低压开关柜电弧故障检测设计

低压开关柜中电弧故障检测电路的设计

1 引言

电弧故障是指导体之间产生的高功率放电现象。这种放电会转化为热量，可能导致电线绝缘层损坏，并可能引发电气火灾。这些电弧故障的电流范围可从几安培到数千安培的高电平，且在强度和持续时间上具有高度可变性。电弧故障的常见原因包括因腐蚀导致的连接不良以及初始安装不当。自20世纪60年代起，随着现场电力系统为满足日益增长的负荷需求[1]而快速发展，与电弧故障相关的事故数量开始上升。

电弧事故由于各种原因发生，例如设备安装不当（人为错误）、设备自然老化、不良连接、因腐蚀导致的故障连接。统计数据表明，涉及合格工作人员的80%的电气相关事故和死亡事件是由电弧闪光或电弧爆炸引起的。真实电弧故障会迅速使能量水平升高至20兆瓦循环，压力升高至3个大气压，热量升高至3000摄氏度 [2]。

电弧故障会瞬间释放大量辐射能，该辐射能包括光和热能。光强可能比正常环境光高出数千倍[3]。由于光相对容易检测，因此在电弧故障检测电路中采用了光传感器[4]。光检测电路的主要缺点是存在因非电弧闪光的光源引发误跳闸的风险。然而，在本拟议设计中，通过结合低压开关柜内电弧故障发生前的三种不同信号，可将此风险降至最低。因此，该设计能够确保不会向断路器发送故障跳闸信号，并能在早期阶段检测电弧故障发生的可能性。

本文的结构如下：第2节研究了电弧故障的行为和特性。第3节接着介绍了电弧故障检测电路的系统描述。第4节描述了电弧故障检测器电路的建模。第5节提供了电弧故障检测电路的仿真结果。最后，第6节总结了本文的研究发现。

2 电弧故障的行为与特性

电弧故障是电流通过空气在两个导体之间放电所产生的现象，会产生大量的热量和光。它是一种高阻抗故障，其电阻与许多负载的电阻相似，并且是一个时变电阻，能够在开关柜中耗散大量热量 [5]。

断路器通过在输出端子上连接一个重型金属短路线来测试其处理近乎零阻抗负载的能力。这种零阻抗故障被称为螺栓连接故障。

螺栓连接故障电流是电源提供的最大可能电流，保护系统根据螺栓连接故障电流的数值进行设计。保护系统必须能够检测到螺栓连接故障，且保护装置必须具备切断该电流值的能力 [6]。

由于高电阻负载的存在，电弧故障将导致电流值显著降低。电弧电流通常不足以触发电路断路器、熔断器和继电器等保护装置。因此，电弧故障将持续存在，直至发生严重的烧毁损坏。电弧电流的大小受限于电弧电阻和接地路径阻抗[7]。

电弧故障分为串联电弧故障和并联电弧故障。当与负载串联的载流路径意外断开时，会发生串联电弧故障；而并联电弧故障则发生在开关柜的两相之间、相线对地或相线对中性线之间[8]。

电弧事件期间会散发大量热量。部分热量直接传递给导体，部分热量加热空气，另一部分则以不同的光学波长辐射出去。空气的迅速加热以及金属汽化后膨胀成气体，会产生强烈的压力波，导致开关柜盖板被掀开，并使变电站倒塌 [8]。

图1显示了53次电弧测试的时间、电流和损坏情况。当断路器在 0.25秒内跳闸时，损坏将仅限于烟雾损坏。三角形标记表示仅对开关柜侧面造成烟雾损坏的电弧，方形标记表示对开关柜侧面造成表面损坏的电弧，而星形标记表示在开关柜侧面形成几平方英寸的孔洞[5]。

当电弧被点燃时，等离子体云会以圆柱形地方式在电弧周围扩展。由于受到平行母线的限制，等离子体更多地向母线的前后方向扩展。当等离子体接触到开关柜等障碍物时，其扩展受到障碍物的阻碍。由于电弧速度较低，等离子体变得更加集中，其温度和电流将增加[5]。

