一種智能脫扣器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計

摘要: 隨著現(xiàn)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(tǒng)的分配控制方面，在監(jiān)測電網(wǎng)的運行狀態(tài)時，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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路進行了設計，實現(xiàn)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(zhuǎn)換電路、選通采集電路與鎖相倍頻電路，并通過示波器觀測各個電路的輸出情況，完成整體智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計。

0 引言

在電能的產(chǎn)生、輸送、使用過程中，配電是一個極其重要的環(huán)節(jié)。低壓斷路器就是在低壓配電系統(tǒng)中用來處理由于電網(wǎng)波動導致線路出現(xiàn)嚴重的過載、短路、過電壓、欠電壓、過電流、剩余電流等故障的一種電器。它可以及時切斷電路，隔離故障，起到保護配電網(wǎng)絡、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)生故障情況時分斷電流。

從上世紀50 年代開始生產(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(tǒng)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(shù)并擴充了測量、控制、報警、數(shù)據(jù)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(tǒng)的常規(guī)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(tǒng)的硬件主要分為3 個部分:① 信號調(diào)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(zhuǎn)換開關。該3 部分相互連接形成一個整體，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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖1 所示。電網(wǎng)信號經(jīng)過信號調(diào)理單元的電流、電壓、剩余電流采集電路，送入多路轉(zhuǎn)換開關，同時應用鎖相環(huán)提供微控制器中斷信號，利用微控制器LPC2294 外部中斷功能進行信號實時采樣，最終將采樣信號送入微控制器。

智能脫扣器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件整體結(jié)構框圖

圖1 智能脫扣器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件整體結(jié)構框圖。

2 信號調(diào)理單元

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

2. 1 空心電流互感器

隨著電力傳輸容量的不斷增長，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，如體積大、易磁飽和、有鐵磁諧振、動態(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(tǒng)鐵心式互感器的缺點，采用非磁性材料作為傳感器，無飽和、無剩磁、體積小、頻帶寬，最重要的是其二次側(cè)輸出不是一個電流量而是一個電壓量，省去在二次側(cè)接大功率采樣電阻和二次側(cè)不能開路的限制。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(xù)電路。

空心電流互感器由Rogowski 空心線圈構成，是一種密繞于非磁性骨架上的空心螺線管。空心電流互感器結(jié)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圈輸出電動勢。e(t)與Ix關系如式(1)所示:

空心電流互感器結(jié)構圖

圖2 空心電流互感器結(jié)構圖。



式中N———線圈總匝數(shù)

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性關系，積分器是模擬電路的關鍵部分。因此，在空心互感器后面加入了積分環(huán)節(jié)，使輸出電壓與輸入電流保持線性關系。Ux即為經(jīng)過積分器的輸出電壓，如式(2)所示:


式中r———非磁性骨架圈半徑

R———空心線圈后接積分器的積分電阻

C———空心線圈后接積分器的積分電容

經(jīng)過空心電流互感器，將被測信號轉(zhuǎn)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家以及有關互感器資料文獻［1］中的數(shù)據(jù)，表1 中列出了本設計系統(tǒng)所設置的條件下故障電流值和電流通過空心互感器輸出的電壓值，其中，IN為額定電流。通過表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關系可看出，兩者呈線性關系。