智能開關設備 保護模塊關鍵技術研究

李珂

摘要：智能開關設備在國民經濟的各部門和能源領域均占有非常重要的位置，起著不可或缺的作用。智能開關設備的主要發展趨勢是高性能、高可靠、小型化、電子化、數字化、組合化、集成化、多功能化、智能化及可通信化及網絡化，其核心是智能化和網絡化，而現代智能化和網絡化的智能開關設備即是現代智能智能開關設備。換言之，智能化已成為智能開關設備發展過程中不可阻擋的趨勢。本文對開關設備的智能化設計主要分為動態特性調控、智能化保護和數據通信三大部分，其中智能化保護又分為恒壓保護、過流保護以及溫度保護。具體流程為：進入程序后首先進行恒壓保護環節，在輸入電壓環節引入閉環系統，通過對占空比的設置，保證輸入的平均電壓恒定，然后進行開關設備主程序部分的 PWM輸出環節，在 PWM輸出之后，進行過流保護，將采樣電阻兩端電壓進行測量，如果超出額定電壓，即電流超過恒定電流，則關閉 PWM輸出，將占空比調為0，如果正常，則繼續進行下一步，進行溫度的采集和恒溫保護。

關鍵詞：智能設備;保護模塊

1 過流及過熱的危害

在電力系統運行中，可能發生各種各樣的故障和不正常運行狀態，其中昀危險的故障是各種類型的短路故障，而昀常見的不正常運行狀態是過載。過載也稱為過負荷，是指主線路中的運行電流高于發熱額定工作電流的一種非正常工作狀態。過載電流不至于馬上對線路和電氣設備造成損害，但如果長時間存在會使導體發熱，對電氣設備將造成很多影響。

電氣設備發熱可能引發的危害分以下幾個方面：（1）長期發熱導致絕緣材料在超過額定溫度的情況下工作，會加速絕緣材料的老化，縮短絕緣材料的壽命，還會使絕緣材料的電氣強度和機械強度不斷降低，導致非正常的工作狀態;（2）對于很多金屬而言，長期發熱會影響其機械強度，使其拉伸強度不斷下降，從而引發變形或損壞;（3）發熱情況下的接觸部分電阻會持續增大，造成持續發熱，從而引發更嚴重的問題。由于過載故障并不是瞬間給系統造成破壞性危害，考慮到系統擁有一定的熱容量，當故障電流在系統中的發熱沒有超過這個限度時，允許系統繼續運行。如果過載電流持續存在，發熱超過系統的允許界限時，繼續運行就會產生危險，此時要進行保護動作。這樣做的目的也是增加整個系統的運行可靠性，因為有時過載由臨時故障產生，很多情況下一段時間后會自動解除，因此在系統熱容量允許的情況下繼續運行，避免了因為一些不必要的開斷造成的不便。

2 過流保護的原理及硬件設計

過流保護是利用采樣電阻對線圈電流進行采樣，然后利用 PIC單片機的比較功能判斷是否發生過流，并采取不同的方法進行保護的過程。過流保護電路主要由以下幾部分組成：分壓模塊、電流采樣模塊、保護動作模塊。分壓模塊由 1KΩ和 10KΩ的兩個電阻組成，由于采樣部分電阻為 8V到12V，PIC單片機所能采集的昀大電壓為5V，所以在此用1：11的分壓模塊進行分壓。再將經過分壓的電壓引入 PIC單片機。

電流采樣模塊采用的是采樣電阻測電壓的方法，由于電流變化的過程中伴隨著溫度的變化，而溫度的改變會引起線圈電阻的改變，所以利用測量線圈兩端的電壓來測電流的方法是不可取的。這里我們引入采樣電阻測量電流，將采樣電阻串聯在線圈電阻上，利用采樣電阻值固定的特點，對采樣電阻兩端的電壓進行采樣，然后引入 PIC單片機 I/O口進行 A/D轉換，從而由采樣電壓計算通過線圈的電流。

在保護動作模塊中，將采樣電壓引入 PIC單片機后，需要進行 A/D轉換，過流判定，過流時還需要進行 PWM電壓輸出的關閉。具體方法將在過流保護軟件部分給出。

3 過流保護的軟件設計

過流保護的軟件設計主要分為 A/D轉換模塊和 PWM輸出模塊。

由于 PIC單片機只具有一個 A/D轉換通道，而恒壓保護、過流保護、過熱保護都需要進行 A/D轉換，所以這里采用三個 I/O口分時占用一個 A/D轉換通道的方式，以保證不同功能輪流工作，互不干擾。

A/D轉換模塊中，模數轉換器可將模擬輸入信號轉換為信號的 10位二進制表示。該模塊使用模擬輸入，這些輸入通過多路開關連接到同一個采樣和保持電路。采樣保持電路的輸出與轉換器的輸入相連接。轉換器通過逐次逼近法產生 10位二進制結果，并將轉換結果存儲在 ADC結果寄存器（ADRESL和 ADRESH）中。可通過軟件方式選擇 VDD或施加在外部參考引腳上的電壓作為 ADC參考電壓。如圖 1為 ADC的框圖。

PIC單片機具有專用的 PWM輸出模塊，PWM模式可以產生不同頻率和占空比的脈寬調制信號。在脈寬調制（PWM）模式下，CCP模塊會在CCP1引腳上產生大 10位分辨率的 PWM輸出信號。PWM周期可通過寫Timer2的 PR2寄存器來指定。PWM周期可由公式（1）計算。

PWM周期=[（PR2）+1]*4*Josc*（TMR預分頻值）（1）

通過將 10位值寫入多個寄存器來指定 PWM占空比：CCPR1L寄存器和 CCP1CON寄存器的DC1B<1：0>位。CCPR1L包含高 8位而 CCP1CON寄存器的DC1B<1：0>位包含低 2位。可以在任何時候寫入 CCPR1L和CCP1CON寄存器的DC1B<1：0>位。在周期結束（即 PR2和 TMR2寄存器發生匹配）前占空比值不會被鎖存到 CCPR1H中。當使用 PWM時，CCPR1H寄存器是只讀的。

在過流保護設計中，首先將采集到的電壓進行 AD轉換，得到十位的二進制數存在 ADRESL和 ADRESH中，然后將得到的電壓數值與額定閾值進行比較，若小于額定閾值，則繼續工作，若大于額定閾值，則將 CCPR1L位置零，從而關閉 PWM電壓輸出，切斷電路。其軟件流程圖如圖 2所示。

4 結論

本文基于 PIC的計算和控制功能，采用對線圈電流和溫度采樣并進行監控的方法，實現了發生過流和過熱情況時自動切斷電源的功能。實現了智能開關設備工作過程中的自動保護和調節以及對智能開關設備內部各項數據進行實時監控的功能，提高了智能開關設備工作的穩定性和安全性，可以應用于工業、農業、交通運輸等多種場合，提高整體系統的安全性能。

參考文獻

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