曾晶晶, 陳 瑤

?

一種集成小型化的智能快速保護裝置

曾晶晶, 陳 瑤

（武漢船用電力推進裝置研究所，430064）

本文介紹了一種高集成小型化智能快速保護裝置，簡單有效的實現(xiàn)了供電、測量、保護、快速輸出等功能，并具有很強的通信擴展性，可以方便的集成在斷路器的本體上。

斷路器 快速保護裝置

0 引言

應用背景為直流供電系統(tǒng)，額定幾百安電流的供電設備的短路保護。本文保護裝置體積小功能齊全，使用方便。直接連入主回路供電電路，可以實現(xiàn)設備的高隔離要求和快速短路保護。本文所述智能快速保護裝置，集成在斷路器上，依靠主回路電壓供電，自帶電流測量、保護及電容儲電的快速功率輸出。保護裝置可以通過旋鈕方便的更改保護的設定值，具有數(shù)字化的多區(qū)間特性保護，除了具有保護功能外，還兼有事件記錄、召喚數(shù)據(jù)、CAN通信等輔助功能。

1 保護裝置的組成

1.1 保護裝置的供電

保護裝置是主回路取電的自供電方式。該裝置功耗低，使用一個范圍約150～400 V的小功率隔離電源，其輸入側直接栓接在斷路器的母排上，當斷路器接入主回路中，系統(tǒng)電壓轉換為保護裝置的64 V的內(nèi)部電壓。這個穩(wěn)定的內(nèi)部電壓與主回路完全隔離，用于給輸出電容充電，同時再降壓成3.3 V控制系統(tǒng)供電，±15 V給傳感器供電。電源前端配置電網(wǎng)濾波器和過壓吸收器件，防止斷路器動作時過電壓造成電源的損壞。

1.2 主回路電流的測量

保護裝置自帶電流傳感器裝置，在母排上焊接固定的分流通道，大約分流100：1。主電路通過100 A電流時有1 A的電流通過測量分流線，然后使用一個小的霍爾傳感器，測量分流線的電流，示意圖見圖1。

在電流測量中由于溫度和電流的平方成正比，還有不同的熱量傳導，分流回路和主回路傳導線的溫度特性有差異，會影響電流的動態(tài)分配。但是在穩(wěn)定的電流情況下，經(jīng)過一些動態(tài)調(diào)整電流分配也是穩(wěn)定的，可以在保護裝置軟件中設置數(shù)值校正，還原主回路電流。由于分流回路和主回路的感抗特性有差異，還會導致瞬態(tài)特性的畸變，示意圖如圖2?；冊趲资撩?，對于快速保護要有一定的濾波措施。

另外在主回路大電流下有很大的磁場輻射，磁通測量方式的傳感器很快飽和，極大影響了測量，需要進行磁屏蔽措施。

1.3快速功率輸出

在直流系統(tǒng)中保護需要快速性，本裝置輸出使用固態(tài)繼電器控制一個預充電電容，給脫扣器線圈放電，線圈的磁場產(chǎn)生吸力使斷路器機械儲能聯(lián)動。如圖3。

圖中OUT為脈沖輸出，D1為線圈蓄流二極管，SSR為固態(tài)繼電器，開通速度0.1 ms，CT1為預充電電容。

1.4保護等定值的設定

保護裝置表面有若干旋鈕狀的可調(diào)電阻，在面板上扭動旋鈕可以改變表現(xiàn)的電阻值，在滿量程電壓下，輸出的電壓引入AD采樣，用分段采樣值范圍來表述設定值刻度。

2 保護功能的實現(xiàn)

裝置的保護功能包括：快速保護、延時保護。

2.1快速保護的實現(xiàn)

為了簡單的實現(xiàn)快速保護，使用一個比較器芯片，用門閥值的設定來實現(xiàn)保護的門檻，當模擬量的值到達門檻就會引起一個電平翻轉，芯片設置電平觸發(fā)門檻，通過判斷高低電平的情況作為保護的條件。保護門檻的電壓設置，用芯片的輸出PWM的波形，調(diào)節(jié)高電平占空比，通過簡單的RC濾波可以方便的實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的模擬電壓，低通濾波的截止頻率取決于產(chǎn)生的PWM的頻率。如圖4。

圖中IPWM是由芯片的輸出腳產(chǎn)生的周期波，調(diào)配占空比經(jīng)過RC低通濾波后平穩(wěn)的電壓接入引腳，在芯片里根據(jù)保護的設定值和模擬信號的電壓值的關系來確定占空比，比如1000 A對應1 V，為了實現(xiàn)2000 A的保護，把3.3 V輸出芯片的高低電平占空比設置為20和13，時間單位根據(jù)調(diào)配的低通濾波參數(shù)設置，為了達到更好的精度，使用更高精度的3.3 V給芯片的IO電源供電。圖中Icom為比較結果，接入芯片的輸入引腳，隨時監(jiān)測此引腳的電平或者設置觸發(fā)中斷，可以第一時間響應保護。

