一种基于光信号的电弧熄弧检测方法

1.本发明涉及一种基于光信号的电弧熄弧检测方法，属于电力系统继电保护技术领域。


背景技术：

2.在日常生活、工业中，各类电器设备的使用过程中可能引起火灾。火灾的发生将带来大量的人财损失。电器火灾的发生主要由两个原因：由电流因素引起的电器火灾和由故障电弧引起的电器火灾。由电流因素引起的电器火灾主要短路和过载，这种因素通常会由于产生的大电流而触动断路器或空气开关瞬时动作切断电源，避免火灾。而故障电弧引起的火灾主要由于电线外皮氧化、老化、电线虚接、松动等引起。电弧因素由于故障电弧持续带来高温很容易引燃附近可燃物质，但接地故障引起的电流较小，不足以使断路器动作跳闸切断电源，是难以预知的火灾因素。
3.配电网在运行中，由于过电压的影响会使线路击穿或绝缘子闪络、树木与线路距离过近引起放电等，会形成电弧接地故障，对配电网安全威胁大。根据已有配电网电弧接地故障理论，电弧初始形成是通过电压的击穿，电流的维持则决定了电弧是否能稳定存在。如今城市配电网中电缆线路比例不断提高，系统电容电流因此逐渐增大，导致稳定燃弧的概率不断提高。同时电弧的危害性较大，因此准确、快速辨识电弧变得尤为重要。
4.中压配电网开关柜所处的内外部工作环境复杂，易发生接地故障，产生的故障电弧严重危及人身安全与设备安全，现有弧光保护技术与装置的可靠性不高、灵敏性不足。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种基于光信号的电弧熄弧检测方法，通过检测中压配电网开关柜故障时电弧特定波段紫外光光强变量和可见光光强变量来判断电弧是否熄弧，突破了接地故障弱电流较小难以检测的瓶颈，避免中压配电网开关柜接地故障时电弧发展成稳定故障，避免永久故障的形成，提高了中压配电网开关柜运行安全性与可靠性。
6.本发明的技术方案是：一种基于光信号的电弧熄弧检测方法，首先通过光信号采集装置实时采集中压配电网开关柜故障时电弧光信号，光信号采集装置指的是光谱仪、光传感器设备，再通过所测特定波段紫外光光强变量与可见光光强变量，得出中压配电网开关柜故障时光信号变化量在设定时间内的衰减，并以此构造故障检测信号，再将这些信号与设定的检测门槛值进行比较，从而得出的中压配电网开关柜故障时电弧熄灭或者未熄灭的结果。
7.具体步骤为：
8.step1：通过实时采集光信号。
9.step2：将采集到的光信号转换为电信号。
10.step3：将电信号进行ad转化，获得可分析的数字信号。
11.step4：获取数字信号中特定波段的紫外光光强增量和可见光光强增量。
12.step5：将所述紫外光光强增量和可见光光强增量与所设定的门槛值相比较，进行电弧熄弧检测判定。
13.所述step1中，通过光信号采集装置实时采集光信号。
14.所述光信号采集装置为能获取所需紫外光信号及可见光信号的光信号采集设备。
15.所述光信号为紫外光信号和可见光信号。
16.所述step5具体为：
17.若所述紫外光光强增量和可见光光强增量在一定时窗内均小于或等于所设定门槛值，则判断电弧熄灭。
18.若所述紫外光光强增量和可见光光强增量在一定时窗内均大于所设定门槛值，则复归。
19.所述门槛值为不同环境下配电网开关柜电弧光信号阈值。
20.所述step4中，特定波段为λ3～λ4波段。
21.本发明的有益效果是：
22.1、本发明使用故障分析分量作为判断依据，与纵联差动保护的发明相比，该发明的保护速度更快；本发明有数据预处理部分以及在检测部分连续三次进行诊断，提高了该发明的可靠性；本发明通过对故障分量与给定阈值进行重复比较，增大了故障量与非故障量之间的差异性，从而提高了该发明的灵敏度。
23.2、相比于其他保护方法，本发明通过运用光信号，其响应速度快，可就地快速辨识电弧。并利用特定波段紫外光信号与可见光信号相结合进行分析处理可以提高弧光保护准确性与可靠性。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在没有实施创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明实施例中实施流程图；
26.图2是本发明实施例中配电网故障电弧试验原理；
27.图3是本发明实施例故障电弧实验平台实物；
28.图4是本发明实施例紫外光弧光传感器；
29.图5是本发明实施例2中可见光弧光传感器；
30.图6是实施例2中10kv电压等级下电弧熄弧阶段紫外光光谱图；
31.图7是实施例2中10kv电压等级下电弧熄弧阶段可见光光谱图；
32.图8是实施例3中35kv电压等级下电弧熄弧阶段紫外光光谱图；
33.图9是实施例3中35kv电压等级下电弧熄弧阶段可见光光谱图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明针对目前城市配电网开关柜接地电弧故障较难以故障电流检测的痛点、难点和技术瓶颈，模拟试验配电网开关柜柜内电弧故障，通过分析电弧熄弧阶段光信号的特征信息，发现了接地故障电弧熄弧阶段光信号的变化规律，从而判断出光信号的衰减变化是与电弧熄弧相关的。
36.实施例1：如图1所示，一种基于光信号的电弧熄弧检测方法，具体步骤为：
37.step1：通过实时采集光信号。
38.step2：将采集到的光信号转换为电信号。
39.step3：将电信号进行ad转化，获得可分析的数字信号。
40.step4：获取数字信号中特定波段的紫外光光强增量和可见光光强增量。
