摘要：本文所讨论的针对配电开关柜弧光进行检测和保护的装置，是以故障电流和弧光来作为判断依据，同时采用软件辅助硬件的方式来完成对故障的检查。该装置在对故障进行检测的同时，也能够显示相应的故障信息，有利于故障定位，减少排查时间，提升修复效率。一旦检测出故障发生，将会触发开关，以避免故障问题的进一步发展，有效提升配电开关柜的安全性。
关键词：配电开关柜；弧光故障检测；保护装置
1.配电开关柜弧光故障简介
随着我国电力系统配电网的容量逐渐增加，设备发生故障后对于电力系统的安全运行有着较为严重的影响，会因为开关柜绝缘损毁、设备老化以及操作问题出现弧光从而导致烧毁现象的发生。当弧光产生时间在八十毫秒以内时，对于设备造成的损害程度较小。以往的电流和接地故障保护因为检测过程中需要的周期较长，且采取的动作较慢，所以无法有效的对于弧光所造成的危害进行控制，所以在配电系统当中加入设备故障快速切除的保护装置是非常必要的。早在上个世纪末期，一些发达国家就已经开始在开关柜和母线当中应用弧光保护装置。随着近些年来深入的研究发现，当发生弧光时，不但电压电流会出现变化，同时也会出现一些压力、热力、声音和光的效应影响，所以就设计出了以这些效应影响为基础的配电开关柜弧光检测方法。本文所探讨的配电开关柜弧光检测和保护装置，是以故障电流及弧光的双重判断依据为基础，不但具有简单的结构，同时也方便安装，且具有一定的抗干扰能力。
2.配电开关柜短路燃弧故障检测与保护装置系统结构分析
本文所探讨的配电开关柜弧光检测与保护装置，主要是由中央处理系统、弧光检测系统、故障电流检测系统、快速接地开关系统、故障报警和显示系统所组成，其中快速接地开关系统主要功能在于快速切断设备故障，只有当系统检测到弧光和过流信号的时候，才能够进行信号的输出，从而做出快速接地开关的动作。在对设备故障进行切断后，会显示出相应的信息，以便于维修人员能够更快的找到故障发生位置，提升供电的恢复速度，降低因停电造成的损失。如果检测时只检测到了过流信号，则不会马上进行动作，而是会发出警报信号。
3.配电开关柜弧光检测与保护装置硬件设计分析
3.1故障电流检测系统
故障电流检测系统主要是由线性光耦隔离电路、短路快速识别电路、电力互感器和锁存器组合而成。
下面将对组成故障电流检测系统的各个部分进行逐一分析：
首先是线性光耦隔离电路，因为配电开关柜当中的环境与高压强电磁环境相类似，会有电压和电流的突变现象，并有着较强的磁场，会出现一定的干扰信号。如果没能对其进行隔离，那么磁场和噪音等干扰信号就会进入到检测电路当中，并且会通过叠加现象来降低信噪比。所以，要避免多种干扰信号进入到检测电路中，防止其对系统所造成的损坏，需要在识别电路前端增加线性光耦隔离电路来实现隔离的效果。
其次是短路快速识别电路，其原理是利用带有通滤波器的移相器来把输入信号进行移相。当出现配电开关柜设备故障时，将会触发电路的状态翻转，并使得脉冲持续多个周期。同时，通过对于电平合理的进行选择和比较，就能够对于短路快速识别电路的灵敏程度进行调整。
第三是锁存器，锁存器主要作用是把识别电路所输出的信号进行锁存，并对锁存器所进行输出的信号进行判断，使用单片机就能够完成对于故障信号的识别及处理。
最后是电流互感器，电流互感器具有非常高的可靠性，在多种配电开关柜出现设备故障情况下，都能够在短时间内完成信号的发出，能够符合开关柜对于故障进行识别的基本要求。
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3.2弧光检测系统