2.2延時保護的實現(xiàn)

在智能保護中，除了瞬動保護外，還會有延時保護，它的延時時間和電流值有相應的關系。

延時保護動作時間較長，通過對模擬量的AD采樣，得到模擬量適時變化值，離散化延時保護的關系，把電流區(qū)域化如圖5，每個區(qū)域對應一個保護延時時間，當電流到相應區(qū)域執(zhí)行該區(qū)域的延時保護。通過多級離散化處理實現(xiàn)運算量復雜的非線性保護，此保護中還可以融入一定的校正措施。

3 程序設計

在系統(tǒng)內(nèi)部程序分為三部分，快速保護，延時保護和CAN通信，對應三個相應中斷。

3.1 用于快速保護的外部觸發(fā)中斷[1]

快速保護需要及時的響應，設置外部觸發(fā)引腳響應中斷，在中斷后，高頻讀取中斷腳的電平，在一定的時間內(nèi)通過算法判斷保護輸出。中斷設置原理如下圖。

要產(chǎn)生中斷，必須先配置好并使能中斷線。根據(jù)需要的邊沿檢測設置2個觸發(fā)寄存器，同時在中斷屏蔽寄存器的相應位寫’1’允許中斷請求。當外部中斷線上發(fā)生了期待的邊沿時，將產(chǎn)生一個中斷請求，對應的掛起位也隨之被置’1’。在掛起寄存器的對應位寫’1’，將清除該中斷請求。 如果需要產(chǎn)生事件，必須先配置好并使能事件線。根據(jù)需要的邊沿檢測通過設置2個觸發(fā)寄存器，同時在事件屏蔽寄存器的相應位寫’1’允許事件請求。當事件線上發(fā)生了需要的邊沿時，將產(chǎn)生一個事件請求脈沖，對應的掛起位不被置’1’。

3.2 用于延時保護的DMA中斷[2]

延時保護需求定時判斷模擬量值，在設置AD后，用DMA控制AD的數(shù)據(jù)讀取。DMA是一種無需CPU干預的外設數(shù)據(jù)傳輸方式。在發(fā)生一個事件后，外設向DMA控制器發(fā)送一個請求信號。DMA控制器根據(jù)通道的優(yōu)先權處理請求。當DMA控制器開始訪問發(fā)出請求的外設時，DMA控制器立即發(fā)送給它一個應答信號。當從DMA控制器得到應答信號時，外設立即釋放它的請求。一旦外設釋放了這個請求，DMA控制器同時撤銷應答信號。如果有更多的請求時，外設可以啟動下一個周期。

設置DMA存儲的數(shù)據(jù)最大值，當達到最大值會發(fā)生一個中斷，CPU讀取DMA緩存的模擬量數(shù)據(jù)，用一定的算法產(chǎn)生保護輸出。

3.3 CAN通信中斷[3]

外部設備請求數(shù)據(jù)交換，CAN控制器接收后產(chǎn)生一個中斷，CPU把數(shù)據(jù)回復給CAN控制器。過程如下圖：

4 結論

目前，產(chǎn)品小型化、高集成度是發(fā)展趨勢。本文介紹的保護裝置體積小，在電源方案和模擬量上有獨特的小型化措施，能方便安裝在斷路器上，具有保護裝置模擬量采集、快速輸出、開關輸入量、通信等多種基本功能，有很好的應用于智能電器的前景。

[1] STM32F101xx,STM32F102xx,STM32F103xx,STM32F105xx,STM32F107xx. ARM內(nèi)核32位高性能微控制器參考手冊.

[2] 劉貫營，趙玉榮. Cortex-M4內(nèi)核微處理器DMA方式的高速A/D采樣[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2012, (7):71-72.

[3] 王小進，李世學. AT91M40800與CAN總線的借口設計與軟件編程[J]. 船電技術，2010, (4):41-44.

[4] 張立軍，陳百勝. 配電系統(tǒng)中低壓斷路器的諾干問題分析[J]. 自動化應用，2012, (8):78-79.

An Intellegent Integrated Miniature of Fast Protection Device

Zeng Jingjing, Chen Yao

(Wuhan Insititute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

The paper describes an intellegent integrated miniature of fast protect device of. The device includes power supply by itself and current measurement and current protect functions. When performing, it can export a voltage high-speed , expand communications and can be fixed on breaker.

breaker; protect device

TM561

A

1003-4862（2015）03-0016-03

2014-08-11

曾晶晶(1982-)，男，碩士，工程師。研究方向：電器控制。