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摘 要：开关柜是电力系统中的常见装备之一，开关柜内仪器设备众多，线路复杂，造成柜内电弧的易发。文章主要对弧光及弧光故障产生及危害的原因进行了分析，设计了开关柜弧光保护监测装置，在文中作者详细介绍了所设计的弧光保护监测装置的硬件结构和软件结构，分别对其组成单元MCU模块、弧光信号调理单元、电流信号调理单元的硬件组成和软件流程进行了详细的描述，在文章的最后，作者总结出所设计的系统具有结构简单，运行可靠成，本低廉等特点。
关键词：电弧；开关柜；单片机；信号调理
早在上世纪60年代人们已经开始研究开关柜弧光事故，并设计监测预防措施，但是由于技术条件限制，一直没有找到理想的装备，但是随着电子技术的发展，新型的传感器和功能强大的微处理器的不断涌现为预防电弧产生和降低电弧危害提供了契机。本文采用单片机为监测控制核心，设计了开关柜弧光保护监测装置。
一、系统总体设计及工作原理
弧光保护监测装置主要由MCU模块、弧光信号调理单元、电流信号调理单元，人机交互单元等模块构成。
MCU模块是整个系统的核心部分，负责对各个传感器模块传输来的数据进行汇总、存储，根据具体设定要求对数据进行逻辑分析，判断是否发生故障，并进行跳闸控制和报警信号输出。电流信号调理模块负责采集开关柜进线端的三相电流值，主要由电流传感器（电流互感器），信号放大模块，隔离传输模块构成，通过 总线与MCU模块连接，为MCU对弧光故障的判断提供可靠的当前电流参考值。弧光信号调理模块负责将各断路器处弧光传感器采集到弧光信号进行调理，并通过总线发送到MCU模块。人机交互单元包括按键和LCD显示模块，是人与MCU进行交流的通道，操作人员通过按键将各项数据输入MCU模块。
（一）MCU模块
MCU模块以STC12C5A60S2单片机为控制核心，包括电源模块、按键单元、触摸屏模块、程序下载模块、串行EEPROM、无线数据收发模块、报警指示电路、数字温湿度传感器模块等组成。
STC12C5A60S2是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超強抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍，其内部含有2路PWM和8路高速10位A/D转换，I且/O多，驱动能力强，片内集成了1280字节的RAM，用户程序存储空间达62K，是一种增强型通用单片机。
电源模块为双电源供电系统，一路电源为USB供电，专为单片机程序现场下载、调试使用；另一路电源取自电气柜内的安装ZY0FB05P AC～DC模块模块，它将交流220V变换成直流12V，然后通过LM7805三端稳压集成电路将其稳压，转换成供单片机及其外围模块工作使用的5V稳定电压，两路开关可以根据实际情况通过拨码开关进行切换。
触摸屏模块采用驱动IC为R61505V的2.4寸TFT屏，其触摸部分采用XPT2046串行AD转换芯片，分辨率高，定位精度好。
串行EEPOM采用AT24C04型存储器，用来保存系统设定的相关参数，AT24C04是Ateml公司生产的容量为4kB得电可擦除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，芯片内的资料可以在断电的情况下保存100年，用来存储单片机采集的数据。
无线数据收发模块用来将系统采集的数据实时传送至电力系统的监控平台，该模块由NRF24L01芯片组成，它可工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM 频段。
数字温湿度传感器模块用来采集开关柜内温湿度的信息，对开关柜内的温湿度进行定时监控，保证开关柜在良好的环境条件下运行。该模块的核心是DHT11温湿度传感器，它是一个芯片级的温度和湿度传感器，它内部有一个随湿度变化的电阻式元件和一个NTC测温元件，它可以有效监测周围环境中的温度和湿度，经过处理后以数字方式输出，具有方便安装，反应灵敏，环境适应性强，成本低廉等特点。
报警指示电路为控制柜现场设置的多个指示报警电路，由单片机通过晶体管电流放大电路驱动电磁继电器吸合，进而点亮现场高亮度的指示灯，用来向巡检操作人员提供报警指示。
