開關柜弧光保護監測裝置研究

王希萍

摘 要：開關柜是電力系統中的常見裝備之一，開關柜內儀器設備眾多，線路復雜，造成柜內電弧的易發。文章主要對弧光及弧光故障產生及危害的原因進行了分析，設計了開關柜弧光保護監測裝置，在文中作者詳細介紹了所設計的弧光保護監測裝置的硬件結構和軟件結構，分別對其組成單元MCU模塊、弧光信號調理單元、電流信號調理單元的硬件組成和軟件流程進行了詳細的描述，在文章的最后，作者總結出所設計的系統具有結構簡單，運行可靠成，本低廉等特點。

關鍵詞：電弧；開關柜；單片機；信號調理

早在上世紀60年代人們已經開始研究開關柜弧光事故，并設計監測預防措施，但是由于技術條件限制，一直沒有找到理想的裝備，但是隨著電子技術的發展，新型的傳感器和功能強大的微處理器的不斷涌現為預防電弧產生和降低電弧危害提供了契機。本文采用單片機為監測控制核心，設計了開關柜弧光保護監測裝置。

一、系統總體設計及工作原理

弧光保護監測裝置主要由MCU模塊、弧光信號調理單元、電流信號調理單元，人機交互單元等模塊構成。

MCU模塊是整個系統的核心部分，負責對各個傳感器模塊傳輸來的數據進行匯總、存儲，根據具體設定要求對數據進行邏輯分析，判斷是否發生故障，并進行跳閘控制和報警信號輸出。電流信號調理模塊負責采集開關柜進線端的三相電流值，主要由電流傳感器（電流互感器），信號放大模塊，隔離傳輸模塊構成，通過 總線與MCU模塊連接，為MCU對弧光故障的判斷提供可靠的當前電流參考值。弧光信號調理模塊負責將各斷路器處弧光傳感器采集到弧光信號進行調理，并通過總線發送到MCU模塊。人機交互單元包括按鍵和LCD顯示模塊，是人與MCU進行交流的通道，操作人員通過按鍵將各項數據輸入MCU模塊。

（一）MCU模塊

MCU模塊以STC12C5A60S2單片機為控制核心，包括電源模塊、按鍵單元、觸摸屏模塊、程序下載模塊、串行EEPROM、無線數據收發模塊、報警指示電路、數字溫濕度傳感器模塊等組成。

STC12C5A60S2是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍，其內部含有2路PWM和8路高速10位A/D轉換，I且/O多，驅動能力強，片內集成了1280字節的RAM，用戶程序存儲空間達62K，是一種增強型通用單片機。

電源模塊為雙電源供電系統，一路電源為USB供電，專為單片機程序現場下載、調試使用；另一路電源取自電氣柜內的安裝ZY0FB05P AC～DC模塊模塊，它將交流220V變換成直流12V，然后通過LM7805三端穩壓集成電路將其穩壓，轉換成供單片機及其外圍模塊工作使用的5V穩定電壓，兩路開關可以根據實際情況通過撥碼開關進行切換。

觸摸屏模塊采用驅動IC為R61505V的2.4寸TFT屏，其觸摸部分采用XPT2046串行AD轉換芯片，分辨率高，定位精度好。

串行EEPOM采用AT24C04型存儲器，用來保存系統設定的相關參數，AT24C04是Ateml公司生產的容量為4kB得電可擦除存儲芯片，采用兩線串行的總線和單片機通訊，芯片內的資料可以在斷電的情況下保存100年，用來存儲單片機采集的數據。

無線數據收發模塊用來將系統采集的數據實時傳送至電力系統的監控平臺，該模塊由NRF24L01芯片組成，它可工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM 頻段。

數字溫濕度傳感器模塊用來采集開關柜內溫濕度的信息，對開關柜內的溫濕度進行定時監控，保證開關柜在良好的環境條件下運行。該模塊的核心是DHT11溫濕度傳感器，它是一個芯片級的溫度和濕度傳感器，它內部有一個隨濕度變化的電阻式元件和一個NTC測溫元件，它可以有效監測周圍環境中的溫度和濕度，經過處理后以數字方式輸出，具有方便安裝，反應靈敏，環境適應性強，成本低廉等特點。

報警指示電路為控制柜現場設置的多個指示報警電路，由單片機通過晶體管電流放大電路驅動電磁繼電器吸合，進而點亮現場高亮度的指示燈，用來向巡檢操作人員提供報警指示。

（二）弧光信號調理模塊

弧光信號調單元塊可從不同位置采集弧光傳感器感應的弧光信號，如圖1所示，每一路弧光傳感器硬件電路和工作方式大體相同，弧光傳感器采用照度傳感器ISL29023，它是是一個具有中斷功能的集成的數字環境光傳感器，它可以將光信號轉換成數字信號，并通過與兼容接口進行數據傳送，ISL29023的接線圖如圖1所示，STC12C5A60S2的P2.1接入ISL29023的數據總線SDA端，P2.0接入時鐘總線SCL端。

