基于DSP的开关柜弧光保护装置设计

    

    

    

    摘 要：成套开关柜作为中低压配电系统的关键设备，开关柜内部引起弧光故障的原因的多种多样，并且发生的频率高、危害大，并且将严重威胁到电力设备以及人身安全。本文分析了电弧产生的原因以及开关柜内部发生电弧短路故障引起的事故危害。并根据弧光保护的原理和特点，设计了基于DSP的开关柜弧光保护装置，并对该装置的总体方案和软硬件设计进行了阐述。

    关键词：开关柜;DSP;弧光保护;电弧

    配网是电力系统的重要组成部分，配网运行的稳定性直接影响电网的运行安全。成套开关柜作为中低压配电系统的关键设备，其运行的稳定性又将影响整个配电系统的安全运行。开关柜内部引起弧光故障的原因的多种多样，并且发生的频率高、危害大，并且将严重的威胁到电力设备以及人身安全。

    一、电弧产生原因及事故危害

    电弧光是介质放电中产生的一种现象，不仅会在阻抗低短路的情况下产生，在部分高阻抗和低电流情况下，一旦超过介质绝缘强度，同样会产生。电弧放电发生时，产生大量热量和弧光，使电弧放电故障点附近的电阻迅速发生变化，逐步接近于0欧姆，故障电流也会随之变化。

    开关柜内部产生电弧也是一个复杂的过程，涉及物体的组成以及性质的变化、电磁场的改变、气体的流动、热量和空间分布和快速变化等。引起开关柜弧光短路故障的原因复杂多样，主要原因如下包括：（1）绝缘故障：柜中绝缘材料强度或间距不够，在脏污潮湿环境易发生绝缘故障。（2）载流回路接触不良：触头接触不良，螺栓松动等。（3）外来物体的进入：如蛇鼠等进入开关柜或维修人员将工具遗留在开关柜内。（4）人为操作失误：如误操作、未接地、未验电等。（5）电力系统方案调整：如系统容量调整，运行方式改变等。

    开关柜内部发生电弧燃烧，瞬间短路容量可高达60MW，电弧温度可高达20000度。故障电弧燃烧产生的能量E=I2t，不仅与短路故障电流有关，还与电弧燃烧的时间有关。如电弧故障不能及时切除，释放的能量会急剧增加，使开关柜内的温度和压力都急速增加，将造成以下危害：（1）人身危害：高温造成人员烧伤，强光造成人员短暂失明，爆炸造成碎片飞射伤人，爆破音造成耳膜、内脏等伤害。（2）设备危害：高温造成母线、电缆、电线烧毁，护套着火，甚至引起火灾;压力效应导致爆炸发生，引起强烈震动，造成元件脱落，柜门炸开等，柜内电弧持续燃烧，进而造成相间或相地短路。

    二、弧光保护原理和特点

    当电弧短路故障时，开关柜内部会出现弧光，弧光是电弧的最明显的特征量，因此弧光保护装置通过检测电弧光判断是否发生电弧短路故障。为了提高弧光保护的稳定性同时避免由于外界输入的光干扰引起保护装置误跳闸，弧光保护装置还需引入过流信号的检测。弧光保护装置同时检测弧光信号和过流信号，当弧光信号超过阈值，同时有一相电流信号也超过阈值，则保护装置输出跳闸控制，如果只有检测到其中之一超过阈值，则仅作报警处理，不控制跳闸。原理如图1所示。

    弧光保护装置以弧光检测为核心，通过弧光采集、快速通信等关键技术准确检测弧光信号实现快速保护，跳闸出口时间可低于4毫秒，将故障迅速消除。主要具备以下特点：

    （1）速动性：以弧光信号作为特征物理量，同时基于DSP设计保护装置，反应迅速，可以快速切除故障。

    （2）可靠性：同时进行过流检测和弧光检测，防止外界光源干扰误动作，保證可靠性。

    （3）可故障定位：通过弧光保护装置检测传感器的安装位置可通过报警信息迅速查找到故障点所在的开关柜和位置。

    （4）可扩展：弧光保护装置可根据实际情况相应增加或减少配置数量，对应不同的运行方式，通过弧光和过流的信息，采取不同的方案实现保护。

    三、总体方案及硬件设计

    弧光保护装置由DSP主控单元、弧光传感器及采集单元、电流互感器及采集单元、输出控制模块组成。采用弧光信号作为第一判据，过流信号为第二判据，能以最快速度切除故障回路，减少设备财产的损失，保护工作人员的生命安全。其总体方案示意图如图2所示。

    （一）弧光传感器及采集单元设计

    弧光传感器是探测电弧光的光感应元件，作为弧光保护装置的最核心的检测器件，要求其可靠性和灵敏度都要非常高。发生电弧短路故障时，光强度增加，弧光传感器内的光感应元件将检测到的光信号传送给弧光采集单元或者主控单元。弧光采集单元含有多个弧光传感器的接口，可将分布在需要保护的各个开关柜中的弧光传感器信号检测汇总后传送给主控单元。弧光保护动作后，采集单元将故障点附近弧光传感器的动作情况和地址信息上传至DSP主控单元。

    （二）电流互感器及采集单元设计

    电流互感器及采集单元对需要检测的线路的电流信号进行检测，原理框图如图3所示：

    电流互感器将大电流信号转换成小电流型号再通过电流变换器变换成合适大小的电压量同时实现电磁隔离。采集单元再对各电流信号进行采集并上传至DSP主控单元。

    （三）DSP主控单元设计

    DSP主控单元采用dsPIC30F6014为主控芯片，是整个弧光保护装置的控制核心，各信号采集、故障判断输出控制等多项功能。DSP主控单元、弧光传感器及采集单元、电流互感器及采集单元、输出控制模块能配合保护多个开关柜，弧光传感器及采集单元、电流互感器及采集单元安装在需要保护的各个开关柜中，将采集到的弧光信号和电流信号通过数据线传送至DSP主控单元，主控单元根据采集到的信号进行逻辑判断实现报警或跳闸控制。

    （四）输出控制单元设计

    DSP主控单元通过采集到的弧光信号和电流信号判断满足一相电流过流，同时检测到弧光，控制继电器输出断路器跳闸。

    四、软件设计

    弧光保护装置软件的首先采集弧光信号并与设定的阈值比较，然后采集电流信号与设定的阈值比较，通过阈值比较判断是否出现故障，并根据故障情况完成报警或输出跳闸。主程序流程图如图4所示。

    五、结语

    中低压开关柜在配网系统中大量应用，但是受到自身机构和外界环境影响，容易出现电弧短路故障，一旦不能及时消除，就会造成不同程度的事故，对人员和设备造成伤害。本文通过分析电弧产生的原因以及根据开关柜内部发生电弧短路故障引起的事故危害，详细介绍了基于DSP的弧光保护装置的总体方案以及软硬件设计。

    参考文献：

    [1]陈西庚.成套开关柜的电弧短路保护[J].继电器，2000（28）：33-37.

    [2]吴志勇.电弧光保护在电力系统的应用[J].四川电力技术，2009（32）：49-52.

    [3]樊建军.电弧光保护系统及其在中低压开关柜和母线保护中的应用[D].保定：华北电力大学硕士学位论文，2007.

    作者简介：徐伟，男，满族，重庆渝北人，硕士，工程师，研究方向：机场建设、电气工程。