開關柜弧光保護監(jiān)測裝置研究

王希萍

摘 要：開關柜是電力系統(tǒng)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(fā)。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(jiān)測裝置，在文中作者詳細介紹了所設計的弧光保護監(jiān)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(tǒng)具有結構簡單，運行可靠成，本低廉等特點。

關鍵詞：電??；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(jiān)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(fā)展，新型的傳感器和功能強大的微處理器的不斷涌現(xiàn)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(jiān)測控制核心，設計了開關柜弧光保護監(jiān)測裝置。

一、系統(tǒng)總體設計及工作原理

弧光保護監(jiān)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(tǒng)的核心部分，負責對各個傳感器模塊傳輸來的數(shù)據(jù)進行匯總、存儲，根據(jù)具體設定要求對數(shù)據(jù)進行邏輯分析，判斷是否發(fā)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?；」庑盘栒{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(fā)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)收發(fā)模塊、報警指示電路、數(shù)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(tǒng)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(jié)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(tǒng)，一路電源為USB供電，專為單片機程序現(xiàn)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(wěn)壓集成電路將其穩(wěn)壓，轉換成供單片機及其外圍模塊工作使用的5V穩(wěn)定電壓，兩路開關可以根據(jù)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(tǒng)設定的相關參數(shù)，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(shù)據(jù)。

無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊用來將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)實時傳送至電力系統(tǒng)的監(jiān)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(shù)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(jiān)控，保證開關柜在良好的環(huán)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(jiān)測周圍環(huán)境中的溫度和濕度，經過處理后以數(shù)字方式輸出，具有方便安裝，反應靈敏，環(huán)境適應性強，成本低廉等特點。

報警指示電路為控制柜現(xiàn)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(xiàn)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(shù)字環(huán)境光傳感器，它可以將光信號轉換成數(shù)字信號，并通過與兼容接口進行數(shù)據(jù)傳送，ISL29023的接線圖如圖1所示，STC12C5A60S2的P2.1接入ISL29023的數(shù)據(jù)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(tǒng)內出現(xiàn)的各種故障都可以正常反應。

本系統(tǒng)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(xiàn)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(jié)運放輸入偏置電流，R22為運放增益調節(jié)電阻，C10用來消除毛刺信號。HCNR200是一個具有高線性度、高穩(wěn)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(wěn)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(jié)，變換后的Vout送入STC12C5A60S2內部10位高速ADC中。

二、弧光監(jiān)測保護裝置系統(tǒng)軟件設計

開關柜弧光故障一般出現(xiàn)在短路故障發(fā)生后，此時系統(tǒng)內電流會出現(xiàn)較大偏移，因此瞬時出現(xiàn)的短路過電流完全可以作為弧光故障出現(xiàn)的預警信號。本系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性。

系統(tǒng)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(tǒng)子程序包括顯示子程序、觸摸屏子程序、數(shù)據(jù)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(tǒng)上電復，系統(tǒng)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(tǒng)中實時性要求不高，系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集程序的執(zhí)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)對故障的響應時間小于50ms。系統(tǒng)進入中斷后先后執(zhí)行電流采集子程序、弧光檢測子程序和跳閘控制子程序?？紤]到系統(tǒng)的干擾項電流采集子程序、弧光檢測子程序中對采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行判斷，如果弧光檢測的數(shù)據(jù)和電流檢測的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)大于設定值而沒有檢測到弧光信息，則僅執(zhí)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(jiān)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(huán)境變量等進行監(jiān)控，以所檢測的電流和弧光數(shù)據(jù)為依據(jù)，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(xiàn)對運行中的開關柜起到有效的保護作用。系統(tǒng)經過調試及試驗測試表明系統(tǒng)測試靈敏、故障響應時間短，可靠性強。

參考文獻：

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