基于DSP的中低压形状柜电弧光保护系统设计及工程应用

摘要

近年来，伴随着经济的快速发展，国内的电力行业也在不断地发展，中低压开关柜在输配电系统中应用也越来越广泛。与此同时，中低压开关柜在短路故障发生时，产生的弧光会对设备及人员造成不小的危害，甚至会演变成母线故障，造成严重的经济损失。对于35kV及以下等级的中低压母线，目前并没有专门配置相应的保护装置，多是依靠上一级元件的后备过流保护，但是往往切除故障时间较长，损失严重。因此，迫切需要在中低压开关柜安装电弧光保护系统。
　　本课题来源于山东某电气有限公司的电弧光保护系统开发项目。该系统采用检测弧光和过流双判据原理，能够快速可靠地切除电弧故障，实现对中低压开关柜及母线的保护。
　　本文分析了开关柜出现弧光短路故障的原因，以及由此带来的影响和危害;对国内外现有母线保护方案的原理和实现技术进行研究，从保护原理、动作特性、安装使用情况等方面比较它们的优缺点;提出了基于DSP的电弧光保护系统的总体方案，完成了系统的软硬件设计，并进行了系统的初步工程应用。
　　本文设计的电弧光保护系统，采用检测弧光和过流双判据的原理。电弧最明显且变化最快的物理量就是弧光，通过弧光传感器来测量弧光，可以保证动作迅速。同时，为了避免外界光干扰引起误跳闸，用电流检测部分来检测是否过流，这样可以保证可靠性。
　　本文设计的电弧光保护系统，由主控单元和扩展单元构成，对于较为简单的应用场合，主控单元可以单独构成最小化的电弧光保护系统。本文在硬件设计方面主要介绍主控单元的设计，主控单元采用组合插件式结构设计，包括电源模块、弧光信号采集模块、电流信号采集模块、CPU模块、输出控制模块、总线板和人机交互模块。电源模块给主控单元提供稳定的12VDC;弧光信号采集模块和电流信号采集模块分别负责电弧光信号和交流电流信号的采集、转换和处理;CPU模块负责全系统的信息汇集、逻辑分析、故障判断直至跳闸控制;输出控制模块负责跳闸输出控制;总线板为各板输送电源供给，还负责各板的数据传输，以及内外部的数据交换;人机交互模块方便用户实时查询运行的状况，便于操作与管理。本文在软件设计方面，主要介绍了主程序流程图、初始化子程序流程图、信号处理子程序流程图和按键处理子程序流程图。
　　本文也介绍了电弧光保护系统的测试和工程应用方案设计、工程安装，包括安装的示意图、基本要求、方法以及现场图片。最后介绍了电弧光保护系统的工程调试和在山东淄博某煤矿的运行情况，通过统计现场工作人员的监测记录，在整个运行过程中没有出现过误动、拒动或者通信中断的状况。运行实践表明，电弧光保护系统的性能达到既定指标，满足了客户的要求。
　　本文设计的电弧光保护系统，能够快速切除故障，故障电弧的持续时间得到有效缩短，这样可以使得弧光对电气设备的损坏程度大大降低，同时也消除了对人身可能造成的危害，还可以阻止故障进一步扩大，避免短路电流长时间冲击主变压器造成的损坏。