（二）弧光信号调理模块
弧光信号调单元块可从不同位置采集弧光传感器感应的弧光信号，如图1所示，每一路弧光传感器硬件电路和工作方式大体相同，弧光传感器采用照度传感器ISL29023，它是是一个具有中断功能的集成的数字环境光传感器，它可以将光信号转换成数字信号，并通过与兼容接口进行数据传送，ISL29023的接线图如图1所示，STC12C5A60S2的P2.1接入ISL29023的数据总线SDA端，P2.0接入时钟总线SCL端。
（三）电流信号调理单元
如图2所示，电流信号调理单元负责采集母线进线端电流值，然后通过隔离变换送入MCU模块。电流互感器TA安装在开关柜母线室进线端，以三相星形方式连接，它对系统内出现的各种故障都可以正常反应。
本系统电流变换器是一种特殊的电流互感器，由一个小容量辅助电流互感器和固定电阻构成，电流变换器的一次侧接入电流互感器二次绕组，则电流变换器的二次侧会出现感生电流，感生电流通过定值电阻形成回路，二次侧则输出电压信号。由于电磁设备容易对MCU模块产生干扰，接入MCU模块的信号必须进行电磁隔离。电流变换器变换后的电压从Vin端输入隔离传输电路，LM358-1为集成运放，R23为反馈电阻，用于调节运放输入偏置电流，R22为运放增益调节电阻，C10用来消除毛刺信号。HCNR200是一个具有高线性度、高稳定度的特点的光耦合隔离模块，LM358-2为集成运放，在电路中消除负载效应。
电流变换器的输出信号Vin输入隔离电路，经LM358组成的滤波器滤波后以电流的形式接入光耦合隔离模块HCNR200，HCNR200是一个具有高线性度、高稳定度的特点的光耦合隔离模块，输入电压通过隔离传输之后的电压增益可以通过R23和R21两个电阻调节，变换后的Vout送入STC12C5A60S2内部10位高速ADC中。 二、弧光监测保护装置系统软件设计
开关柜弧光故障一般出现在短路故障发生后，此时系统内电流会出现较大偏移，因此瞬时出现的短路过电流完全可以作为弧光故障出现的预警信号。本系统不但对开关柜中的各断路器采用光线传感器时刻检测器弧光外，还采用三相式星形接线的电流互感器来采集电流量，综合电流互感器和弧光传感器的信号综合对故障做出判断，避免单一因素测量误差或者干扰等因素造成的误动作，提高了系统的可靠性。
系统软件设计采用模块化的设计，采用主程序无条件调用子程序的模式，系统子程序包括显示子程序、触摸屏子程序、数据存储子程序、通信子程序、温度检测子程序、电流采集子程序、弧光检测子程序模块、跳闸控制子程序等，系统上电复，系统对各模块初始化完成后，无条件依次调用触摸屏子程序、显示子程序。开关柜中温湿度变化周期长，在系统中实时性要求不高，系统每隔10秒钟进行一次温湿度检测，并且在溫湿度检测过程中允许其它数据采集程序的执行。
电弧故障的危害程度与电弧电流大小和其作用时间息息相关，通常情况下，对于电力系统来说，只有在最小的总动作时间内切除弧光故障，才能保证设备受到较小损害。考虑到跳闸控制装置的动作时间等问题，系统采用定时中断的方式对电流信号和弧光信号进行检测，最小中断周期为5ms，保证系统对故障的响应时间小于50ms。系统进入中断后先后执行电流采集子程序、弧光检测子程序和跳闸控制子程序。考虑到系统的干扰项电流采集子程序、弧光检测子程序中对采集的数据进行算术软件复合滤波处理，去掉脉冲干扰和脉动项。
跳闸控制子程序首先对电流的检测值进行判断，如果检测值大于设定值，则进一步对检测的弧光数据进行判断，如果弧光检测的数据和电流检测的数据都大于各自的设定值，则给出跳闸信号和报警信号，如果仅检测到电流检测数据大于设定值而没有检测到弧光信息，则仅执行报警信息，而不进行跳闸处理。
三、结论
本文设计的开关柜弧光保护监测装置以单片机为核心，结构简单，成本低廉，通过多传感器对开关柜中电流、弧光、环境变量等进行监控，以所检测的电流和弧光数据为依据，对开关柜的综合情况进行判断并做出相关控制决策，能有效防止单一变量造成的误动作，可靠性强，可实现对运行中的开关柜起到有效的保护作用。系统经过调试及试验测试表明系统测试灵敏、故障响应时间短，可靠性强。
参考文献：
[1]胡斌.发电厂6kV厂用电系统电弧光保护的应用研究[J].华北电力大学.2011.
