基于DSP的開(kāi)關(guān)柜弧光保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

摘 要：成套開(kāi)關(guān)柜作為中低壓配電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部引起弧光故障的原因的多種多樣，并且發(fā)生的頻率高、危害大，并且將嚴(yán)重威脅到電力設(shè)備以及人身安全。本文分析了電弧產(chǎn)生的原因以及開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生電弧短路故障引起的事故危害。并根據(jù)弧光保護(hù)的原理和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于DSP的開(kāi)關(guān)柜弧光保護(hù)裝置，并對(duì)該裝置的總體方案和軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)柜;DSP;弧光保護(hù);電弧

配網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，配網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響電網(wǎng)的運(yùn)行安全。成套開(kāi)關(guān)柜作為中低壓配電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行的穩(wěn)定性又將影響整個(gè)配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部引起弧光故障的原因的多種多樣，并且發(fā)生的頻率高、危害大，并且將嚴(yán)重的威脅到電力設(shè)備以及人身安全。

一、電弧產(chǎn)生原因及事故危害

電弧光是介質(zhì)放電中產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，不僅會(huì)在阻抗低短路的情況下產(chǎn)生，在部分高阻抗和低電流情況下，一旦超過(guò)介質(zhì)絕緣強(qiáng)度，同樣會(huì)產(chǎn)生。電弧放電發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生大量熱量和弧光，使電弧放電故障點(diǎn)附近的電阻迅速發(fā)生變化，逐步接近于0歐姆，故障電流也會(huì)隨之變化。

開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部產(chǎn)生電弧也是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及物體的組成以及性質(zhì)的變化、電磁場(chǎng)的改變、氣體的流動(dòng)、熱量和空間分布和快速變化等。引起開(kāi)關(guān)柜弧光短路故障的原因復(fù)雜多樣，主要原因如下包括：（1）絕緣故障：柜中絕緣材料強(qiáng)度或間距不夠，在臟污潮濕環(huán)境易發(fā)生絕緣故障。（2）載流回路接觸不良：觸頭接觸不良，螺栓松動(dòng)等。（3）外來(lái)物體的進(jìn)入：如蛇鼠等進(jìn)入開(kāi)關(guān)柜或維修人員將工具遺留在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)。（4）人為操作失誤：如誤操作、未接地、未驗(yàn)電等。（5）電力系統(tǒng)方案調(diào)整：如系統(tǒng)容量調(diào)整，運(yùn)行方式改變等。

開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生電弧燃燒，瞬間短路容量可高達(dá)60MW，電弧溫度可高達(dá)20000度。故障電弧燃燒產(chǎn)生的能量E=I2t，不僅與短路故障電流有關(guān)，還與電弧燃燒的時(shí)間有關(guān)。如電弧故障不能及時(shí)切除，釋放的能量會(huì)急劇增加，使開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的溫度和壓力都急速增加，將造成以下危害：（1）人身危害：高溫造成人員燒傷，強(qiáng)光造成人員短暫失明，爆炸造成碎片飛射傷人，爆破音造成耳膜、內(nèi)臟等傷害。（2）設(shè)備危害：高溫造成母線、電纜、電線燒毀，護(hù)套著火，甚至引起火災(zāi);壓力效應(yīng)導(dǎo)致爆炸發(fā)生，引起強(qiáng)烈震動(dòng)，造成元件脫落，柜門(mén)炸開(kāi)等，柜內(nèi)電弧持續(xù)燃燒，進(jìn)而造成相間或相地短路。

二、弧光保護(hù)原理和特點(diǎn)

當(dāng)電弧短路故障時(shí)，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)弧光，弧光是電弧的最明顯的特征量，因此弧光保護(hù)裝置通過(guò)檢測(cè)電弧光判斷是否發(fā)生電弧短路故障。為了提高弧光保護(hù)的穩(wěn)定性同時(shí)避免由于外界輸入的光干擾引起保護(hù)裝置誤跳閘，弧光保護(hù)裝置還需引入過(guò)流信號(hào)的檢測(cè)。弧光保護(hù)裝置同時(shí)檢測(cè)弧光信號(hào)和過(guò)流信號(hào)，當(dāng)弧光信號(hào)超過(guò)閾值，同時(shí)有一相電流信號(hào)也超過(guò)閾值，則保護(hù)裝置輸出跳閘控制，如果只有檢測(cè)到其中之一超過(guò)閾值，則僅作報(bào)警處理，不控制跳閘。原理如圖1所示。

弧光保護(hù)裝置以弧光檢測(cè)為核心，通過(guò)弧光采集、快速通信等關(guān)鍵技術(shù)準(zhǔn)確檢測(cè)弧光信號(hào)實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)，跳閘出口時(shí)間可低于4毫秒，將故障迅速消除。主要具備以下特點(diǎn)：