据报告，电弧与导体接触处的根部温度超过20000°C，而电弧的等离子体部分或正柱区约为13000°C[9]。作为参考，太阳表面的温度约为5000°C。开关柜内的组件在250毫秒内就会遭受严重损坏，无法长时间承受此温度 [10]。

光检测器的设计基于以下原理：在发生电弧闪光时，检测器会检测到大量光，从而指示电弧闪光的发生。电弧闪光可能仅产生一部分螺栓连接故障电流，尤其是在早期阶段，仅依靠断路器无法有效区分电弧电流和典型的短路电流。通过在电弧故障检测电路中加入光检测器，可显著减少总的清除时间和电弧故障释放的能量 [11]。

3 电弧故障检测电路系统描述

图2显示了电弧故障检测电路的拟议设计框图。该电路由压力检测器、温度检测器、光检测器、电压比较器、与门、继电器和发光二极管组成。压力、温度和光检测器通过检测电弧故障产生的压力、热量和光的大小，并将其转换为相应的电压信号，这些传感器输出的电压信号经电压比较器处理后送入与门。当与门输出‘高电平’时，将触发继电器发出跳闸信号，同时点亮发光二极管。

1140压力传感器通过检测开关柜内的压力变化来判断是否存在电弧故障。1140的击穿电压与温度成正比，为+12毫伏/千帕。选择 1140是因为1140绝对压力传感器是一种空气压力传感器，用于测量其环境的绝对压力。它可测量20千帕至400千帕的压力。此外，与其他类型的压力传感器相比，它具有高精度和窄测量范围的特点，通常误差小于 ±1.5%。1140的压力范围为20千帕至400千帕。也就是说，该压力传感器的输出电压范围为240毫伏至4.8伏特。

输出电压的计算如下所示：

$$
\text{Output voltage for 20 kPa} = 20 \times 12 \times 10^{-3} = 0.24\,\text{V}
\quad (1)
$$

$$
\text{Output voltage for 400 kPa} = 400 \times 12 \times 10^{-3} = 4.8\,\text{V}
\quad (2)
$$

周围压力每增加1千帕，输出电压将增加12毫伏。由于大气压力为100千帕，假设在正常条件下开关柜内部的压力约为150千帕，相当于1.8伏。根据[1]，真实电弧故障会迅速使压力升高至3个大气压，即 303.975千帕。因此，在该拟议设计中，将250千帕的压力设定为参考值。通过计算，250千帕对应的电压值为3.0伏，该电压被设为参考电压。输入电压（即开关柜内部的压力）将与参考电压（即250千帕的参考压力值）进行比较。当输入电压高于3.0伏时，电压比较器将输出“高电平”，并发送至与门。

LM 335温度传感器通过检测开关柜内的温度变化来判断是否存在电弧故障。LM 335的击穿电压与温度成正比，这是 +10毫伏/o开尔文。选择 LM 335 是因为它它是精度高、易于校准的集成电路温度传感器。此外，它具有线性输出，并且与其他类型的温度传感器相比更便宜。当在 25oC 下进行校准时，其误差通常小于 1oC，范围覆盖 100oC。LM 335 的温度范围为 –40oC 到 100oC。换句话说，该温度传感器的输出电压将在 2.33 伏特至 3.73 伏特之间。

输出电压的计算如下所示 [6]：

$$
\text{Output voltage for } -40^\circ\text{C} = (-40 + 273) \times 10 \times 10^{-3} = 2.33\,\text{V}
\quad (3)
$$

$$
\text{Output voltage for } 100^\circ\text{C} = (100 + 273) \times 10 \times 10^{-3} = 3.73\,\text{V}
\quad (4)
$$

每升高 1oK，输出电压将增加10毫伏。在正常条件下，开关柜内部的温度约为40oC。假设开关柜内部的温度上升至92oC，通过计算得出对应的电压为3.65 伏特。该电压被设定为参考电压。输入电压将与参考电压进行比较。一旦输入电压超过参考电压，继电器将被激活。

