論礦用高壓開關(guān)柜弧光監(jiān)測及保護系統(tǒng)論文
近年來，國外已經(jīng)研發(fā)出一些弧光監(jiān)測與保護系統(tǒng)，典型產(chǎn)品包括德國 Moelle 公司的 ARCON 故障電弧保護系統(tǒng)，ABB 公司的 ARC Guard System 保護系統(tǒng)和芬蘭 Vaasa 公司的 VAMP 保護系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)是基于監(jiān)測電弧故障時發(fā)出的弧光以及過流雙判據(jù)，以提供快速而安全的母線保護，為限制電弧故障損壞提供了有效的解決方案[9]。但這些系統(tǒng)往往比較復(fù)雜，實現(xiàn)起來難度較大，價格高昂，因而限制了其的推廣使用。
相對于國外在這一領(lǐng)域的研究，國內(nèi)在電弧診斷與保護方面仍處于起步實驗研究階段。西安交通大學(xué)開發(fā)了基于光纖傳感器和弧光信號監(jiān)測單元的弧光單判據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，這是國內(nèi)首次開發(fā)成功的開關(guān)柜內(nèi)部電弧在線監(jiān)測和保護裝置。此外國內(nèi)也有基于電弧光譜中紫外線來分析故障電弧的裝置[10-11]以及基于電弧電磁能量[12]和壓力特性[13]等的故障電弧監(jiān)測保護裝置，但上述一般均采用單判據(jù)監(jiān)測方法，可靠性仍有待論證，暫時還無法推廣到工程實踐中去。因此在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，針對礦用開關(guān)柜的特殊要求，提出一套可靠性高，抗干擾性強，動作快速，使用簡便，成本低廉的故障電弧監(jiān)測和保護裝置是非常有必要的�；诖吮尘埃疚奶岢隽艘环N基于故障電流和故障電弧弧光雙判據(jù)的監(jiān)測方法以實現(xiàn)故障電弧定位監(jiān)測和保護的雙重功能，結(jié)構(gòu)簡單，具有較強的穩(wěn)定性和可靠性。
系統(tǒng)總體方案
本系統(tǒng)由故障電流監(jiān)測模塊、弧光監(jiān)測模塊、柜內(nèi)溫濕度監(jiān)測模塊以及中央控制單元構(gòu)成。其中，故障電流監(jiān)測模塊用于監(jiān)測開關(guān)柜的進線側(cè)電流;故障電弧監(jiān)測模塊用于監(jiān)測開關(guān)柜的弧光信號;溫濕度監(jiān)測模塊對開關(guān)柜母線室和電纜室溫濕度實時監(jiān)測。中央控制單元搜集上述 3 個模塊的監(jiān)測信息，運用專家系統(tǒng)進行綜合判斷，識別并定位故障電弧，輸出保護控制信號及故障信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。如何通過搜集得到的電流、弧光和柜內(nèi)溫濕度信號，準確預(yù)測并識別電弧故障，是系統(tǒng)研究的關(guān)鍵點。故障電弧產(chǎn)生的時候，進線側(cè)電流會瞬間變大，因此，同時監(jiān)測到弧光信號與電流瞬間增強，可準確判斷電弧故障的>文秘站－中國最強免費！<發(fā)生，避免單一監(jiān)測可能帶來的誤判。當同時檢測到故障電流和弧光信號時，發(fā)出跳閘指令;當僅檢測到兩者之一時，發(fā)出報警信號。故障電弧保護原理如圖 2="" 所示。另外，柜內(nèi)溫濕度過大是造成電弧故障的一個重要因素，因此，當柜內(nèi)溫濕度過大時，自動啟動風(fēng)扇實現(xiàn)降溫除濕;如果溫濕度依然過高，啟動報警。
系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.故障電流監(jiān)測模塊:故障電流監(jiān)測模塊完成故障電流的采集和辨識，為開關(guān)設(shè)備的動作提供依據(jù)。電流互感器對開關(guān)設(shè)備每相進線上的電流進行監(jiān)測，實時動態(tài)地輸出所監(jiān)測到的`電流信號，依次經(jīng)過整流分壓電路單元、信號轉(zhuǎn)換單元、電平判斷單元、積分單元、輸出單元，產(chǎn)生開關(guān)設(shè)備的故障電弧信號，送入中央控制模塊進行分析和存儲。
2.故障電弧監(jiān)測模塊:故障電弧采集模塊完成對弧光信號的調(diào)理和采集功能，包含安裝于開關(guān)設(shè)備母線室內(nèi)用于采集弧光信號的凸透鏡，以及依次串聯(lián)的弧光感測電路、比較電路、鎖存電路、多路選擇開關(guān)。凸透鏡按照像距和物距的位置放置于開關(guān)設(shè)備母線室需要監(jiān)測的位置。本系統(tǒng)根據(jù)母線室和電纜室內(nèi)的位置布局和易于發(fā)生故障電弧的所在地，將 8 個不同焦距的透鏡分別安裝在母線室和電纜室內(nèi)，以全面監(jiān)測可能產(chǎn)生的電弧光信號。經(jīng)過透鏡后的電弧成像光路如圖 3 所示。弧光感測元件為光敏三極管陣列，本設(shè)計中將其組成 8×8 的陣列，將從凸透鏡聚焦的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。