船用中壓變壓器電弧故障檢測方法研究

郜世杰，羅寧昭

（1.海軍駐廣州427廠軍事代表室，廣東廣州 510715；2.海軍工程大學電氣工程學院，湖北武漢 430033）

船用中壓變壓器電弧故障檢測方法研究

郜世杰1，羅寧昭2

（1.海軍駐廣州427廠軍事代表室，廣東廣州 510715；2.海軍工程大學電氣工程學院，湖北武漢 430033）

通過分析各種故障電弧檢測技術方案，確定基于弧光的電弧檢測方法適合船舶中壓變壓器，該檢測方法可靠性高、速度快，能夠滿足船用環境要求。

中壓變壓器；電弧檢測

0 引言

電弧是一種由電流通過介質所產生的瞬間氣體放電現象，過程中產生的游離導電氣體具有溫度很高、導電電流小且持續時間短的特點。產生的巨大熱量，會引起周圍其他介質的燃燒，從而造成火災以及爆炸。有專業數據顯示，約有30%的火災是由建筑中輸配電設施的老化或者不合理而造成的，且隨著自然損耗及人為因素，這個數據在以平均每年1%的速度持續上升；對于個體，人們在使用插座板時約有6.6%的人曾有過被電擊的經歷。美國聯邦航空管理局（FAA）在分析商業飛機事故過程中發現，電氣故障是引起諸多事故中的一個主要問題；同時電氣故障也被美國軍方列為造成飛機安全問題和不能準時起飛的“頭號殺手”。在引起這些事故的電氣原因中，電弧可能就是始作俑者[1～2]。

目前在大型水面船舶上通常采用中壓供電。較高的電壓容易導致絕緣擊穿，而船舶的震動環境會使電纜連接處松動，這些故障都會產生電弧，這些電弧極易引起火災。而中壓變壓器又是船舶中壓電力系統中的重要組成部分，其安全性直接關系到整個電力系統的可靠性和安全性。船用中壓變壓器通常被封閉在變壓器柜體內，這為對變壓器進行電弧檢測創造了有利的環境條件，本文將根據船舶電力系統特殊環境選擇適合船舶的中壓變壓器電弧故障監測裝置，以保護變壓器的安全運行以和船員的人身安全。

1 電弧故障原理

從技術角度給出電弧的定義是：兩個絕緣介質之間由氣態帶電粒子維持的導電過程。然而大部分電氣設備正常操作的過程必然會引起上述現象。例如打開熱水器的開關或是電動機間的交換。然而這些設備在設計、制造之初就人為的將周圍環境與可能產生的電弧隔絕開來，且這種隔絕是行之有效的。可是電弧還是被不希望發生的，因為這種粒子的熱游離現象對介質具有極強的破壞作用。通常的絕緣介質可以是一種間隙（油或空氣）、電子線路的絕緣層，或是任何其他的絕緣體，這些絕緣體將電極或電子線路分離，以使導體中立。在120V～240V(AC)系統中，要讓電弧持續發生，并引起點燃，是很困難的。除非有持續不斷的外界加電壓，或者是電極之間的虛接導致一個持續不斷的放弧，從而引起電弧故障。但在6kV～10kV系統中電弧極易發生，根據相關實驗發現，6.6kV電力系統發生接地故障時，電弧重燃概率高達20%以上。而變壓器繞組間隙小，工作溫度高，發生絕緣故障時出現電弧的可能性也隨之升高，因此電弧檢測裝置十分必要[3～4]。

2 電弧檢測方法

2.1 基于電壓的檢測方法

輸配電線路中發生電弧時，會引起故障電路中電壓發生劇烈變化。電弧電壓波形較為復雜，存在典型階躍特征。電弧電壓在零區時間間隔非常短，電弧電壓變化率較大，在電流過零時最大，這一特征可用于電弧電壓波形的識別。

圖1 電弧電壓檢測原理圖

首先經電壓傳感器檢測到含有電弧信息的線路電壓。然后經調理電路對信號進行調理，調理電路包括變換、放大、濾波等環節。經調理電路處理過的電壓信號，傳輸至脈沖轉換器，將電壓的階躍降信息變成脈沖信號。該脈沖信號再經由單穩態觸發器、積分器組成的調理電路進行整形、二次變換等處理。再將脈沖信號變為頻率隨脈沖信號變化且幅值恒定、寬度不變的脈沖，再經積分器進行積分變換后作為比較器的輸入信號。當輸入信號的幅值超過比較器的設定值時，比較器輸出保護信號。該方法需要對電弧電壓信號進行檢測，提取電弧電壓的突降信息。然而電弧電壓信號易受電網負載及其他因素的干擾，容易造成誤判，準確性不高可，僅可視為一種對輸電線路中可能存的故障電弧發出的提示、警告。