ISL29101 光转模拟传感器用于通过检测开关柜内部的照度（勒克斯）水平来检测电弧故障的存在。它能够检测高达 10000 勒克斯的照度水平。对应的输出电压在 0 勒克斯到 100 勒克斯范围内为 1 毫伏至 1.65 伏特。因此，每增加 1 勒克斯，对应的电压为 16.5 毫伏。

根据照明工程学会标准，开关室的照度水平为300勒克斯[12]，因此假设在正常条件下，开关柜内部的照度水平约为50勒克斯，相当于0.825伏特。在该拟议设计中，将90勒克斯的照度水平设为参考值，对应90勒克斯的电压值为1.5伏特，该电压被设定为参考电压。输入电压（即开关柜内部的照度水平）将与参考电压（即90勒克斯的参考照度水平）进行比较。当输入电压高于1.5伏特时，电压比较器将输出“高电平”，并发送至与门。

4 电弧故障检测电路建模

缓冲放大器提供从一个电路到另一个电路的电气阻抗变换。它用于将光照传感器、压力传感器和温度传感器的电压传输至电压比较器。一个单位增益缓冲器用于该电路设计中。运算放大器（缓冲器）的输出连接至其反相输入端，构成负反馈。因此，输出电压等于缓冲器的输入电压。压力传感器、温度传感器和光传感器的输出连接至缓冲器（运算放大器）的同相输入端，构成正反馈，缓冲器的输出与这些传感器的输出相同。

压力传感器、温度传感器和光传感器将根据从开关柜内部检测到的压力、温度和光的量生成相应的电压信号。该信号随后通过缓冲器发送至电压比较器。电压比较器用于将该信号与参考电压进行比较。

当所有传感器对应的比较器输出均为正（‘高电平’输出）时，这些输出将作为7410与门的输入。然后，与门的输出将激活继电器并向断路器发送跳闸信号（即点亮发光二极管），前提是光传感器、压力传感器和温度传感器检测到的照度水平、压力和温度均超过电压比较器的参考电压。否则，电压比较器的输出电压将为负值（‘低电平’输出），不会触发跳闸信号。

在检测开关柜内部的光、压力和温度变化并在超过预设限值时操作发光二极管之前，这些检测器被建模为相对于实际照度水平、压力和温度值具有更低的压力和温度值。

图6显示了使用PSpice程序的整体电弧故障检测电路的原理图。该电路的输入为交流电源。交流电源用于表示光、压力和温度传感器的输出信号。传感器的输出电压范围用作该电路的输入电压范围。温度传感器的交流输入电压Vin1根据公式(3)和公式(4)得出，范围为 2.33 伏特（对应–40°C）至3.73 伏特（对应100°C）。压力传感器的交流输入电压Vin2根据公式(1)和公式(2)得出，范围为0.2毫伏（对应 20千帕）至4.8伏特（对应400千帕）。光照传感器的交流输入电压 Vin3范围为0伏特（对应0勒克斯）至1.65伏特（对应100勒克斯）。

U1、U3和U5是运算放大器，在该电路中表示缓冲器。交流电源连接到U1、U3和U5的正反馈端，而U1和U3的负反馈端连接到U1、U3和U5的输出端，U5 用于构成一个单位增益缓冲器。由于是单位增益缓冲器，U1、U3 和 U5 的输出电压与输入电压相同。

然后，U1的输出电压Vin1连接到U2的正反馈（3引脚），其中 U2为电压比较器。同时，U3的输出电压Vin2连接到U4的正反馈（3 引脚），其中U4为电压比较器。U5的输出电压Vin3连接到U6的正反馈（3引脚），其中U6为电压比较器。