（三）電流信號調理單元

如圖2所示，電流信號調理單元負責采集母線進線端電流值，然后通過隔離變換送入MCU模塊。電流互感器TA安裝在開關柜母線室進線端，以三相星形方式連接，它對系統內出現的各種故障都可以正常反應。

本系統電流變換器是一種特殊的電流互感器，由一個小容量輔助電流互感器和固定電阻構成，電流變換器的一次側接入電流互感器二次繞組，則電流變換器的二次側會出現感生電流，感生電流通過定值電阻形成回路，二次側則輸出電壓信號。由于電磁設備容易對MCU模塊產生干擾，接入MCU模塊的信號必須進行電磁隔離。電流變換器變換后的電壓從Vin端輸入隔離傳輸電路，LM358-1為集成運放，R23為反饋電阻，用于調節運放輸入偏置電流，R22為運放增益調節電阻，C10用來消除毛刺信號。HCNR200是一個具有高線性度、高穩定度的特點的光耦合隔離模塊，LM358-2為集成運放，在電路中消除負載效應。

電流變換器的輸出信號Vin輸入隔離電路，經LM358組成的濾波器濾波后以電流的形式接入光耦合隔離模塊HCNR200，HCNR200是一個具有高線性度、高穩定度的特點的光耦合隔離模塊，輸入電壓通過隔離傳輸之后的電壓增益可以通過R23和R21兩個電阻調節，變換后的Vout送入STC12C5A60S2內部10位高速ADC中。

二、弧光監測保護裝置系統軟件設計

開關柜弧光故障一般出現在短路故障發生后，此時系統內電流會出現較大偏移，因此瞬時出現的短路過電流完全可以作為弧光故障出現的預警信號。本系統不但對開關柜中的各斷路器采用光線傳感器時刻檢測器弧光外，還采用三相式星形接線的電流互感器來采集電流量，綜合電流互感器和弧光傳感器的信號綜合對故障做出判斷，避免單一因素測量誤差或者干擾等因素造成的誤動作，提高了系統的可靠性。

系統軟件設計采用模塊化的設計，采用主程序無條件調用子程序的模式，系統子程序包括顯示子程序、觸摸屏子程序、數據存儲子程序、通信子程序、溫度檢測子程序、電流采集子程序、弧光檢測子程序模塊、跳閘控制子程序等，系統上電復，系統對各模塊初始化完成后，無條件依次調用觸摸屏子程序、顯示子程序。開關柜中溫濕度變化周期長，在系統中實時性要求不高，系統每隔10秒鐘進行一次溫濕度檢測，并且在溫濕度檢測過程中允許其它數據采集程序的執行。

電弧故障的危害程度與電弧電流大小和其作用時間息息相關，通常情況下，對于電力系統來說，只有在最小的總動作時間內切除弧光故障，才能保證設備受到較小損害。考慮到跳閘控制裝置的動作時間等問題，系統采用定時中斷的方式對電流信號和弧光信號進行檢測，最小中斷周期為5ms，保證系統對故障的響應時間小于50ms。系統進入中斷后先后執行電流采集子程序、弧光檢測子程序和跳閘控制子程序。考慮到系統的干擾項電流采集子程序、弧光檢測子程序中對采集的數據進行算術軟件復合濾波處理，去掉脈沖干擾和脈動項。

跳閘控制子程序首先對電流的檢測值進行判斷，如果檢測值大于設定值，則進一步對檢測的弧光數據進行判斷，如果弧光檢測的數據和電流檢測的數據都大于各自的設定值，則給出跳閘信號和報警信號，如果僅檢測到電流檢測數據大于設定值而沒有檢測到弧光信息，則僅執行報警信息，而不進行跳閘處理。

三、結論

本文設計的開關柜弧光保護監測裝置以單片機為核心，結構簡單，成本低廉，通過多傳感器對開關柜中電流、弧光、環境變量等進行監控，以所檢測的電流和弧光數據為依據，對開關柜的綜合情況進行判斷并做出相關控制決策，能有效防止單一變量造成的誤動作，可靠性強，可實現對運行中的開關柜起到有效的保護作用。系統經過調試及試驗測試表明系統測試靈敏、故障響應時間短，可靠性強。

參考文獻：

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