基于自供电技术继电保护装置的电源设计

泰山科技学院 王明伟 山东泰开自动化有限公司 孙晶晶 李 凯

1 引言

近年来，数字化监测技术被广泛应用到各行业，但在应用在线监测设备中出现各种问题，给电源供电效果造成严重影响，所以工作人员要注重进行电源设计工作。

目前，常用自供电方式主要包括微波辐射式取电、光伏电池取电、电容分压取电、传统CT取电等类型，其中传统CT取电方式虽然取电操作流程简单，转换率较高，但其取能稳定性不足；光伏电池属于典型的可再生能源，能有效缓解能源短缺压力，但易受到外在因素影响，很难实现持续供电作用；微波辐射取电作为现代最先进的技术手段，能进行远距离无线传输，有较好的方向性，但是使用成本更高、传输效率更低。

基于此，本文所采用的自供电技术，是基于电磁感应和电容分压原理，从CT二次侧吸收电能，经过稳压、整流、分压、滤波等运行过程，将稳定的直流电源传输到继电保护装置。该装置针对传统自供电使用中出现的问题，准确判断电力线路故障问题，并通过测试电流测算出零序电流，从而制定出合理的解决方案；如果线路能量超过标准值，微控制器能控制电流泄放电路排出适量能量，加强电能自身稳定性，利用自供电电源输入信号对线路电压、电流进行实时监督；若电流量太小，则由微控制器操纵远端跳闸，将电路及外来电能输入，供给装置足够能量[1]。

2 继电保护装置分析

继电保护技术是利用有关的操作装置进行的，主要有馈线装置和进线电源装置两大类。其中，电源装置进线类型有速切保护装置、定限过流保护装置、差动保护装置等类型，在进线时，电源线路装置包括电流速断保护装置、小电流接地报警系统等。同时，在电力自动化继电保护时要严格遵循安全管理原则，控制电力设备在继电保护环境下运行，且保证在电力设备运行期间应设置两套独立的机电保护装置，给电力系统提供全方位保护。

在电力系统安全保护时，要合理设计继电保护装置，能有效降低安全事故发生概率，自动检测线路故障并及时进行解决，确保电力系统的稳定性。特别在信息化时代背景下，要积极引进先进信息技术，创新电力系统管理模式，拓展先进技术在仪器检测的应用范围，一旦出现安全事故，检测设备会及时产生相关信号，传输到计算机中，提醒工作人员解决故障，提高配电网安全性[2]。

3 自供电继电保护装置电源设计原理

自供电电源是利用电流互感器装置，经桥式电路整流后，利用分压电容对电能进行分压操作，通过一次母线对电能进行感应，从而转化为电压的不同等级。工作人员要利用滤波电路转变平滑直流电，但由于分压后输出交流电数量较多，很难满足电路供电的要求。

在整个运行过程中，分压电容的主要作用是将电流转换为电压，避免电压变化，改善尖峰电压，通过充放电电阻，将充足的电能供给自供电继电保护装置，并对输出电压进行合理的控制，以满足分压电路要求[3]。

目前，动态电能管理电路是以微控制器为核心，当电流超过标准值时，自主排放电流电路，加强供电端电压的稳定性；当一次电流数量无法达到功能要求时，要加强外部能量输入作用，提高装置电流应用效果，如图1所示。

图1 自供电继电保护装置结构

4 自供电电源系统设计

4.1 系统总体控制电路设计

该装置主要包括系统复位回路、电流泄放回路、远距离跳闸输入回路、电流互感器等几个环节，采用自供电继电在装置运行过程中，结合系统实际运行情况，科学调整电路增益数据，加强电力电流适应能力，从自供电电源位置采集三相电流信号，传输到微控制器实现计算任务。

同时，微控制器对三个电流及零序电流数据进行实时监督，对故障问题进行准确判断[4]。控制跳闸脉冲输出回路和出现故障问题时的跳闸脉冲，起动脱扣器；在能量数量超过标准值时，在故障信息记录模块方面，科学控制泄流电路的数量，保存故障资料。而上位机能准确读取系统实际运行状态和故障记录信息。

当电力系统出现安全故障，要进行远方跳闸操作，但24V电源输出能量过少时，微控制器要根据实际要求输入交流电源，由于母线交流变化不规则，自供电电源要想稳定吸收电网能量，要妥善解决实际问题：一是收集适量的能量控制扣器在轻载状态下跳闸；二是CT二次侧吸收短路故障状态下的稳定电能，如图2所示。

