基于DSP的開關柜弧光保護裝置設計

摘 要：成套開關柜作為中低壓配電系統的關鍵設備，開關柜內部引起弧光故障的原因的多種多樣，并且發生的頻率高、危害大，并且將嚴重威脅到電力設備以及人身安全。本文分析了電弧產生的原因以及開關柜內部發生電弧短路故障引起的事故危害。并根據弧光保護的原理和特點，設計了基于DSP的開關柜弧光保護裝置，并對該裝置的總體方案和軟硬件設計進行了闡述。

關鍵詞：開關柜;DSP;弧光保護;電弧

配網是電力系統的重要組成部分，配網運行的穩定性直接影響電網的運行安全。成套開關柜作為中低壓配電系統的關鍵設備，其運行的穩定性又將影響整個配電系統的安全運行。開關柜內部引起弧光故障的原因的多種多樣，并且發生的頻率高、危害大，并且將嚴重的威脅到電力設備以及人身安全。

一、電弧產生原因及事故危害

電弧光是介質放電中產生的一種現象，不僅會在阻抗低短路的情況下產生，在部分高阻抗和低電流情況下，一旦超過介質絕緣強度，同樣會產生。電弧放電發生時，產生大量熱量和弧光，使電弧放電故障點附近的電阻迅速發生變化，逐步接近于0歐姆，故障電流也會隨之變化。

開關柜內部產生電弧也是一個復雜的過程，涉及物體的組成以及性質的變化、電磁場的改變、氣體的流動、熱量和空間分布和快速變化等。引起開關柜弧光短路故障的原因復雜多樣，主要原因如下包括：（1）絕緣故障：柜中絕緣材料強度或間距不夠，在臟污潮濕環境易發生絕緣故障。（2）載流回路接觸不良：觸頭接觸不良，螺栓松動等。（3）外來物體的進入：如蛇鼠等進入開關柜或維修人員將工具遺留在開關柜內。（4）人為操作失誤：如誤操作、未接地、未驗電等。（5）電力系統方案調整：如系統容量調整，運行方式改變等。

開關柜內部發生電弧燃燒，瞬間短路容量可高達60MW，電弧溫度可高達20000度。故障電弧燃燒產生的能量E=I2t，不僅與短路故障電流有關，還與電弧燃燒的時間有關。如電弧故障不能及時切除，釋放的能量會急劇增加，使開關柜內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、內臟等傷害。（2）設備危害：高溫造成母線、電纜、電線燒毀，護套著火，甚至引起火災;壓力效應導致爆炸發生，引起強烈震動，造成元件脫落，柜門炸開等，柜內電弧持續燃燒，進而造成相間或相地短路。

二、弧光保護原理和特點

當電弧短路故障時，開關柜內部會出現弧光，弧光是電弧的最明顯的特征量，因此弧光保護裝置通過檢測電弧光判斷是否發生電弧短路故障。為了提高弧光保護的穩定性同時避免由于外界輸入的光干擾引起保護裝置誤跳閘，弧光保護裝置還需引入過流信號的檢測。弧光保護裝置同時檢測弧光信號和過流信號，當弧光信號超過閾值，同時有一相電流信號也超過閾值，則保護裝置輸出跳閘控制，如果只有檢測到其中之一超過閾值，則僅作報警處理，不控制跳閘。原理如圖1所示。

弧光保護裝置以弧光檢測為核心，通過弧光采集、快速通信等關鍵技術準確檢測弧光信號實現快速保護，跳閘出口時間可低于4毫秒，將故障迅速消除。主要具備以下特點：

（1）速動性：以弧光信號作為特征物理量，同時基于DSP設計保護裝置，反應迅速，可以快速切除故障。

（2）可靠性：同時進行過流檢測和弧光檢測，防止外界光源干擾誤動作，保證可靠性。

（3）可故障定位：通過弧光保護裝置檢測傳感器的安裝位置可通過報警信息迅速查找到故障點所在的開關柜和位置。

（4）可擴展：弧光保護裝置可根據實際情況相應增加或減少配置數量，對應不同的運行方式，通過弧光和過流的信息，采取不同的方案實現保護。

三、總體方案及硬件設計

弧光保護裝置由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。采用弧光信號作為第一判據，過流信號為第二判據，能以最快速度切除故障回路，減少設備財產的損失，保護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計

弧光傳感器是探測電弧光的光感應元件，作為弧光保護裝置的最核心的檢測器件，要求其可靠性和靈敏度都要非常高。發生電弧短路故障時，光強度增加，弧光傳感器內的光感應元件將檢測到的光信號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弧光傳感器的接口，可將分布在需要保護的各個開關柜中的弧光傳感器信號檢測匯總后傳送給主控單元。弧光保護動作后，采集單元將故障點附近弧光傳感器的動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計

電流互感器及采集單元對需要檢測的線路的電流信號進行檢測，原理框圖如圖3所示：

電流互感器將大電流信號轉換成小電流型號再通過電流變換器變換成合適大小的電壓量同時實現電磁隔離。采集單元再對各電流信號進行采集并上傳至DSP主控單元。

（三）DSP主控單元設計

DSP主控單元采用dsPIC30F6014為主控芯片，是整個弧光保護裝置的控制核心，各信號采集、故障判斷輸出控制等多項功能。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多個開關柜，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的各個開關柜中，將采集到的弧光信號和電流信號通過數據線傳送至DSP主控單元，主控單元根據采集到的信號進行邏輯判斷實現報警或跳閘控制。

（四）輸出控制單元設計

DSP主控單元通過采集到的弧光信號和電流信號判斷滿足一相電流過流，同時檢測到弧光，控制繼電器輸出斷路器跳閘。

四、軟件設計

弧光保護裝置軟件的首先采集弧光信號并與設定的閾值比較，然后采集電流信號與設定的閾值比較，通過閾值比較判斷是否出現故障，并根據故障情況完成報警或輸出跳閘。主程序流程圖如圖4所示。

五、結語

中低壓開關柜在配網系統中大量應用，但是受到自身機構和外界環境影響，容易出現電弧短路故障，一旦不能及時消除，就會造成不同程度的事故，對人員和設備造成傷害。本文通過分析電弧產生的原因以及根據開關柜內部發生電弧短路故障引起的事故危害，詳細介紹了基于DSP的弧光保護裝置的總體方案以及軟硬件設計。

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作者簡介：徐偉，男，滿族，重慶渝北人，碩士，工程師，研究方向：機場建設、電氣工程。