[2]崔巍，韩宜.电弧光保护的应用及技术探讨[J].科技与生活.2011.
关键词：电弧；开关柜；单片机；信号调理
早在上世纪60年代人们已经开始研究开关柜弧光事故，并设计监测预防措施，但是由于技术条件限制，一直没有找到理想的装备，但是随着电子技术的发展，新型的传感器和功能强大的微处理器的不断涌现为预防电弧产生和降低电弧危害提供了契机。本文采用单片机为监测控制核心，设计了开关柜弧光保护监测装置。
一、系统总体设计及工作原理
弧光保护监测装置主要由MCU模块、弧光信号调理单元、电流信号调理单元，人机交互单元等模块构成。
MCU模块是整个系统的核心部分，负责对各个传感器模块传输来的数据进行汇总、存储，根据具体设定要求对数据进行逻辑分析，判断是否发生故障，并进行跳闸控制和报警信号输出。电流信号调理模块负责采集开关柜进线端的三相电流值，主要由电流传感器（电流互感器），信号放大模块，隔离传输模块构成，通过 总线与MCU模块连接，为MCU对弧光故障的判断提供可靠的当前电流参考值。弧光信号调理模块负责将各断路器处弧光传感器采集到弧光信号进行调理，并通过总线发送到MCU模块。人机交互单元包括按键和LCD显示模块，是人与MCU进行交流的通道，操作人员通过按键将各项数据输入MCU模块。
（一）MCU模块
MCU模块以STC12C5A60S2单片机为控制核心，包括电源模块、按键单元、触摸屏模块、程序下载模块、串行EEPROM、无线数据收发模块、报警指示电路、数字温湿度传感器模块等组成。
STC12C5A60S2是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超強抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍，其内部含有2路PWM和8路高速10位A/D转换，I且/O多，驱动能力强，片内集成了1280字节的RAM，用户程序存储空间达62K，是一种增强型通用单片机。
电源模块为双电源供电系统，一路电源为USB供电，专为单片机程序现场下载、调试使用；另一路电源取自电气柜内的安装ZY0FB05P AC～DC模块模块，它将交流220V变换成直流12V，然后通过LM7805三端稳压集成电路将其稳压，转换成供单片机及其外围模块工作使用的5V稳定电压，两路开关可以根据实际情况通过拨码开关进行切换。
触摸屏模块采用驱动IC为R61505V的2.4寸TFT屏，其触摸部分采用XPT2046串行AD转换芯片，分辨率高，定位精度好。
串行EEPOM采用AT24C04型存储器，用来保存系统设定的相关参数，AT24C04是Ateml公司生产的容量为4kB得电可擦除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，芯片内的资料可以在断电的情况下保存100年，用来存储单片机采集的数据。
无线数据收发模块用来将系统采集的数据实时传送至电力系统的监控平台，该模块由NRF24L01芯片组成，它可工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM 频段。
数字温湿度传感器模块用来采集开关柜内温湿度的信息，对开关柜内的温湿度进行定时监控，保证开关柜在良好的环境条件下运行。该模块的核心是DHT11温湿度传感器，它是一个芯片级的温度和湿度传感器，它内部有一个随湿度变化的电阻式元件和一个NTC测温元件，它可以有效监测周围环境中的温度和湿度，经过处理后以数字方式输出，具有方便安装，反应灵敏，环境适应性强，成本低廉等特点。
报警指示电路为控制柜现场设置的多个指示报警电路，由单片机通过晶体管电流放大电路驱动电磁继电器吸合，进而点亮现场高亮度的指示灯，用来向巡检操作人员提供报警指示。
（二）弧光信号调理模块