41.step5：将所述紫外光光强增量和可见光光强增量与所设定的门槛值相比较，进行电弧熄弧检测判定。
42.具体为：
43.step5.1：将采集到的故障时光信号增量设定变化内的时间，为20ms，将紫外光光强增量和可见光光强增量与所设定的门槛值相比较，其判别计算公式按公式(1)、(2)所示：
[0044][0045]
表示第n个采样点的紫外光信号，表示第n+1个采样点的紫外光信号，为不同环境下紫外光信号门槛值。
[0046][0047]
其中，表示第m个采样点的可见光信号，表示第m+1个采样点的可见光信号，不同环境下中压配电网开关柜电弧可见光信号门槛值。
[0048]
step5.2：连续判断至少相邻三次光信号变化量，判断其是否均小于设定的检测门槛值若是，则判断电弧熄灭，否则复归。
[0049]
实施例1：10kv电压等级下，检测电弧起弧阶段光谱信号特征与电信号特征，此时电弧间隙为2cm。光信号采集装置参数设置：对采集组窗口的参数进行设置，数据更新速率为0ms，积分时间为1ms，光谱张数设为5000张，触发方式选择电平触发，然后点击start后，外部给一个高电平信号，外部触发设备电平电压为3.05v。
[0050]
step1：实时采集中压配电网开关柜故障时电弧光信号数据，包括用光纤一端分别连接可见光、紫外光光谱仪，另一端用光纤固定支架固定，置于距离故障电弧间隙1m远处，调整光纤位置，使其正对间隙中间；用传输线分别将2台光谱仪连接至笔记本电脑，将高速摄像机固定于距故障电弧间隙1m远处，调整好摄像角度，并用传输线连接电脑将录波装置与紫外光光信号采集装置使用触发电路连接，并测试录波装置接收信号后能否正确触发光信号采集装置，一个周波(10ms)为判断条件。
[0051]
step2：用光纤一端分别连接可见光、紫外光光信号采集装置，另一端用光纤固定支架固定，置于距离故障电弧间隙0.8m远处，调整光纤位置，使其正对间隙中间；用传输线
分别将2台光信号采集装置连接至笔记本电脑；
[0052]
step3：将高速摄像机固定于距故障电弧间隙0.8m远处，调整好摄像角度，并用传输线连接电脑；
[0053]
step4：将录波装置与光信号采集装置使用触发电路连接，并测试录波装置接收信号后能否正确触发光信号采集装置；
[0054]
step5：同时，设置好可见光、紫外光光谱仪为电平触发模式，当录波器触发后，触发两个光谱仪采集光信号；点击录波器开始按钮的同时，启动高速摄像机开始拍摄，设定时间为20ms。试验完毕后分别保存录波器、可见光光谱仪、紫外光光谱仪、高速摄像机采集的4种文件，为保证试验可靠性和数据完整性，此试验共做3次。
[0055]
step6：采集电弧紫外光与可见光信号，并将其转换为电信号；
[0056]
step7：将转化后的电信号进行模数转换，即将采集到的光信号转化为可以分析的数字信号，最终得紫外光光强增量和可见光光强增量
[0057]
step8连续判断至少相邻三次光信号变化量，判断其是否均小于设定的检测阈值，若是，则判断电弧熄灭，否则复归。由采集的信息可知，电弧在信息中的97ms处熄弧，检测设备在117ms处出口电弧熄灭信号，符合试验目的。
[0058]
实施例2：35kv电压等级下，检测电弧起弧阶段光谱信号特征与电信号特征，此时电弧间隙为5cm。光信号采集装置参数设置：对采集组窗口的参数进行设置，数据更新速率为0ms，积分时间为1ms，光谱张数设为5000张，触发方式选择电平触发，然后点击start后，外部给一个高电平信号，外部触发设备电平电压为3.05v。
[0059]
step1：实时采集中压配电网开关柜故障时电弧光信号数据，包括用光纤一端分别连接可见光、紫外光光谱仪，另一端用光纤固定支架固定，置于距离故障电弧间隙1m远处，调整光纤位置，使其正对间隙中间；用传输线分别将2台光谱仪连接至笔记本电脑，将高速摄像机固定于距故障电弧间隙1m远处，调整好摄像角度，并用传输线连接电脑将录波装置与紫外光光信号采集装置使用触发电路连接，并测试录波装置接收信号后能否正确触发光信号采集装置，一个周波(10ms)为判断条件。
[0060]
step2：用光纤一端分别连接可见光、紫外光光信号采集装置，另一端用光纤固定支架固定，置于距离故障电弧间隙0.8m远处，调整光纤位置，使其正对间隙中间；用传输线分别将2台光信号采集装置连接至笔记本电脑；
[0061]
step3：将高速摄像机固定于距故障电弧间隙0.8m远处，调整好摄像角度，并用传输线连接电脑；
[0062]
step4：将录波装置与光信号采集装置使用触发电路连接，并测试录波装置接收信号后能否正确触发光信号采集装置；
[0063]
step5：同时，设置好可见光、紫外光光谱仪为电平触发模式，当录波器触发后，触发两个光谱仪采集光信号；点击录波器开始按钮的同时，启动高速摄像机开始拍摄，设定时间为20ms。试验完毕后分别保存录波器、可见光光谱仪、紫外光光谱仪、高速摄像机采集的4种文件，为保证试验可靠性和数据完整性，此试验共做3次。
[0064]
step6：采集电弧紫外光与可见光信号，并将其转换为电信号；
[0065]
step7：将转化后的电信号进行模数转换，即将采集到的光信号转化为可以分析的数字信号，最终得紫外光光强增量和可见光光强增量
[0066]
step8连续判断至少相邻三次光信号变化量，判断其是否均小于设定的检测阈值，若是，则判断电弧熄灭，否则复归。
[0067]
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