2.2 基于電流的檢測方法

Delphi研究室基于故障電弧時電流會有突增或者突降的特性，設計了FDC 模塊，開發出了一種電弧檢測裝置。該裝置是為汽車獨立封閉式配電網絡量身訂做的，用于汽車系統電弧的檢測。但該裝置的缺點是當開關閉合后，系統要求負載不能有太大的變化，而事實上在大部分輸配電系統的線路終端，負載均會發生變化。例如負載為非線性負載或者負載的熱插拔，此種情況都會造成上述故障電弧檢測裝置的誤動作。R.Spyker等人針對電弧電流的頻域特征進行研究，在直流串聯電弧中發現，在10kHz到100kHz的頻率范圍內，電流的諧波含量明顯增多。該現象證明了在頻域進行故障電弧檢測的可能性。于是在綜合考慮電流值和電壓值的情況下，James A.Momoh等人將傅立葉分解引入了電弧檢測中。將采集到的能量信號進行傅立葉分解，傅立葉分解的結果就可以作為判斷故障電弧的依據。然而，考慮到負載性質、電源質量等因素，為了防止產生誤判斷，又引入了人工神經網絡。將傅立葉分解后的結果引入神經網絡中，進行訓練，然后得到較為精確的結果。但是，傳統的FFT變換要求系統線性以及穩定的信號，但是故障電弧信號具有非線性以及隨機性的特征，國內外學者又將小波分析引入了故障電弧檢測中。韓國學者針對韓國的154kV的高壓傳輸系統的高阻故障電弧，利用小波變換進行了研究。研制出一種基于故障電弧時電壓特性電子式故障電弧檢測器。首先，將電壓變換放大、濾波。濾波器對電壓信號的諧波處理后輸至脈沖成型器，將信息變成脈沖，該脈沖經單穩態觸發器后形成恒定幅值、寬度不變的脈沖，輸至積分器進行積分，再至比較器，當積分器輸出幅值超過比較器的設定值時啟動線路，經延時后，發出脫扣信號，故障電弧的上游斷路器分閘。這種電子式故障電弧檢測器缺點是電弧電壓信號的檢測會受電網負載及其它因素的干擾，容易出現誤判。由此可見基于電流的電弧檢測方法受負載以及電網變化的影響，目前在船舶工程領域還不能很好的作為一種檢測故障電弧的手段。

2.3 基于弧聲的檢測方法

電弧在發生的過程中會伴隨“噼啪”的聲音，這是由于電弧產生的熱量使周圍空氣發生膨脹、收縮而引起的振動。這種明顯的物理現象可作為故障電弧報警的判據之一。超聲檢測系統結構如圖3所示該系統由不同型號的壓電傳感器、前置儀用放大器、濾波電路、后置放大電路和信號采集電路以及數據處理計算機構成。

圖2 電弧超聲波檢測原理圖

所選用的壓電傳感器是一種超聲波換能器，可將超聲信號轉變為電信號。超聲波換能器是系統的關鍵部件，可選用頻率范圍40kHz～200kHz、性能可靠的壓電傳感器，其核心部件為鍍膜壓電晶片，頻率誤差小，外部結構采用多層阻抗匹配及優良的被襯材料，具有良好的振動阻尼特性，且時間和溫度穩定性好、靈敏度高。前置放大電路采用儀用放大器，其主要特點是高靈敏度，高輸入阻抗，低輸出阻抗，既可對信號進行放大，又可過濾苴流分量。然而筆者認為在故障電弧弧聲檢測過程中還存以下因素作為真實故障的判據：一是首先要排除周圍環境噪聲干擾，主要是低頻的機械振動噪聲(20kHz以下)、高頻的電磁輻射干擾，同時考慮船舶環境鋼制結構的傳導噪聲干擾。通過對大量船舶噪聲環境的測量以及噪聲頻譜數據的積累分析，甄別出船舶電力系統短路電弧弧聲信號特征；二是通過試驗或模型分析得出具有故障危害的電弧弧聲信號；三是要考慮到被檢測超聲波信號隨距離不同而衰減，需針對不同的檢測距離和弧聲強度，進行針對性的調節后置放大電路的放大倍數。通過上述三種因素的排除、明確以及最終的合理配置，直至最后計算機對采集數據的進行分析處理，可實現對故障電弧保護。綜上所述基于弧聲監測短路電弧的方法目前在船舶中壓領域的應用尚不能作為主要判定故障電弧的依據，其有效性和準確性尚待進一步開發。

