基于單片機(jī)的直流電路智能短路保護(hù)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(hù)的目的是當(dāng)電路發(fā)生短路故障時(shí)，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(hù)幾乎全部采用了熔斷器作為主保護(hù)，斷路器作為后備保護(hù)的形式。采用熔斷器作為短路保護(hù)的主保護(hù)，存在以下幾個(gè)方面的問題：

（1）熔斷器熔斷時(shí)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(shí)產(chǎn)生的廢棄錫絲如果不進(jìn)行及時(shí)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(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且無(wú)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(yùn)行，威脅電氣設(shè)備和人身安全；

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

（5）熔斷器屬于易耗品，需經(jīng)常及時(shí)更換，成本較大。

鑒于常規(guī)熔斷器在短路保護(hù)過(guò)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(hù)裝置。

2 直流電路短路的機(jī)理

當(dāng)電路正常運(yùn)行時(shí)（如圖1所示），此時(shí)電路中的電流為

式中：I為電路正常工作時(shí)的電流；E為直流電源的電動(dòng)勢(shì)；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(shí)（如圖2所示），由于相對(duì)于電源內(nèi)阻r來(lái)說(shuō)線路電阻Rl可以忽略不計(jì)，此時(shí)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(shí)，IS?I，致使短路電流產(chǎn)生的短時(shí)溫升和電動(dòng)力將急劇增大，電源將會(huì)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(cè)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(hù)電路的設(shè)計(jì)

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(jī)，其短路保護(hù)電路如圖3所示。

霍爾電流傳感器TA將檢測(cè)到的模擬信號(hào)傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器ADC0832轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)將采樣信號(hào)與預(yù)先設(shè)置好的短路電壓值進(jìn)行比較運(yùn)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(hào)禁止驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)作，從而關(guān)斷MOS管以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)短路故障保護(hù)功能；經(jīng)過(guò)一定延時(shí)，當(dāng)再次測(cè)得采樣電壓小于參考電壓時(shí)，單片機(jī)輸出口P0.4輸出低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)MOS管的導(dǎo)通，以保證線路的供電；若測(cè)得的采樣電壓仍然大于參考電壓，則會(huì)繼續(xù)保持MOS管處于關(guān)斷狀態(tài)并報(bào)警。

圖3 直流供電系統(tǒng)的短路保護(hù)電路

4 直流供電系統(tǒng)短路保護(hù)功能的軟件設(shè)計(jì)

本文選用Keil軟件，編程采用了C語(yǔ)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(hù)軟件流程

5 仿真分析

直流智能短路保護(hù)測(cè)試采用24V的直流供電電源，在進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)設(shè)置的保護(hù)電流為2A，即當(dāng)線路電流大于2A時(shí)會(huì)觸發(fā)智能短路保護(hù)器的保護(hù)功能，關(guān)斷PMOS管，其保護(hù)延時(shí)為15ms，自恢復(fù)延時(shí)為15ms，其可通過(guò)調(diào)節(jié)電阻的大小，模擬發(fā)生短路時(shí)電流增大的情況。

本文采用Proteus仿真軟件進(jìn)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(hù)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(shí)短路電流變化的情況，檢測(cè)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(hù)啟動(dòng)前后源極與漏極電壓變化曲線

圖7 短路保護(hù)啟動(dòng)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(shí)，源極電壓保持不變，而漏極電壓將急劇下降，故障切除時(shí)間僅在20ms之內(nèi)。同時(shí)，該裝置能夠不斷檢測(cè)線路故障是否排除，且當(dāng)短路故障排除之后能及時(shí)恢復(fù)供電，保障了供電的可靠性。

6 結(jié)束語(yǔ)

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

（2）智能短路保護(hù)器不僅能快速可靠地實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)功能，而且可事前預(yù)測(cè)短路故障；

（3）對(duì)電力系統(tǒng)中的瞬時(shí)短路事故可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重合閘功能，保證了供電的可靠性。