弧光检测系统主要负责对电弧光信号进行采集和处理，光纤的前端利用凸透镜来实现弧光聚集的效果，然后利用光纤来把弧光传送到光电二极管中。光纤传输的光强决定了光电二极管的反向漏电流大小，同时采样电阻的电压也就变的越大。当电压被放大器进行放大之后，如果大于电路的阀值，那么就会将故障信号传输给单片机。通过对于电路阀值的合理设定，就能够实现准确识别输入的信号光，且达到避免光源干扰的效果，避免误判的发生，同时也能够确保电路检测的速度。当配电开关柜设备故障发生时，其内部必将出现热效应和电磁效应干扰，而弱电信号则无法在这种环境下进行工作，如果因为干扰而使得弧光检测失败，那么将会使得整个系统出现误判的情况，进而出现严重的后果。所以，为了避免干扰，应将弧光信号处理电路安装在配电开关柜的低压部位。同时，为了提升弧光探测的准确性，降低因长距离传输所出现的照度衰减情况，应利用石英光纤来进行传导，提升信号传输的可靠性。
弧光检测系统的光纤探讨由光纤和凸透镜组合而成，被放置在配电开关柜中的各个重要位置，例如电缆连接头以及母线间隔部位等等。同时，将这些部位的检测单元进行编码，当出现设备故障时，就可以通过对信息编码的查询来确定故障部位，从而更快的找到故障部位来进行维修。
3.3快速灭弧系统
当配电开关柜设备故障出现时，从理论的角度上来看，能够利用对配电开关柜结构的改善来提升其对于弧光的耐受能力，从而降低其受到损坏的程度，但这会提升配电开关柜的制作成本，且无法保证效果符合预期。所以，应采取相对主动的方式，来对于配电开关柜设备故障进行遏制。本文所探讨的配电开关柜弧光检测与保护装置，是通过快速接地开关来把弧光所产生的电流变为金属短接电流，最终实现灭弧。整个过程可以在3ms之内完成，从而满足配电开关柜的灭弧需求。这里采用的是快速接地开关PSE，这种一种利用燃气推进的装置，在快速灭弧系统中扮演这执行的角色，其功能主要在于当对弧光故障启动保护时，将故障发生处的母线回路进行接地处理，并在短时间内能够承载几万安培的短路电流。快速接地开关PSE内部保持真空，且外部具有较强的绝缘能力，确保在高压情况下不会被击穿。开关触头则采用抵阻抗耐高温材料，当进行短路保护时，能够承载一段时间的高温情况且不发生变形。该装置能够在短时间内完成闭合动作过程，确保整个系统能够得到有效的保护。
4.配电开关柜弧光检测与保护装置软件设计分析
对于配电开关柜的弧光信号和故障电流进行检测都需要利用硬件电路来完成，单片机则需要对故障电流和弧光信号进行判断和识别。当整个系统启动后，应先进行初始化，然后单片机则进入到睡眠模式当中，从而有效避免单片机因为受到干扰而进入到死循环当中，进而提升整个系统的抵抗干扰能力。当故障电流信号引发中断情况后，则单片机唤醒，完成对弧光进行检测的过程。一旦检测到弧光信号，那么将立刻对故障进行切断，并对故障信息进行发出。如果没有检测到弧光信号，则会继续对弧光信号进行持续性的扫描，并利用定时器来设定扫描时间。如果在该时间范围内没有检测到弧光信号，那么单片机则继续进行睡眠。
结束语
本文所探讨的配电开关柜弧光检测与保护装置，是以硬件为主体，同时采用软件进行辅助的方法来实现对过流、弧光信号的检测，单片机则需要进行后期的一些处理。通常情况下，单片机都处于睡眠状态中，只有出现中断情况时才会唤醒。一旦检测到故障时，该装置则能够利用发动快速接地开关来灭弧，从而提高开关柜的安全程度，并提升其实用性。
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论文作者:张鹏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/28
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