2.4 基于電弧壓力效應的檢測方法

電弧在開關裝置內部發生時，伴隨一個瞬間電能轉換為熱能，從而引起周圍氣體溫度升高，壓力增大的類爆炸過程。這種“爆炸”對開關裝置造成短時而劇烈的沖擊。理論表明通過選用相應氣體壓力比例微分傳感器是可以有效的監測到這種變化，從而發現、控制開關內部電弧的產生。目前，利用故障電弧的壓力效應西門子公司，已經開發了一種壓力開關系統，從出現短路電流引起的壓力波到斷路器分閘的時間可有效控制在100ms內。但利用壓力特性開發的故障電弧探測系統，雖然具有良好的效果，但基于被探測物理量——短路電弧產生的高壓氣體其需泄壓的特性通常此類壓力開關系統需具備密性良好、且泄放可靠雙工藝標準，因而目前并未廣泛被制造商所接收，推廣難度較大。

2.5 基于紫外光的電弧檢測法

由電弧放電以光的形式向周圍輻射能量，輻射的過程產生不同光譜的發光現象。放電光譜分為紫外、可見光、近紅外3個譜線區。因此，監測配電開關中的紫外線強度可以有效識別放電現象的發生，確定電弧是否在開關觸頭部位發生。目前新型非接觸式紫外光譜探測器可有效探測波長230nm～280nm區域紫外光，成功排除了自然光譜中紫外光的影響，已在部分高壓輸電線路中開展應用。但由于船舶故障電弧通常為中壓電弧，與陸地高壓超高壓系統放電電弧有一定區別，其電弧電紫外特征尚需研究，以此該種方法還未能應用在船舶上。其次，船舶配電系統較陸用配電網絡更具有集約性，開關分段保護點多，裝置內部開關、觸電布置密集，對傳感器或探測元件的靈敏度、體積、反應動作時間要求高，因此在船舶配電系統中選用紫外光譜電弧監測法工程實現較為復雜，推廣應用時機還未成熟。

2.6 基于弧光的電弧檢測法

弧光是電弧現象過程中產生的一種光輻射，其具有速度快、現象明顯等特點，也是目前監測手段較容易捕捉的一種物理量值。通過相應探測器并配置合理的斷路保護裝置，可將電弧從發生—探測—處置反應時間壓縮至毫秒級別，因而它是目前比較理想的中低壓配電開關保護方案之一。SELCO公司的D1000電弧故障保護系統，是一個獨立的高速弧光保護模塊，能夠檢測電弧產生時發出的可見光，十分適合船舶變壓器電弧保護使用。D1000同時支持光點和光纖電弧閃光檢測傳感器技術，并且最高支持6個傳感器。傳感器可以根據設備和需要進行任意組合。D1000可以在小于1ms的時間內實現高速弧光故障檢測和過流保護檢測。當D1000模塊檢測到一個電弧閃光故障時，會在小于1毫秒時間內產生一個分閘的脈沖給斷路器。整個電弧時間就會因此減少為斷路器機械打開時間，這個時間一般在50毫秒～75毫秒范圍。分閘回路是基于一個固態開關的，提供快速反應和驅動最大斷路器的能力。

圖3 D1000電弧保護系統

D1000高速弧光保護模塊外接A2000光纖傳感器，該傳感器是基于光纖技術的光傳感器，A2000光纖傳感器是一個完全靈活的光纖在整個光纖長度中都擁有360度探測角度，探測半徑達到2米。

圖4 A2000光纖傳感器

由于弧光可以在柜體內反射柜子內部安裝1個傳感器即可，有嚴重遮擋時可安裝2個傳感器以覆蓋整個變壓器以及變壓器柜。該種方式能夠準確判斷電弧故障的發生，十分適合在船舶上使用。

3 結論

根據對現有檢測電弧的技術手段進行分析，基于弧光的電弧檢測法具有檢測速度快，可靠性高等特點，適合在船舶上使用。

[1]楊藝,董愛華,付永麗.低壓故障電弧檢測概述[J].低壓電器,2009(5): 1-4,27.

[2]施惠冬,潘東強,付華.電弧故障檢測的分析和研究[J].低壓電器,2013(6): 15-20.

[3]黃鵬.高速電弧光保護系統及應用研究[D].華南理工大學,2012.

[4]董榮剛.電弧故障診斷技術的研究[D].沈陽工業大學,2009.

Research on Arc Fault Detection of Middle-Voltage Marine Transformer

GAO Shi-jie1,LUO Ning-zhao2
(1.Navy Representative Office atNO.427 Factory,Guangzhou 510715,China; 2.Electrical Engineering Department,Navy Engineering University,Wuhan 430033,China)

With analysis of various arc fault detection methods,this paper proves that arc detection method based on arc is suitable for middle-voltage marine transformers.The method ensures high reliability,fast detection and meets the requirements of marine environment.

Middle-voltage transformer; arc detection

U665

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.018

郜世杰（1981-），男，工程師，主要從事船舶電氣監造工作。