圖 4 為利用虛擬儀器技術(shù)模擬的電弧成像分布圖。圖中圓圈代表感光元件，陰影部分為故障電弧的成像，根據(jù)凸透鏡、弧光故障位置和光敏三極管之間的位置關(guān)系即可換算出設(shè)備中發(fā)生電弧故障的位置，因而可以很好地反映電弧的發(fā)生、發(fā)展過程，為后續(xù)的弧光故障分析提供很好的依據(jù)。如圖 4 所示，每個凸透鏡后面有 64 個光敏三極管陣列，而每個光敏三極管都對應(yīng)著獨自的信號處理電路。如圖 5 所示，先經(jīng)過信號放大，再通過比較電路與設(shè)定的基準電平比較，確定電弧成像有沒有到達后方相應(yīng)的弧光感測電路光敏元件所在區(qū)域，從而形成電弧圖像信號;鎖存電路鎖存電弧圖像信號，并通過多路開關(guān)與中央控制單元進行數(shù)據(jù)傳輸，而后送入監(jiān)控后臺進行模擬電弧成像處理。本系統(tǒng)中 8 路弧光信號通過或門或多路選擇器循環(huán)采樣，任何一路發(fā)生弧光即可產(chǎn)生故障信號。
3.溫濕度監(jiān)測模塊:本系統(tǒng)采用溫濕度傳感器 SHT71 實現(xiàn)對母線室和電纜室的溫濕度監(jiān)測。SHT71 是一款基于兩線數(shù)字輸出的集成溫濕度傳感器，能同時測量溫度和相對濕度，具有露點值計算輸出功能。傳感器中還集成了 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器、標定數(shù)據(jù)存儲器和穩(wěn)壓電路，輸出數(shù)字信號可以直接送到微控制器，無需外圍元件，測量精度高，抗干擾性好。
4.中央控制模塊:中央控制模塊完成對故障電流監(jiān)測模塊，故障電弧采集模塊和溫濕度監(jiān)測模塊輸入信號的分析，準確判斷故障電弧是否產(chǎn)生，并利用故障電弧圖像反向定位電弧發(fā)生位置。同時，通過 CAN 總線實現(xiàn)與上位機通信，發(fā)出故障信息與動作指令(包括啟動風(fēng)扇)。本設(shè)計中 STM32 系列 ARM 處理器作為主控芯片，共采集 3 路進線電流信號，8 路弧光信號，2 路溫濕度信號。主控板的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。
系統(tǒng)軟件設(shè)計
中央控制模塊完成的主要任務(wù)包括電流信號，弧光信號，溫濕度信號的采集分析并與監(jiān)控后臺的CAN 總線通信。主程序流程圖如圖 7 所示。系統(tǒng)啟動后，首先進行初始化，然后運行主程序。主程序是一個無限循環(huán)的采集、判斷與通信過程。通過對弧光、電流、柜內(nèi)溫濕度信號的采集并與設(shè)定值簡單比較，如果超過設(shè)定值即啟動專家系統(tǒng)進行智能化分析。如果發(fā)現(xiàn)異常，則根據(jù)異常情況啟動風(fēng)扇、報警及跳閘。每一次監(jiān)測與判斷完成后，都通過 CAN 總線將監(jiān)測結(jié)果及故障分析與處理結(jié)果上傳給后臺 PC 機。本系統(tǒng)建立了故障電弧監(jiān)測專家系統(tǒng)，用于對監(jiān)測信息進行智能化分析和處理，其原理框圖如圖8 所示。電弧故障發(fā)生時，進線電流的突變與電弧之間的相互關(guān)系可以通過仿真與實驗來得到，這將作為專家知識寫到系統(tǒng)中。另外，設(shè)備使用過程中的老化，比如傳感器本身感測能力的下降，以及對溫濕度敏感程度的增加，在系統(tǒng)中都加以考察，從而使故障判斷閾值柔性化，更能準確的識別、定位電弧故障并實現(xiàn)保護功能。系統(tǒng)采用 CAN總線實現(xiàn)與后臺機的信息交互。CAN 總線的仲裁模式，可以保障信息按優(yōu)先級別實現(xiàn)主動上傳，及時反映故障信息。發(fā)送與接收程序流程圖如圖 9 所示。發(fā)送時，將待發(fā)送信息按特定格式組合成一幀報文，送入發(fā)送緩沖區(qū)中，啟動發(fā)送位，即可發(fā)送報文。當監(jiān)測到接收緩沖器中存在有效報文后，接收子程序?qū)⒕彌_器中的內(nèi)容讀入CPU 的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，完成接收后檢查總線狀態(tài)及溢出情況等并做相應(yīng)處理。
結(jié)論
本文從目前礦用高壓開關(guān)柜故障電弧監(jiān)測和保護的需求出發(fā)，分析比較了目前國內(nèi)外常見的監(jiān)測手段，提出了一種基于電弧弧光信號和電流信號的雙判據(jù)監(jiān)測和保護方法，克服了單一故障電弧監(jiān)測方法易產(chǎn)生誤判的不足之處。采用光敏三極管陣列實現(xiàn)電弧故障的定位，并可以分析故障的發(fā)展趨勢。采用ARM為核心的控制單元結(jié)合專家系統(tǒng)分析方法，可以及時有效地檢測到故障電弧的產(chǎn)生并對其進行定位，有助于提高開關(guān)設(shè)備的壽命和安全性，具有較大的實用價值。
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