（1）速動(dòng)性：以弧光信號(hào)作為特征物理量，同時(shí)基于DSP設(shè)計(jì)保護(hù)裝置，反應(yīng)迅速，可以快速切除故障。

（2）可靠性：同時(shí)進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)和弧光檢測(cè)，防止外界光源干擾誤動(dòng)作，保證可靠性。

（3）可故障定位：通過(guò)弧光保護(hù)裝置檢測(cè)傳感器的安裝位置可通過(guò)報(bào)警信息迅速查找到故障點(diǎn)所在的開(kāi)關(guān)柜和位置。

（4）可擴(kuò)展：弧光保護(hù)裝置可根據(jù)實(shí)際情況相應(yīng)增加或減少配置數(shù)量，對(duì)應(yīng)不同的運(yùn)行方式，通過(guò)弧光和過(guò)流的信息，采取不同的方案實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

三、總體方案及硬件設(shè)計(jì)

弧光保護(hù)裝置由DSP主控單元、弧光傳感器及采集單元、電流互感器及采集單元、輸出控制模塊組成。采用弧光信號(hào)作為第一判據(jù)，過(guò)流信號(hào)為第二判據(jù)，能以最快速度切除故障回路，減少設(shè)備財(cái)產(chǎn)的損失，保護(hù)工作人員的生命安全。其總體方案示意圖如圖2所示。

（一）弧光傳感器及采集單元設(shè)計(jì)

弧光傳感器是探測(cè)電弧光的光感應(yīng)元件，作為弧光保護(hù)裝置的最核心的檢測(cè)器件，要求其可靠性和靈敏度都要非常高。發(fā)生電弧短路故障時(shí)，光強(qiáng)度增加，弧光傳感器內(nèi)的光感應(yīng)元件將檢測(cè)到的光信號(hào)傳送給弧光采集單元或者主控單元。弧光采集單元含有多個(gè)弧光傳感器的接口，可將分布在需要保護(hù)的各個(gè)開(kāi)關(guān)柜中的弧光傳感器信號(hào)檢測(cè)匯總后傳送給主控單元。弧光保護(hù)動(dòng)作后，采集單元將故障點(diǎn)附近弧光傳感器的動(dòng)作情況和地址信息上傳至DSP主控單元。

（二）電流互感器及采集單元設(shè)計(jì)

電流互感器及采集單元對(duì)需要檢測(cè)的線路的電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，原理框圖如圖3所示：

電流互感器將大電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成小電流型號(hào)再通過(guò)電流變換器變換成合適大小的電壓量同時(shí)實(shí)現(xiàn)電磁隔離。采集單元再對(duì)各電流信號(hào)進(jìn)行采集并上傳至DSP主控單元。

（三）DSP主控單元設(shè)計(jì)

DSP主控單元采用dsPIC30F6014為主控芯片，是整個(gè)弧光保護(hù)裝置的控制核心，各信號(hào)采集、故障判斷輸出控制等多項(xiàng)功能。DSP主控單元、弧光傳感器及采集單元、電流互感器及采集單元、輸出控制模塊能配合保護(hù)多個(gè)開(kāi)關(guān)柜，弧光傳感器及采集單元、電流互感器及采集單元安裝在需要保護(hù)的各個(gè)開(kāi)關(guān)柜中，將采集到的弧光信號(hào)和電流信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)線傳送至DSP主控單元，主控單元根據(jù)采集到的信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷實(shí)現(xiàn)報(bào)警或跳閘控制。

（四）輸出控制單元設(shè)計(jì)

DSP主控單元通過(guò)采集到的弧光信號(hào)和電流信號(hào)判斷滿足一相電流過(guò)流，同時(shí)檢測(cè)到弧光，控制繼電器輸出斷路器跳閘。

四、軟件設(shè)計(jì)

弧光保護(hù)裝置軟件的首先采集弧光信號(hào)并與設(shè)定的閾值比較，然后采集電流信號(hào)與設(shè)定的閾值比較，通過(guò)閾值比較判斷是否出現(xiàn)故障，并根據(jù)故障情況完成報(bào)警或輸出跳閘。主程序流程圖如圖4所示。

五、結(jié)語(yǔ)

中低壓開(kāi)關(guān)柜在配網(wǎng)系統(tǒng)中大量應(yīng)用，但是受到自身機(jī)構(gòu)和外界環(huán)境影響，容易出現(xiàn)電弧短路故障，一旦不能及時(shí)消除，就會(huì)造成不同程度的事故，對(duì)人員和設(shè)備造成傷害。本文通過(guò)分析電弧產(chǎn)生的原因以及根據(jù)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生電弧短路故障引起的事故危害，詳細(xì)介紹了基于DSP的弧光保護(hù)裝置的總體方案以及軟硬件設(shè)計(jì)。

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作者簡(jiǎn)介：徐偉，男，滿族，重慶渝北人，碩士，工程師，研究方向：機(jī)場(chǎng)建設(shè)、電氣工程。