基于單片機的直流電路智能短路保護器＊

李興邦

（青海大學(xué)水利電力學(xué)院，青海西寧810016）

1 引言

短路保護的目的是當(dāng)電路發(fā)生短路故障時，能快速可靠地切斷電路，保證電源、負(fù)載和人身安全。

目前，電路的短路保護幾乎全部采用了熔斷器作為主保護，斷路器作為后備保護的形式。采用熔斷器作為短路保護的主保護，存在以下幾個方面的問題：

（1）熔斷器熔斷時伴有局部爆炸并形成刺鼻的煙氣，造成局部環(huán)境污染；

（2）熔斷器熔斷時產(chǎn)生的廢棄錫絲如果不進行及時徹底的清理，將造成局部環(huán)境污染及二次短路故障；

（3）熔斷器熔斷后，更換需專業(yè)人員。非專業(yè)技術(shù)人員更換熔斷器不僅費時費力，而且無法準(zhǔn)確選擇熔斷器規(guī)格，造成電路不能正常安全穩(wěn)定運行，威脅電氣設(shè)備和人身安全；

（4）熔斷器熔斷時間在秒級范圍之內(nèi)，熔斷時間較長，不利于電氣設(shè)備和人身安全的可靠保護；

（5）熔斷器屬于易耗品，需經(jīng)常及時更換，成本較大。

鑒于常規(guī)熔斷器在短路保護過程中存在的上述問題，本文提出了一種環(huán)保節(jié)約型直流電路智能短路保護裝置。

2 直流電路短路的機理

當(dāng)電路正常運行時（如圖1所示），此時電路中的電流為

式中：I為電路正常工作時的電流；E為直流電源的電動勢；r為電源內(nèi)阻；Rl為線路電阻；RL為負(fù)載電阻。

圖1 電路正常工作狀態(tài)

圖2 電路短路工作狀態(tài)

當(dāng)電路發(fā)生短路故障時（如圖2所示），由于相對于電源內(nèi)阻r來說線路電阻Rl可以忽略不計，此時電路中的電流為短路電流，其值為

由于RL?r，因此，當(dāng)電路發(fā)生短路故障時，IS?I，致使短路電流產(chǎn)生的短時溫升和電動力將急劇增大，電源將會被燒毀或損壞，甚至?xí)＜叭松戆踩?/p>

因此，安全、可靠、快速地切除電路中的短路故障并可靠預(yù)測故障是否完全消除就顯得尤為重要。

3 直流供電系統(tǒng)中短路保護電路的設(shè)計

本文以24V直流供電系統(tǒng)為例。其主電路的電流采樣選用ACS712ELCTR－20A－T型霍爾傳感器，開關(guān)選用IRF9540N型PMOS管，控制電路選用AT89C52型單片機，其短路保護電路如圖3所示。

霍爾電流傳感器TA將檢測到的模擬信號傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器ADC0832轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再傳輸給單片機，單片機將采樣信號與預(yù)先設(shè)置好的短路電壓值進行比較運算。若得到的結(jié)果是采樣電壓大于參考電壓，則P0.4輸出中斷信號禁止驅(qū)動電路動作，從而關(guān)斷MOS管以實現(xiàn)系統(tǒng)短路故障保護功能；經(jīng)過一定延時，當(dāng)再次測得采樣電壓小于參考電壓時，單片機輸出口P0.4輸出低電平來實現(xiàn)MOS管的導(dǎo)通，以保證線路的供電；若測得的采樣電壓仍然大于參考電壓，則會繼續(xù)保持MOS管處于關(guān)斷狀態(tài)并報警。

圖3 直流供電系統(tǒng)的短路保護電路

4 直流供電系統(tǒng)短路保護功能的軟件設(shè)計

本文選用Keil軟件，編程采用了C語言，其程序流程如圖4所示。

圖4 直流供電系統(tǒng)的短路保護軟件流程

5 仿真分析

直流智能短路保護測試采用24V的直流供電電源，在進行仿真測試時設(shè)置的保護電流為2A，即當(dāng)線路電流大于2A時會觸發(fā)智能短路保護器的保護功能，關(guān)斷PMOS管，其保護延時為15ms，自恢復(fù)延時為15ms，其可通過調(diào)節(jié)電阻的大小，模擬發(fā)生短路時電流增大的情況。

本文采用Proteus仿真軟件進行仿真。系統(tǒng)的仿真電路如圖5所示。

圖5 直流供電系統(tǒng)短路保護仿真電路

不斷調(diào)整負(fù)載電阻的大小，模擬發(fā)生短路故障時短路電流變化的情況，檢測MOS管關(guān)斷前后源極和漏極的電壓和電流的變化，得到如圖6、圖7所示結(jié)果。

圖6 短路保護啟動前后源極與漏極電壓變化曲線

圖7 短路保護啟動前后源極與漏極電流變化曲線

由仿真結(jié)果可見，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，源極電壓保持不變，而漏極電壓將急劇下降，故障切除時間僅在20ms之內(nèi)。同時，該裝置能夠不斷檢測線路故障是否排除，且當(dāng)短路故障排除之后能及時恢復(fù)供電，保障了供電的可靠性。

6 結(jié)束語

（1）在電源能力允許的條件下，一個智能短路保護器可代替N個常規(guī)熔斷器，克服了常規(guī)熔斷器的所有缺點，從真正意義上實現(xiàn)了環(huán)保節(jié)約的功能；

（2）智能短路保護器不僅能快速可靠地實現(xiàn)短路保護功能，而且可事前預(yù)測短路故障；

（3）對電力系統(tǒng)中的瞬時短路事故可實現(xiàn)自動重合閘功能，保證了供電的可靠性。