一种集成小型化的智能快速保护装置

曾晶晶, 陈 瑶



一种集成小型化的智能快速保护装置

曾晶晶, 陈 瑶

（武汉船用电力推进装置研究所，430064）

本文介绍了一种高集成小型化智能快速保护装置，简单有效的实现了供电、测量、保护、快速输出等功能，并具有很强的通信扩展性，可以方便的集成在断路器的本体上。

断路器 快速保护装置

0 引言

应用背景为直流供电系统，额定几百安电流的供电设备的短路保护。本文保护装置体积小功能齐全，使用方便。直接连入主回路供电电路，可以实现设备的高隔离要求和快速短路保护。本文所述智能快速保护装置，集成在断路器上，依靠主回路电压供电，自带电流测量、保护及电容储电的快速功率输出。保护装置可以通过旋钮方便的更改保护的设定值，具有数字化的多区间特性保护，除了具有保护功能外，还兼有事件记录、召唤数据、CAN通信等辅助功能。

1 保护装置的组成

1.1 保护装置的供电

保护装置是主回路取电的自供电方式。该装置功耗低，使用一个范围约150～400 V的小功率隔离电源，其输入侧直接栓接在断路器的母排上，当断路器接入主回路中，系统电压转换为保护装置的64 V的内部电压。这个稳定的内部电压与主回路完全隔离，用于给输出电容充电，同时再降压成3.3 V控制系统供电，±15 V给传感器供电。电源前端配置电网滤波器和过压吸收器件，防止断路器动作时过电压造成电源的损坏。

1.2 主回路电流的测量

保护装置自带电流传感器装置，在母排上焊接固定的分流通道，大约分流100：1。主电路通过100 A电流时有1 A的电流通过测量分流线，然后使用一个小的霍尔传感器，测量分流线的电流，示意图见图1。

在电流测量中由于温度和电流的平方成正比，还有不同的热量传导，分流回路和主回路传导线的温度特性有差异，会影响电流的动态分配。但是在稳定的电流情况下，经过一些动态调整电流分配也是稳定的，可以在保护装置软件中设置数值校正，还原主回路电流。由于分流回路和主回路的感抗特性有差异，还会导致瞬态特性的畸变，示意图如图2。畸变在几十毫秒，对于快速保护要有一定的滤波措施。

另外在主回路大电流下有很大的磁场辐射，磁通测量方式的传感器很快饱和，极大影响了测量，需要进行磁屏蔽措施。

1.3快速功率输出

在直流系统中保护需要快速性，本装置输出使用固态继电器控制一个预充电电容，给脱扣器线圈放电，线圈的磁场产生吸力使断路器机械储能联动。如图3。

图中OUT为脉冲输出，D1为线圈蓄流二极管，SSR为固态继电器，开通速度0.1 ms，CT1为预充电电容。

1.4保护等定值的设定

保护装置表面有若干旋钮状的可调电阻，在面板上扭动旋钮可以改变表现的电阻值，在满量程电压下，输出的电压引入AD采样，用分段采样值范围来表述设定值刻度。

2 保护功能的实现

装置的保护功能包括：快速保护、延时保护。

2.1快速保护的实现

为了简单的实现快速保护，使用一个比较器芯片，用门阀值的设定来实现保护的门槛，当模拟量的值到达门槛就会引起一个电平翻转，芯片设置电平触发门槛，通过判断高低电平的情况作为保护的条件。保护门槛的电压设置，用芯片的输出PWM的波形，调节高电平占空比，通过简单的RC滤波可以方便的实现稳态的模拟电压，低通滤波的截止频率取决于产生的PWM的频率。如图4。

图中IPWM是由芯片的输出脚产生的周期波，调配占空比经过RC低通滤波后平稳的电压接入引脚，在芯片里根据保护的设定值和模拟信号的电压值的关系来确定占空比，比如1000 A对应1 V，为了实现2000 A的保护，把3.3 V输出芯片的高低电平占空比设置为20和13，时间单位根据调配的低通滤波参数设置，为了达到更好的精度，使用更高精度的3.3 V给芯片的IO电源供电。图中Icom为比较结果，接入芯片的输入引脚，随时监测此引脚的电平或者设置触发中断，可以第一时间响应保护。

2.2延时保护的实现

在智能保护中，除了瞬动保护外，还会有延时保护，它的延时时间和电流值有相应的关系。

延时保护动作时间较长，通过对模拟量的AD采样，得到模拟量适时变化值，离散化延时保护的关系，把电流区域化如图5，每个区域对应一个保护延时时间，当电流到相应区域执行该区域的延时保护。通过多级离散化处理实现运算量复杂的非线性保护，此保护中还可以融入一定的校正措施。

3 程序设计

在系统内部程序分为三部分，快速保护，延时保护和CAN通信，对应三个相应中断。

3.1 用于快速保护的外部触发中断[1]

快速保护需要及时的响应，设置外部触发引脚响应中断，在中断后，高频读取中断脚的电平，在一定的时间内通过算法判断保护输出。中断设置原理如下图。

要产生中断，必须先配置好并使能中断线。根据需要的边沿检测设置2个触发寄存器，同时在中断屏蔽寄存器的相应位写’1’允许中断请求。当外部中断线上发生了期待的边沿时，将产生一个中断请求，对应的挂起位也随之被置’1’。在挂起寄存器的对应位写’1’，将清除该中断请求。 如果需要产生事件，必须先配置好并使能事件线。根据需要的边沿检测通过设置2个触发寄存器，同时在事件屏蔽寄存器的相应位写’1’允许事件请求。当事件线上发生了需要的边沿时，将产生一个事件请求脉冲，对应的挂起位不被置’1’。

3.2 用于延时保护的DMA中断[2]

延时保护需求定时判断模拟量值，在设置AD后，用DMA控制AD的数据读取。DMA是一种无需CPU干预的外设数据传输方式。在发生一个事件后，外设向DMA控制器发送一个请求信号。DMA控制器根据通道的优先权处理请求。当DMA控制器开始访问发出请求的外设时，DMA控制器立即发送给它一个应答信号。当从DMA控制器得到应答信号时，外设立即释放它的请求。一旦外设释放了这个请求，DMA控制器同时撤销应答信号。如果有更多的请求时，外设可以启动下一个周期。

设置DMA存储的数据最大值，当达到最大值会发生一个中断，CPU读取DMA缓存的模拟量数据，用一定的算法产生保护输出。

3.3 CAN通信中断[3]

外部设备请求数据交换，CAN控制器接收后产生一个中断，CPU把数据回复给CAN控制器。过程如下图：

4 结论

目前，产品小型化、高集成度是发展趋势。本文介绍的保护装置体积小，在电源方案和模拟量上有独特的小型化措施，能方便安装在断路器上，具有保护装置模拟量采集、快速输出、开关输入量、通信等多种基本功能，有很好的应用于智能电器的前景。

[1] STM32F101xx,STM32F102xx,STM32F103xx,STM32F105xx,STM32F107xx. ARM内核32位高性能微控制器参考手册.

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[4] 张立军，陈百胜. 配电系统中低压断路器的诺干问题分析[J]. 自动化应用，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，硕士，工程师。研究方向：电器控制。