用于配电箱、电缆分支箱、计量箱的内部电弧故障多级防护及快速灭弧方法及系统与流程

本技术涉及电力设备安全防护领域，具体涉及一种用于配电箱、电缆分支箱、计量箱的内部电弧故障多级防护及快速灭弧方法及系统。

背景技术：

1、配电箱、电缆分支箱、计量箱作为电力系统配网环节的关键设备，广泛应用于城市配电网、工业园区供电等场景，其运行稳定性直接影响电力供应的安全性与连续性。在实际运行过程中，配电箱、电缆分支箱、计量箱内部易因绝缘老化、接头松动、异物侵入等因素引发内部电弧故障，电弧产生的高温、高压及强光会迅速破坏设备内部结构，甚至击穿柜体外壳，造成设备烧毁、大面积停电等严重事故，同时对现场运维人员的人身安全构成极大威胁。

2、现有配电箱、电缆分支箱、计量箱的电弧故障防护方案存在明显缺陷：故障检测响应滞后，传统单一传感器检测方式难以快速捕捉电弧故障信号，易受环境光干扰导致误触发，响应时间通常超过10ms，导致故障扩大化；故障处置方式单一，缺乏对故障严重程度的区分能力，无论轻微故障还是严重故障均采用全回路切断方式，牺牲了供电连续性。

3、因此，研发一种响应速度快、抗干扰能力强、灭弧效果好的配电箱、电缆分支箱、计量箱内部电弧故障防护方案，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种用于配电箱、电缆分支箱、计量箱的内部电弧故障多级防护及快速灭弧方法及系统。

2、第一方面，本发明技术方案提供一种用于配电箱、电缆分支箱、计量箱的内部电弧故障多级防护及快速灭弧方法，包括以下步骤：

3、s1、利用电弧光传感器与电流传感器对电力配电设备内部进行协同监测，实时采集弧光强度信号及回路电流变化率；当所述弧光强度信号超过第一预设阈值，且在与该弧光强度信号检测时刻相差不超过预设时间窗口的时间范围内检测到电流变化率超过第二预设阈值时，由主控单元确认发生内部电弧故障，并执行s2；

4、s2、所述主控单元根据所述电流变化率的幅值及峰值电流，计算故障电弧的能量表征值，并将电弧故障划分为低能量等级或高能量等级；

5、s3、根据判定的故障等级控制对应层级的快速分断开关切断故障回路，并动态调节灭弧强度，具体包括：

6、若判定为低能量等级故障，启用对应开关元件位置的局部灭弧腔，维持复合灭弧介质的基础有效参与量进行熄弧；

7、若判定为高能量等级故障，触发联动机构增加灭弧腔内复合灭弧介质的有效参与量，并激活多层栅片结构对电弧进行分割引流。

8、作为本发明技术方案的优选，s1 中，在确认发生内部电弧故障之前，还包括对弧光强度信号进行干扰抑制预处理，具体包括：

9、持续监测各电弧光传感器的背景光强，并动态更新背景光强基准值；

10、当某一电弧光传感器的当前光强信号超过所述背景光强基准值的预设倍数时，启动该电弧光传感器所在区域的光强变化率分析；仅当光强变化率超过预设的光强变化率阈值时，将所述当前光强信号标记为有效电弧光信号，否则将其作为环境光干扰予以滤除；

11、将标记为有效电弧光信号的当前光强信号作为所述弧光强度信号，以执行所述弧光强度信号超过第一预设阈值的判断步骤。

12、有效排除了环境光对电弧光传感器的干扰，避免了因外部光源干扰导致的误触发，提高了电弧故障检测的准确性和系统运行可靠性。

13、作为本发明技术方案的优选，s2具体包括：

14、采用以下公式计算所述能量表征值

e：

15、

16、其中，为电流变化率的最大绝对值，为峰值电流，为回路电流从初始值上升至所述峰值电流所经历的时间；、、分别为预设的参考电流变化率、参考峰值电流和参考上升时间；、为预设权重系数，且+=1；

