一種智能脫扣器數據采集系統硬件設計

摘要: 隨著(zhù)現代電氣智能化的發(fā)展，智能電器已經(jīng)廣泛應用于電力系統的分配控制方面，在監測電網(wǎng)的運行狀態(tài)時(shí)，高速、高精地采集信號是十分重要的。文章對微控制器的智能數據采集系統的硬件電路進(jìn)行了設計，實(shí)現了電網(wǎng)信號的采集、跟蹤和顯示，其中所涉及的電路包括信號采集和轉換電路、選通采集電路與鎖相倍頻電路，并通過(guò)示波器觀(guān)測各個(gè)電路的輸出情況，完成整體智能數據采集系統的設計。

0 引言

在電能的產(chǎn)生、輸送、使用過(guò)程中，配電是一個(gè)極其重要的環(huán)節。低壓斷路器就是在低壓配電系統中用來(lái)處理由于電網(wǎng)波動(dòng)導致線(xiàn)路出現嚴重的過(guò)載、短路、過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)電流、剩余電流等故障的一種電器。它可以及時(shí)切斷電路，隔離故障，起到保護配電網(wǎng)絡(luò )、電氣設備的作用。脫扣器是斷路器的核心部件，可以在電網(wǎng)發(fā)生故障情況時(shí)分斷電流。

從上世紀50 年代開(kāi)始生產(chǎn)仿蘇斷路器，至今已發(fā)展為帶有微處理器的智能型脫扣器。智能脫扣器不僅囊括了傳統脫扣器所有保護功能，而且還能夠顯示、設定和修改被控電路中參數并擴充了測量、控制、報警、數據記憶及傳輸、上下微機的通信等功能，其性能大大優(yōu)于傳統的常規斷路器產(chǎn)品。智能脫扣器要在電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下快速分斷整體電路，又要對電網(wǎng)信號的采集要準確、快速、無(wú)誤，這樣，智能脫扣器的核心———微控制單元才能準確分析采集到的信號，正確判斷電網(wǎng)是否故障。本文所介紹智能脫扣器電網(wǎng)信號的采集系統的硬件主要分為3 個(gè)部分:① 信號調理單元，包括電流采樣、電壓采樣、剩余電流采樣;②鎖相環(huán)頻率跟蹤;③ 多路轉換開(kāi)關(guān)。該3 部分相互連接形成一個(gè)整體，不可分割。合理地處理好該3 部分，才能準確地了解當前的電網(wǎng)情況，保護電網(wǎng)和用電電器安全。

1 整體設計方案

智能脫扣器數據采集系統結構框圖如圖1 所示。電網(wǎng)信號經(jīng)過(guò)信號調理單元的電流、電壓、剩余電流采集電路，送入多路轉換開(kāi)關(guān)，同時(shí)應用鎖相環(huán)提供微控制器中斷信號，利用微控制器LPC2294 外部中斷功能進(jìn)行信號實(shí)時(shí)采樣，最終將采樣信號送入微控制器。

智能脫扣器數據采集系統硬件整體結構框圖

圖1 智能脫扣器數據采集系統硬件整體結構框圖。

2 信號調理單元

信號調理單元包括電流采樣、電壓采樣以及剩余電流采樣。信號調理單元將7 路輸出信號:I1、I2、I3、U1、U2、U1、L 送入多路轉換開(kāi)關(guān)，以備后續循環(huán)采樣。

2. 1 空心電流互感器

隨著(zhù)電力傳輸容量的不斷增長(cháng)，電網(wǎng)電壓等級的不斷提高，保護要求更加嚴格，鐵心式互感器暴露出一些缺點(diǎn)，如體積大、易磁飽和、有鐵磁諧振、動(dòng)態(tài)范圍小、使用頻帶窄等。本設計使用了空心電流互感器，空心式電流互感器克服了傳統鐵心式互感器的缺點(diǎn)，采用非磁性材料作為傳感器，無(wú)飽和、無(wú)剩磁、體積小、頻帶寬，最重要的是其二次側輸出不是一個(gè)電流量而是一個(gè)電壓量，省去在二次側接大功率采樣電阻和二次側不能開(kāi)路的限制。采用空心電流互感器輸出的小電壓信號就可以直接應用到后續電路。

空心電流互感器由Rogowski 空心線(xiàn)圈構成，是一種密繞于非磁性骨架上的空心螺線(xiàn)管?？招碾娏骰ジ衅鹘Y構如圖2 所示，其中Ix為被測信號電流，e(t)為空心電流互感器線(xiàn)圈輸出電動(dòng)勢。e(t)與Ix關(guān)系如式(1)所示:

空心電流互感器結構圖

圖2 空心電流互感器結構圖。



式中N———線(xiàn)圈總匝數

S———非磁性骨架截面積

Ix———被測電流

為了求得輸出信號和輸入電流的線(xiàn)性關(guān)系，積分器是模擬電路的關(guān)鍵部分。因此，在空心互感器后面加入了積分環(huán)節，使輸出電壓與輸入電流保持線(xiàn)性關(guān)系。Ux即為經(jīng)過(guò)積分器的輸出電壓，如式(2)所示:


式中r———非磁性骨架圈半徑

R———空心線(xiàn)圈后接積分器的積分電阻

C———空心線(xiàn)圈后接積分器的積分電容

經(jīng)過(guò)空心電流互感器，將被測信號轉化成所需的小電壓信號，且頻率相位均未改變，準確度高，適合應用于智能斷路器大電流采樣中。按照生產(chǎn)空心電流互感器的廠(chǎng)家以及有關(guān)互感器資料文獻［1］中的數據，表1 中列出了本設計系統所設置的條件下故障電流值和電流通過(guò)空心互感器輸出的電壓值，其中，IN為額定電流。通過(guò)表1所列輸入空心互感器電流Ix和經(jīng)積分電路后電壓輸出Ux關(guān)系可看出，兩者呈線(xiàn)性關(guān)系。