繼電保護設備開關電源過流保護電路設計研究

南京南瑞繼保電氣有限公司 丁 偉

現階段，人們生活、工作以及社會建設生產等各類活動都需要電力能源的支持。近些年，我國電力基礎設施工程的建設力度顯著提升，電力設備不斷更新換代，電力系統的負荷不斷增加，電網運行的安全性、可靠性和穩定性面臨著更大的挑戰。繼電保護設備主要用于監測電力系統中的故障，通過控制開關或斷路器來隔離故障來防止故障擴大導致設備損壞甚至事故發生，因而繼電保護設備開關電源過流保護電路設計優化非常必要。

1 開關電源與過流保護概述

1.1 開關電源

開關電源是一種高效的電源轉換設備，其工作原理是采用先進的現代電子技術，通過控制開關器件的開關時間比例，從而實現穩定的電壓輸出。在工作過程中，即使在滿載的情況下，開關器件仍然能夠保持關閉的狀態，這使得開關電源的工作效率非常高，而且其體積比傳統的線性電源要小得多。由于具備這些優點，開關電源已經廣泛應用于各種繼電保護設備中。通過開關電源能夠為設備提供高效、穩定的電源環境，使繼電保護設備能夠正常、持續地運行，從而保證了繼電保護設備的穩定性和可靠性[1]。

1.2 過流保護

開關電源過流主要是由于短路、過載或其他故障引起的，而繼電保護設備則通過監測電流的大小來判斷是否存在過流，在必要時對系統進行切除或斷開以保護電氣設備和保證系統的安全運行。繼電保護設備的開關電源過流保護機理是基于對電流的監測和分析，通過相應的保護元件和保護動作來確保電氣系統的安全運行。開關電源過流保護的過程中繼電保護設備可以通過測量電路中的電流大小來判斷是否存在過流，當系統運行的電流處于額定范圍內時不會產生任何變化，而當出現故障導致過流時繼電保護設備就會檢測到電流超出額定值并根據設定的保護動作值做出相應的響應。

一旦繼電保護設備檢測到過流就會向控制裝置發送信號以切斷電源或者發出警報，或者直接對開關進行動作并切斷故障電路以防止故障擴大。實際上開關電源過流保護需要根據實際系統的特性進行調整和設置，包括設置過流保護的動作值、時限、死區等參數，以此來確保在故障出現時能夠準確、及時地做出響應，同時避免誤動作。

2 開關電源過流保護電路設計研究

2.1 基于光電隔離器和繼電器的過流保護電路設計

這種電路設計充分利用了光電隔離器和繼電器的特性，以實現對開關電源的過流保護。設計的基本原理是，當電流超過預設的安全閾值時，光電隔離器就會被觸發并接收到信號，信號會被光電隔離器處理并轉化為一個特定的信號，這個信號可以驅動繼電器。一旦繼電器接收到驅動信號，就會馬上切斷電源，實現過流保護。開關管的漏極電流達到2A的時候，會自動停止脈寬調制芯片的脈寬輸出，以達到保護電路核心芯片和器件的目的，如圖1所示。

圖1 過流保護

光電隔離器在設計中的作用是監測電流是否超過安全閾值，并在這種情況下生成一個信號。光電隔離器可以在電流突然增大的情況下迅速響應，在極短的時間內對信號做出反應。而繼電器在這個設計中的作用是接收光電隔離器的信號并切斷電源，可以在接收到信號后立即切斷電源，避免設備因過大電流而受損[2]。

第一，光電隔離器和繼電器的協同設計，在電流超過安全閾值的一瞬間就能檢測到這個情況，并立即產生一個信號驅動繼電器切斷電源，從而避免設備受到過大電流的損害。第二，基于光電隔離器和繼電器的過流保護電路設計，具有極高的可靠性和穩定性。光電隔離器和繼電器都是經過多年實踐驗證的成熟技術，其性能非常穩定，而且故障率極低，不僅可以在電源出現過流的情況下迅速響應并切斷電源，而且能在長期運行中保持穩定的性能，降低故障發生的可能性[3]。

2.2 基于達林頓管和繼電器的過流保護電路設計

基于達林頓管和繼電器的過流保護電路設計，要明確不同的應用場景可能需要不同類型的傳感器，比如在高精度要求的場合可能會選擇霍爾效應傳感器，而在一般的工業場合可能會選擇電流互感器，這需要考慮電路中的電流范圍以及精度和響應時間的要求來選擇適宜的電流傳感器。達林頓管在過流保護電路中的作用是放大電流傳感器的輸出信號，從而能夠達到觸發繼電器的要求，這需要設計合適的放大倍數和功率耗散考慮，同時考慮達林頓管的穩定性和溫度特性。