17、将计算得到的能量表征值与预设的能量阈值进行比对，当小于所述能量阈值时，判定为低能量等级故障；当大于或等于所述能量阈值时，判定为高能量等级故障。

18、将电流变化率、峰值电流和上升时间三个维度的故障特征参数进行归一化融合，实现了对电弧故障能量的量化评估。避免了传统方案中仅凭单一参数判断的片面性。

19、作为本发明技术方案的优选，不同层级的快速分断开关包括设置于各分支回路的分支快速分断开关和设置于主回路的总快速分断开关；

20、s3中根据判定的故障等级动态调节灭弧强度，具体还包括以下分级切断策略：

21、当判定为低能量等级故障时，根据检测到有效电弧光信号的传感器位置及对应分支回路的电流变化率，确定故障所在分支回路，并触发该分支回路的分支快速分断开关动作，保持主回路及其他分支回路正常运行，形成选择性保护；

22、当判定为高能量等级故障时，同时触发所述总快速分断开关及所有所述分支快速分断开关动作，实现全回路切断。

23、低能量故障时仅切断故障所在分支回路，保持主回路及其他分支回路正常运行，实现了选择性保护，最大限度地保障了非故障区域的供电连续性；高能量故障时同时切断总开关及所有分支开关，实现全回路切断，确保故障能量得到彻底隔离。

24、作为本发明技术方案的优选，灭弧腔内设有多个独立的介质存储腔，各所述介质存储腔与主灭弧腔之间设有可控释放通道及对应的联动阀门；

25、s3中，当判定为高能量等级故障时，触发联动机构增加灭弧腔内复合灭弧介质的有效参与量的步骤包括：

26、同步激活所述多层栅片结构，并开启第一级所述可控释放通道，使第一份额的复合灭弧介质进入主灭弧腔；

27、在预设时间间隔后，若实时监测的灭弧腔内气压变化率仍超过安全阈值，则依次开启后续各级所述可控释放通道，使复合灭弧介质逐级补充进入主灭弧腔，直至所述气压变化率降至所述安全阈值以下，或所有所述可控释放通道均已开启。

28、按需投放机制避免了介质浪费，同时保证了高能量故障时有足够的介质参与灭弧，提升了灭弧资源的利用效率。

29、作为本发明技术方案的优选，s3中，当判定为高能量等级故障时，所述激活多层栅片结构对电弧进行分割引流具体包括：

30、所述多层栅片结构采用铜钨合金材料制成，栅片表面设有环形灭弧沟槽，且栅片间距沿电弧运动方向呈梯度递减分布；

31、主控单元控制设置于所述多层栅片结构入口处的电磁引流装置通电，产生定向磁场，将电弧强制引导至多层栅片结构的中心区域；

32、随着电弧深入所述多层栅片结构，电弧被多层栅片分割成多个串联的子电弧，使电弧总电压升高至超过系统电源电压，从而迫使电弧熄灭或在电流过零点时无法重燃。

33、实现了对高能量电弧的高效分割与引流。梯度递减间距使电弧电压呈非线性增长，多层栅片将长电弧分割为多个串联的短电弧，使电弧总电压迅速升高至超过系统电源电压，迫使电弧熄灭。提升了灭弧速度和可靠性，有效避免了电弧复燃。

34、作为本发明技术方案的优选，还包括防电弧溅射层的梯度防护步骤，具体包括：

35、在s1至s3触发内部电弧防护的过程中，利用贴合于柜体门板内侧的多层复合防电弧溅射层进行被动防护；

36、所述多层复合防电弧溅射层由外至内依次包括外层不锈钢网层、中间环氧树脂基复合材料层和内层陶瓷纤维布层；

37、其中，所述外层不锈钢网层用于对电弧溅射的高温金属颗粒进行拦截与破碎；所述中间环氧树脂基复合材料层用于通过烧蚀、熔化及气化过程吸收电弧辐射热及冲击波能量；所述内层陶瓷纤维布层用于形成热隔离屏障，将门板外表面温度控制在安全阈值以下。

