继电保护设备开关电源过流保护电路设计研究

2024-03-08南京南瑞继保电气有限公司

电力设备管理 2024年2期

南京南瑞继保电气有限公司丁伟

现阶段，人们生活、工作以及社会建设生产等各类活动都需要电力能源的支持。近些年，我国电力基础设施工程的建设力度显著提升，电力设备不断更新换代，电力系统的负荷不断增加，电网运行的安全性、可靠性和稳定性面临着更大的挑战。继电保护设备主要用于监测电力系统中的故障，通过控制开关或断路器来隔离故障来防止故障扩大导致设备损坏甚至事故发生，因而继电保护设备开关电源过流保护电路设计优化非常必要。

1 开关电源与过流保护概述

1.1 开关电源

开关电源是一种高效的电源转换设备，其工作原理是采用先进的现代电子技术，通过控制开关器件的开关时间比例，从而实现稳定的电压输出。在工作过程中，即使在满载的情况下，开关器件仍然能够保持关闭的状态，这使得开关电源的工作效率非常高，而且其体积比传统的线性电源要小得多。由于具备这些优点，开关电源已经广泛应用于各种继电保护设备中。通过开关电源能够为设备提供高效、稳定的电源环境，使继电保护设备能够正常、持续地运行，从而保证了继电保护设备的稳定性和可靠性[1]。

1.2 过流保护

开关电源过流主要是由于短路、过载或其他故障引起的，而继电保护设备则通过监测电流的大小来判断是否存在过流，在必要时对系统进行切除或断开以保护电气设备和保证系统的安全运行。继电保护设备的开关电源过流保护机理是基于对电流的监测和分析，通过相应的保护元件和保护动作来确保电气系统的安全运行。开关电源过流保护的过程中继电保护设备可以通过测量电路中的电流大小来判断是否存在过流，当系统运行的电流处于额定范围内时不会产生任何变化，而当出现故障导致过流时继电保护设备就会检测到电流超出额定值并根据设定的保护动作值做出相应的响应。

一旦继电保护设备检测到过流就会向控制装置发送信号以切断电源或者发出警报，或者直接对开关进行动作并切断故障电路以防止故障扩大。实际上开关电源过流保护需要根据实际系统的特性进行调整和设置，包括设置过流保护的动作值、时限、死区等参数，以此来确保在故障出现时能够准确、及时地做出响应，同时避免误动作。

2 开关电源过流保护电路设计研究

2.1 基于光电隔离器和继电器的过流保护电路设计

这种电路设计充分利用了光电隔离器和继电器的特性，以实现对开关电源的过流保护。设计的基本原理是，当电流超过预设的安全阈值时，光电隔离器就会被触发并接收到信号，信号会被光电隔离器处理并转化为一个特定的信号，这个信号可以驱动继电器。一旦继电器接收到驱动信号，就会马上切断电源，实现过流保护。开关管的漏极电流达到2A的时候，会自动停止脉宽调制芯片的脉宽输出，以达到保护电路核心芯片和器件的目的，如图1所示。

图1 过流保护

光电隔离器在设计中的作用是监测电流是否超过安全阈值，并在这种情况下生成一个信号。光电隔离器可以在电流突然增大的情况下迅速响应，在极短的时间内对信号做出反应。而继电器在这个设计中的作用是接收光电隔离器的信号并切断电源，可以在接收到信号后立即切断电源，避免设备因过大电流而受损[2]。

第一，光电隔离器和继电器的协同设计，在电流超过安全阈值的一瞬间就能检测到这个情况，并立即产生一个信号驱动继电器切断电源，从而避免设备受到过大电流的损害。第二，基于光电隔离器和继电器的过流保护电路设计，具有极高的可靠性和稳定性。光电隔离器和继电器都是经过多年实践验证的成熟技术，其性能非常稳定，而且故障率极低，不仅可以在电源出现过流的情况下迅速响应并切断电源，而且能在长期运行中保持稳定的性能，降低故障发生的可能性[3]。

2.2 基于达林顿管和继电器的过流保护电路设计

基于达林顿管和继电器的过流保护电路设计，要明确不同的应用场景可能需要不同类型的传感器，比如在高精度要求的场合可能会选择霍尔效应传感器，而在一般的工业场合可能会选择电流互感器，这需要考虑电路中的电流范围以及精度和响应时间的要求来选择适宜的电流传感器。达林顿管在过流保护电路中的作用是放大电流传感器的输出信号，从而能够达到触发继电器的要求，这需要设计合适的放大倍数和功率耗散考虑，同时考虑达林顿管的稳定性和温度特性。