图2 动态电能管理电路结构

为了解决此问题，自供电电源要优化自供电电源结构原理，发现其提供不同等级的电源，有效加强系统功能稳定性。在整流操作后自动连接相关电路，如24V稳压电路、3.3V稳压电路、电流泄放电路、5V稳压电路等。根据实践数据证明，自供电技术继电保护装置能提高取电过程的稳定性，有效检验公式的正确性，从而达到行业应用标准。

其中通过24V稳压电路获得3.3V稳压电路和5V稳压电路；对于跳闸脉冲输出电路，24V电源能提供相关能量；5V电源传输系统复位电路的信号；当储能电容电压高于预期值时，电流泄放电路利用微控制器进行控制，从而使输出电压的稳定性得到加强。此外，CT感应式取能结合电流互感器的工作特点，通过稳压、整流、滤波等电路处理后，一次侧作用及其他幅变化的恒流源作用与二次侧作用基本相同，从而达到电能收纳作用[5]。

4.2 设计动态电能管理电路

为了提高设备能量稳定性，将动态电能管理技术应用到电压比较电路、远方跳闸输入电路、电流泄放电路等环节，其中微控制器是利用实时监测电路作用，准确判断电路能量。电力变压器油位正常情况下长期处于比较稳定的范围内，变压器油位状况与运行环节中的工作状态直接挂钩。油位在受到外界因素影响的情况下，油位出现各种各样的故障，从而造成油位上下波动的异常。而将油位跟踪器设置在电力变压器上面，主要作用是实时跟踪油位情况，在电力变压器正常运行时，工作人员要保证油位稳定性，避免其出现各种异常问题。并且油温要符合行业标准，控制在标准值以上。

同时，在电力变压器出现安全故障时，不仅会产生油温异样变动，还会导致油位出现异样变化。因此，在检验电力变压器油位时，要全面检验电力变压器油位，找到出现问题的具体位置，制定科学解决方案，避免事故进一步拓展。

通常MOS管路开关回路处于关闭状态，供电电容电压超过电压比较器设定参考电压，比较器输出高电平，微控制器控制MOS管路开关回路时，当与配有电网电流互感器的一次测点率连接，电流大幅度增加时，会增加二次侧电流的数量，剩余能源通过电流泄放电路进行能量排放，加强输出电压的稳定性；如果一次电流数值过小，造成24V电源输出能量不能控制远方脱扣器，微控制器要结合电路实际情况，连接自供电电源，电源电压为110V或220V，控制脱扣器跳闸。

4.3 软件系统设计

软件系统主要包括故障处理程序、主程序、中断程序等环节。其中主程序涉及主循环程序、模块初始化程序；中断程序有定时器延时中断程序、AD采样中断、定时器采样中断、通信终端等。故障处理程序要全面分析微控制器计算数据，准确判断故障类型，触发跳闸脉冲信号。

通过分析系统操作流程，发现在系统上电后自动进入主程序，完成系统自检和初始化操作，由于RAM数据具有较强的随机性，为了避免起动元件错误运行，要准确标注启动标识，中断延时60ms，采样相关运行数据，再计算起动元件资料，判断元件是否需要进行保护作业，自主进入主回路程序。同时，通过模拟调整放大电路的增益倍数，结合系统实际运行情况，利用采集到的三相电流值，计算出三相电流的有效值，校验程序EXRAM和EEPROM数据，如图3所示。

图3 系统工作流程

故障处理程序是利用各种系统功能进行逻辑处理和故障判断。首先，通过信号调节电路变化电流信号，将其传输到微控制器，全面采集输入信号，计算三相电流数值及零序电流有效值，若其数值超出整定值，则将跳闸脉冲输出回路输出跳闸脉冲，启动脱扣器，或自动进入下一保护故障处理程序，将计算出的计算值及整定值进行比较。此外，在处理器出现运行故障时，继电器内部还有一个完整的电路，可以作为备用电路使用。

5 结语

综上所述，本文提出的自电源保护装置系统，是通过CT系统从一次母线位置直接吸收电能，经过各种处理环节，转变为稳定能量，利用电流速断保护、接地电流保护等功能，对线路应用进行全面保护，而不能增设电源。经过实践发现，这种具有体积小、安全性高、智能化程度高等特点的装置，可以在不同电流条件下提供稳定的电能，可以有效解决传统继电保护装置在特殊场所难以取电的难题。