38、三层协同作用，有效阻挡了电弧溅射物穿透柜体，保护了柜体结构完整性及运维人员安全，解决了传统防护仅关注故障回路切断而忽略溅射防护的缺陷。

39、作为本发明技术方案的优选，所述多层复合防电弧溅射层还配置有完整性监测功能，具体包括：

40、通过分别串联于所述外层不锈钢网层和所述中间环氧树脂基复合材料层内的导电检测线路，实时监测各防护层的阻抗变化以判断完整性状态；

41、当检测到所述导电检测线路因所述外层不锈钢网层断裂或所述中间环氧树脂基复合材料层击穿而产生阻抗突变信号时，输出检修报警信号。

42、解决了防护层失效后无法被及时感知的技术问题，便于运维人员及时检修更换，确保防护功能始终处于有效状态。

43、作为本发明技术方案的优选，还包括故障后自诊断与状态锁定步骤，具体包括：

44、在s1至s3执行完毕后，所述主控单元记录故障发生时刻、故障等级、故障回路位置及灭弧过程参数，生成故障事件日志；

45、所述主控单元输出柜体闭锁信号，控制设置于柜体门板上的电磁锁装置动作，保持柜体闭锁状态；

46、所述主控单元对所述快速分断开关的状态进行检测，若检测到任一分支快速分断开关或总快速分断开关未处于完全分断状态，则输出紧急报警信号，并触发后备脱扣回路；

47、仅当运维人员完成现场检修并输入人工复位指令后，所述主控单元才解除所述柜体闭锁状态，并允许系统重新合闸。

48、防止了故障未排除情况下的误合闸操作，避免二次事故的发生，同时为故障分析和设备维护提供了数据支持，提升了系统的安全性和可维护性。

49、第二方面，本发明技术方案还提供一种用于配电箱、电缆分支箱、计量箱的内部电弧故障多级防护及快速灭弧系统，包括：

50、电弧故障快速检测单元，包括设置于电力配电设备柜体内部关键区域的至少一个电弧光传感器，以及设置于主回路及各分支回路的至少一个电流传感器，用于实时采集弧光强度信号及回路电流变化率；

51、主控单元，与所述电弧光传感器和所述电流传感器连接，用于当所述弧光强度信号超过第一预设阈值且在与该弧光强度信号检测时刻相差不超过预设时间窗口的时间范围内检测到电流变化率超过第二预设阈值时，确认发生内部电弧故障；所述主控单元还用于根据所述电流变化率的幅值及峰值电流计算故障电弧的能量表征值，并将电弧故障划分为低能量等级或高能量等级；

52、分级切断单元，包括设置于各分支回路的分支快速分断开关和设置于主回路的总快速分断开关，所述分支快速分断开关和所述总快速分断开关分别与所述主控单元电连接，用于根据判定的故障等级执行相应层级的切断动作；

53、高效灭弧单元，包括设置于柜体内部对应各开关元件位置的灭弧腔，所述灭弧腔内填充有复合灭弧介质并设有多层栅片结构；所述灭弧腔配置有联动机构，用于根据所述主控单元判定的故障等级动态调节灭弧强度：当判定为低能量等级故障时，启用对应开关元件位置的局部灭弧腔并维持复合灭弧介质的基础有效参与量；当判定为高能量等级故障时，增加灭弧腔内复合灭弧介质的有效参与量并激活所述多层栅片结构对电弧进行分割引流。

54、从以上技术方案可以看出，本技术具有以下优点：通过电弧光传感器与电流传感器的协同监测，实现了光电双信号的时序联合判断，有效解决了传统单一传感器检测响应滞后的问题。同时，通过根据电流变化率幅值及峰值电流计算能量表征值，将电弧故障划分为低能量等级或高能量等级，实现了故障严重程度的量化识别。在此基础上，根据故障等级差异化控制快速分断开关的切断层级，并动态调节灭弧强度，低能量故障时仅启用局部灭弧腔维持基础灭弧，避免不必要的全回路切断，保障供电连续性；高能量故障时增加介质参与量并激活多层栅片结构，提供增强型灭弧能力。提升了电力配电设备内部电弧故障防护的响应速度、供电可靠性和灭弧效率。