另外，继电器在运行中一旦出现误动作或失灵可能会导致设备损坏或人身安全受到威胁，因而对继电器的选择要考虑其触发电流和动作特性以及接触可靠性和寿命等因素，同时设计过流保护的触发阈值时，要综合考虑被保护设备的特性、额定工作电流和过载保护容忍度，保证阈值的合理性能够确保设备不受损害，同时避免频繁误动作。在确定过流保护电路的实际应用情况的前提下，在设计当中还需要综合考虑抗干扰能力、抗电磁干扰能力、系统响应速度等，本设计的主要目标是当开关管的漏级电流达到2A 的时候，自动停止脉宽调制芯片的脉宽输出，以达到保护电路核心芯片和器件的目标，所以R1选择精度为1/100或以上的高精度0.7Ω 电阻，这样能保证当开关管电流超过2A 时，达林顿管Q2导通，进D2可控硅2N1595导通，从而脉宽调制芯片失去供电，停止工作，达到了保护开关管及其他重要电路的效果。具体如图2所示。

图2 过流保护电路

2.3 基于光电隔离器和TL431的过流保护电路设计

过流保护电路设计的目标是在电流达到可能对设备造成损害的级别时，能够迅速并有效地切断电源，以防止对继电保护设备的潜在损害。在众多的设计策略中，基于光电隔离器和TL431的过流保护电路设计是一种被广泛应用并且效果显著的方法。在这个设计中，光电隔离器和TL431一起工作，对电源进行过流保护[4]。TL431作为精密可调分压器，能够精确控制过流的临界值，光电隔离器则负责在达到临界值时切断电源。具体如图3所示。第一，TL431的作用是能精确地设置电压临界值，以确定电流的安全范围。当电流超过这个安全范围时，TL431就会触发光电隔离器，切断电源，防止电源过流对设备的破坏。第二，光电隔离器和TL431都是经过多年实践验证的成熟技术，两者的性能非常稳定，故障率极低。在电源出现过流的情况下能迅速响应并切断电源，能在长期运行中保持稳定的性能，减少故障的可能性。第三，TL431和光电隔离器的出色性能，电路在出现过流时能够迅速作出反应，从而极大地降低设备损坏的风险。

图3 过流保护电路

2.4 基于达林顿管和小功率可控硅的过流保护电路设计

这种电路设计采用了达林顿管和小功率可控硅的联合使用来进行过流保护。达林顿管，因其高增益特性，使得电路在电流超过正常范围时能够迅速响应。这种特性主要源于达林顿管内部的结构，其包含两个半导体PN 结，这两个结在电流变化时，能够迅速改变其电阻值，从而使电路对电流变化有敏感的反应。这样，当电流过大的情况发生时，达林顿管就能够迅速响应并开始工作，阻止电流的进一步增大。小功率可控硅则负责切断电源，防止电源过流对设备造成损害。这种切断机制的设计，使电源在面临过流的情况下，能够迅速地切断电源，避免过大的电流对电源产生进一步的损害[5]。具体如图4所示。

图4 过流保护电路

基于达林顿管的过流检测电路需要综合考虑传感器选择、信号放大、滤波和精确的阈值设定等因素，保证电流传感器选型合理性和灵敏度的调节能够确保对电路中微小过流的及时准确检测。而基于小功率可控硅的过流触发电路，需要考虑触发信号的稳定性、精确的触发阈值设定和触发脉冲的控制，必须确保在需要进行过流保护时，SCR 能够及时可靠地截断电路。整个过流保护电路需要有清晰的保护逻辑设计，确保过流检测信号能够准确地触发SCR 进行保护动作并能够与电源系统实现有效的互锁和自恢复功能。

2.5 基于光电隔离器和LM393的过流保护电路设计

该设计利用了光电隔离器和LM393（一种双路电压比较器）的结合，为开关电源提供了过流保护。在电路设计中，LM393被用作精确比较电路中电压的工具，当电流超过安全阈值时，LM393就会产生一个输出信号。这个输出信号被光电隔离器接收后，光电隔离器即刻切断电源，防止电路因过流而损坏。该设计的一个显著优点是，通过应用LM393电路可以对电压的微小变化进行精确的比较，从而实现了更准确更敏感的过流保护。这种保护方式能够在电流过大时迅速反应，保证电路的安全稳定运行，如图5所示。