弧光信号调单元块可从不同位置采集弧光传感器感应的弧光信号，如图1所示，每一路弧光传感器硬件电路和工作方式大体相同，弧光传感器采用照度传感器ISL29023，它是是一个具有中断功能的集成的数字环境光传感器，它可以将光信号转换成数字信号，并通过与兼容接口进行数据传送，ISL29023的接线图如图1所示，STC12C5A60S2的P2.1接入ISL29023的数据总线SDA端，P2.0接入时钟总线SCL端。
（三）电流信号调理单元
如图2所示，电流信号调理单元负责采集母线进线端电流值，然后通过隔离变换送入MCU模块。电流互感器TA安装在开关柜母线室进线端，以三相星形方式连接，它对系统内出现的各种故障都可以正常反应。
本系统电流变换器是一种特殊的电流互感器，由一个小容量辅助电流互感器和固定电阻构成，电流变换器的一次侧接入电流互感器二次绕组，则电流变换器的二次侧会出现感生电流，感生电流通过定值电阻形成回路，二次侧则输出电压信号。由于电磁设备容易对MCU模块产生干扰，接入MCU模块的信号必须进行电磁隔离。电流变换器变换后的电压从Vin端输入隔离传输电路，LM358-1为集成运放，R23为反馈电阻，用于调节运放输入偏置电流，R22为运放增益调节电阻，C10用来消除毛刺信号。HCNR200是一个具有高线性度、高稳定度的特点的光耦合隔离模块，LM358-2为集成运放，在电路中消除负载效应。
电流变换器的输出信号Vin输入隔离电路，经LM358组成的滤波器滤波后以电流的形式接入光耦合隔离模块HCNR200，HCNR200是一个具有高线性度、高稳定度的特点的光耦合隔离模块，输入电压通过隔离传输之后的电压增益可以通过R23和R21两个电阻调节，变换后的Vout送入STC12C5A60S2内部10位高速ADC中。 二、弧光监测保护装置系统软件设计
开关柜弧光故障一般出现在短路故障发生后，此时系统内电流会出现较大偏移，因此瞬时出现的短路过电流完全可以作为弧光故障出现的预警信号。本系统不但对开关柜中的各断路器采用光线传感器时刻检测器弧光外，还采用三相式星形接线的电流互感器来采集电流量，综合电流互感器和弧光传感器的信号综合对故障做出判断，避免单一因素测量误差或者干扰等因素造成的误动作，提高了系统的可靠性。
系统软件设计采用模块化的设计，采用主程序无条件调用子程序的模式，系统子程序包括显示子程序、触摸屏子程序、数据存储子程序、通信子程序、温度检测子程序、电流采集子程序、弧光检测子程序模块、跳闸控制子程序等，系统上电复，系统对各模块初始化完成后，无条件依次调用触摸屏子程序、显示子程序。开关柜中温湿度变化周期长，在系统中实时性要求不高，系统每隔10秒钟进行一次温湿度检测，并且在溫湿度检测过程中允许其它数据采集程序的执行。
电弧故障的危害程度与电弧电流大小和其作用时间息息相关，通常情况下，对于电力系统来说，只有在最小的总动作时间内切除弧光故障，才能保证设备受到较小损害。考虑到跳闸控制装置的动作时间等问题，系统采用定时中断的方式对电流信号和弧光信号进行检测，最小中断周期为5ms，保证系统对故障的响应时间小于50ms。系统进入中断后先后执行电流采集子程序、弧光检测子程序和跳闸控制子程序。考虑到系统的干扰项电流采集子程序、弧光检测子程序中对采集的数据进行算术软件复合滤波处理，去掉脉冲干扰和脉动项。
跳闸控制子程序首先对电流的检测值进行判断，如果检测值大于设定值，则进一步对检测的弧光数据进行判断，如果弧光检测的数据和电流检测的数据都大于各自的设定值，则给出跳闸信号和报警信号，如果仅检测到电流检测数据大于设定值而没有检测到弧光信息，则仅执行报警信息，而不进行跳闸处理。
三、结论
本文设计的开关柜弧光保护监测装置以单片机为核心，结构简单，成本低廉，通过多传感器对开关柜中电流、弧光、环境变量等进行监控，以所检测的电流和弧光数据为依据，对开关柜的综合情况进行判断并做出相关控制决策，能有效防止单一变量造成的误动作，可靠性强，可实现对运行中的开关柜起到有效的保护作用。系统经过调试及试验测试表明系统测试灵敏、故障响应时间短，可靠性强。
参考文献：
[1]胡斌.发电厂6kV厂用电系统电弧光保护的应用研究[J].华北电力大学.2011.
[2]崔巍，韩宜.电弧光保护的应用及技术探讨[J].科技与生活.2011.