其中，示波器通道1为校验设备的电流输出波形,通道2为校验设备的光源输出波形，通道3为校验设备检测到的跳闸信号。测试时，电流和光源同时输出，校验设备开始计时，接收到跳闸信号后立刻停止电流和光源输出并计算弧光保护动作时间。从示波器记录波形可以测得弧光保护装置的动作时间为12.8ms，同时校验设备显示动作时间为12.86ms。旋转光源后测得有效感光角度为165度。通过对不同厂家的多台弧光保护装置的相关测试，校验测试效果均比较理想，满足设计要求。
4 总结
针对电弧光保护装置的使用特点和标准校验要求，研制了带可旋转光源的电弧光保护装置测试设备，通过示波器监测以及在检测中心对不同厂家的多台弧光保护装置进行功能测试，测试过程和结果显示电弧光保护装置测试设备能够实现对不同厂家的弧光保护装置进行相关测试，同时满足不同种类的可见光和紫外光传感器的相关测试，符合弧光保护装置主要技术性能的检定要求。
参考文献:
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作者简介：
陈新美（1970-），女，河南许昌，主任检测工程师，主要从事继电保护标准的研究；
魏 超（1982-），男，江苏南京，工程师，主要从事电力仪器仪表及测试设备产品的研发与应用；
刘园伟（1981-），男，河南许昌，工程师，主要从事电力系统继电保护专业测试工作；
李杏彬（1976—），男，江苏南京，从事光电传感器在线监测系统研究和管理；
刘贵华（1987-），男，江苏南京，工程师，主要从事继电保护、电力自动化产品开发与研究。
论文作者:陈新美1,魏超2,刘园伟1,李杏彬2,刘贵华2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：弧光论文; 电弧论文; 保护装置论文; 光源论文; 电流论文; 测试论文; 设备论文; 《电力设备》2018年第24期论文;