另外，繼電器在運行中一旦出現誤動作或失靈可能會導致設備損壞或人身安全受到威脅，因而對繼電器的選擇要考慮其觸發電流和動作特性以及接觸可靠性和壽命等因素，同時設計過流保護的觸發閾值時，要綜合考慮被保護設備的特性、額定工作電流和過載保護容忍度，保證閾值的合理性能夠確保設備不受損害，同時避免頻繁誤動作。在確定過流保護電路的實際應用情況的前提下，在設計當中還需要綜合考慮抗干擾能力、抗電磁干擾能力、系統響應速度等，本設計的主要目標是當開關管的漏級電流達到2A 的時候，自動停止脈寬調制芯片的脈寬輸出，以達到保護電路核心芯片和器件的目標，所以R1選擇精度為1/100或以上的高精度0.7Ω 電阻，這樣能保證當開關管電流超過2A 時，達林頓管Q2導通，進D2可控硅2N1595導通，從而脈寬調制芯片失去供電，停止工作，達到了保護開關管及其他重要電路的效果。具體如圖2所示。

圖2 過流保護電路

2.3 基于光電隔離器和TL431的過流保護電路設計

過流保護電路設計的目標是在電流達到可能對設備造成損害的級別時，能夠迅速并有效地切斷電源，以防止對繼電保護設備的潛在損害。在眾多的設計策略中，基于光電隔離器和TL431的過流保護電路設計是一種被廣泛應用并且效果顯著的方法。在這個設計中，光電隔離器和TL431一起工作，對電源進行過流保護[4]。TL431作為精密可調分壓器，能夠精確控制過流的臨界值，光電隔離器則負責在達到臨界值時切斷電源。具體如圖3所示。第一，TL431的作用是能精確地設置電壓臨界值，以確定電流的安全范圍。當電流超過這個安全范圍時，TL431就會觸發光電隔離器，切斷電源，防止電源過流對設備的破壞。第二，光電隔離器和TL431都是經過多年實踐驗證的成熟技術，兩者的性能非常穩定，故障率極低。在電源出現過流的情況下能迅速響應并切斷電源，能在長期運行中保持穩定的性能，減少故障的可能性。第三，TL431和光電隔離器的出色性能，電路在出現過流時能夠迅速作出反應，從而極大地降低設備損壞的風險。

圖3 過流保護電路

2.4 基于達林頓管和小功率可控硅的過流保護電路設計

這種電路設計采用了達林頓管和小功率可控硅的聯合使用來進行過流保護。達林頓管，因其高增益特性，使得電路在電流超過正常范圍時能夠迅速響應。這種特性主要源于達林頓管內部的結構，其包含兩個半導體PN 結，這兩個結在電流變化時，能夠迅速改變其電阻值，從而使電路對電流變化有敏感的反應。這樣，當電流過大的情況發生時，達林頓管就能夠迅速響應并開始工作，阻止電流的進一步增大。小功率可控硅則負責切斷電源，防止電源過流對設備造成損害。這種切斷機制的設計，使電源在面臨過流的情況下，能夠迅速地切斷電源，避免過大的電流對電源產生進一步的損害[5]。具體如圖4所示。

圖4 過流保護電路

基于達林頓管的過流檢測電路需要綜合考慮傳感器選擇、信號放大、濾波和精確的閾值設定等因素，保證電流傳感器選型合理性和靈敏度的調節能夠確保對電路中微小過流的及時準確檢測。而基于小功率可控硅的過流觸發電路，需要考慮觸發信號的穩定性、精確的觸發閾值設定和觸發脈沖的控制，必須確保在需要進行過流保護時，SCR 能夠及時可靠地截斷電路。整個過流保護電路需要有清晰的保護邏輯設計，確保過流檢測信號能夠準確地觸發SCR 進行保護動作并能夠與電源系統實現有效的互鎖和自恢復功能。

2.5 基于光電隔離器和LM393的過流保護電路設計

該設計利用了光電隔離器和LM393（一種雙路電壓比較器）的結合，為開關電源提供了過流保護。在電路設計中，LM393被用作精確比較電路中電壓的工具，當電流超過安全閾值時，LM393就會產生一個輸出信號。這個輸出信號被光電隔離器接收后，光電隔離器即刻切斷電源，防止電路因過流而損壞。該設計的一個顯著優點是，通過應用LM393電路可以對電壓的微小變化進行精確的比較，從而實現了更準確更敏感的過流保護。這種保護方式能夠在電流過大時迅速反應，保證電路的安全穩定運行，如圖5所示。

圖5 過流保護電路

3 結語

本次研究討論了多種過流保護電路設計方案，每種方案各有特色，均具有快速響應和切斷電源的能力，防止設備受到過大電流的損害，而且具有高可靠性和穩定性，且成本相對較低。未來，行業相關人員需要繼續探索和研究更多高效、穩定和安全的開關電源過流保護電路設計方法，以期最大限度地提高繼電保護設備的使用壽命和安全性。