缓冲器的输出电压用作比较器的输入电压。理论上，U2、U4和 U6的输入电压与U1、U3和U5的输出电压相同，也与光、压力和温度 传感器的输出电压相同，在该电路中由交流电源表示。采用uA741运算放大器作为电压比较器。在U2的负反馈（第2引脚）处施加3.65伏特的ADC输入电压Vref1，以产生恒定的参考电压值。3.65伏特的电压值对应于92°C的温度值。此外，在U4的负反馈（第2引脚）处施加 3伏特的直流输入电压Vref2，以产生恒定的参考电压值。3伏特的电压值对应于250千帕的压力值。对于光检测器电路，在U6的负反馈 （第2引脚）处施加1.5伏特的直流输入电压Vref3，以产生恒定的参考电压值。1.5伏特的电压值对应于90勒克斯的照度值。

+9V直流电源连接至U2、U4和U6的第7引脚，–9伏直流电源连接至U2、U4和U6的第4引脚，以为该组件提供工作电压。U2、U4和U6的输出电压（第6引脚），即Vout1、Vout2和Vout3，用于指示输入电压与参考电压的比较结果。

7410与门的三个输入分别连接到U2、U4和U6的输出电压，然后与门的输出连接到电压控制开关，该开关作为继电器，当与门的输出电压为正时，将激活电压脉冲，从而点亮发光二极管。

5 仿真结果

压力、温度和光检测器的原理图的PSpice仿真结果分别如图7–9所示。图9中红色的直线表示光传感器的1.5 伏特参考电压。紫色的正弦波是 用于触发光传感器的输入信号。方波是电压比较器的输出，当正弦波的输入电压高于参考电压时，输出为逻辑‘1’（‘高电平’）4.0伏特；当正弦波的输入电压低于参考电压时，输出为逻辑‘0’（‘低电平’）–4.0 伏特。

图10显示了电弧故障压力和温度检测器电路原理图的PSpice仿真结果。如图10所示，温度传感器的3.03伏特输入电压由正弦波形（粉红色）表示，压力传感器的2.4 伏特输入电压由另一正弦波形（浅蓝色）表示。参考电压为温度传感器处的两条3.65 伏特直线以及压力传感器的3.0伏。这两个方波来自电压比较器的输出，当正弦波的输入电压高于参考电压时，在8.5 V处触发为逻辑‘1’（高电平）；当正弦波的输入电压低于参考电压时，在–5.0伏特处变为逻辑‘0’ （‘低电平’）。

在0毫秒到10毫秒之间，3.5伏特的红线是与门的输出电压，该电压由压力和温度检测器的输出电压组合而成。10毫秒后，红线变为0伏特，因为信号在电压控制开关处触发。电压控制开关的作用类似于继电器，当接收到与门的‘高电平’输出时会闭合。相应地，它将触发 5.0伏特的电压脉冲（以绿色表示），从而点亮发光二极管。

不幸的是，由于运行包含这三个检测器的整体电路时超出了模拟节点限制，PSpice软件存在一些限制。然而，根据从各个检测器获得的仿真结果，当这三个检测器的输出信号送入7410与门时，预计与门将向受控电压开关输出一个‘高电平’信号。随后，电压控制开关将起到继电器的作用，闭合电路，使电压脉冲在5.0伏特触发，从而使发光二极管点亮。

6 结论

低压开关柜中的电弧故障是一个严重问题，因为电弧故障的后果是毁灭性的。本文提出的电弧故障检测电路只有在同时检测到压力、热信号和光这三个信号时，才会激活继电器并向断路器发送跳闸信号。由于这三种电弧故障信号是在电弧发生之前被检测到，因此该拟议设计能够确保不会向断路器发送故障跳闸信号，从而避免不必要的停电。

在低压开关柜中对电弧故障进行早期检测，能够在电弧故障发生前及时实现用户侧电源隔离，从而降低对人身伤害和建筑物的危害。此外，它能在不造成电力中断的情况下提高系统可靠性，这对于医院以及具有敏感负载的特定工业尤其重要。该电路有助于消除电弧发生的可能性，从而防止电弧发生带来的影响。所提出的电路可以建模以满足不同供电需求的行业规格。它易于设计且高度可靠。