技术特征：
1.一种基于光信号的电弧熄弧检测方法，其特征在于：step1：通过实时采集光信号；step2：将采集到的光信号转换为电信号；step3：将电信号进行ad转化，获得可分析的数字信号；step4：获取数字信号中特定波段的紫外光光强增量和可见光光强增量step5：将所述紫外光光强增量和可见光光强增量与所设定的门槛值相比较，进行电弧熄弧检测判定。2.根据权利要求1所述的基于光信号的电弧熄弧检测方法，其特征在于：所述step1中，通过光信号采集装置实时采集光信号。3.根据权利要求2所述的基于光信号的电弧熄弧检测方法，其特征在于：所述光信号采集装置为能获取所需紫外光信号及可见光信号的光信号采集设备。4.根据权利要求1所述的基于光信号的电弧熄弧检测方法，其特征在于：所述光信号为紫外光信号和可见光信号。5.根据权利要求1所述的基于光信号的电弧熄弧检测方法，其特征在于，所述step5具体为：若所述紫外光光强增量和可见光光强增量小于或等于所设定门槛值，则判断电弧熄灭；若所述紫外光光强增量和可见光光强增量大于所设定门槛值，则复归。6.根据权利要求1或5所述的基于光信号的电弧熄弧检测方法，其特征在于：所述门槛值为不同环境下配电网开关柜电弧光信号阈值。7.根据权利要求1或5所述的基于光信号的电弧熄弧检测方法，其特征在于：所述step4中，特定波段为λ3～λ4波段。

技术总结
本发明涉及一种基于光信号的电弧熄弧检测方法，属于电力系统继电保护技术领域。本发明通过检测中压配电网开关柜故障时电弧特定波段紫外光光强变量和可见光光强变量来判断电弧是否熄弧，突破了接地故障弱电流较小难以检测的瓶颈，避免中压配电网开关柜接地故障时电弧发展成稳定故障，避免永久故障的形成，提高了中压配电网开关柜运行安全性与可靠性。本发明检测方法避免了中压配电网开关柜接地电弧发展成稳定电弧，避免永久故障的形成，提高了中压配电网开关柜运行的安全性和供电的可靠性，同时满足电力系统控制保护的可靠性，灵敏性，选择性，速动性。速动性。速动性。


技术研发人员：束洪春 董俊 侯炜 邵重阳 黄华林 丁心志 李瑞桂 杨建平 杨翔麟 唐玉涛 韩一鸣
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2021.11.24
技术公布日：2022/3/7