智能型量測開關的原理與應用

段艷艷 郭偉萍 仲 超

（1.浙江德力西國際電工有限公司 杭州 310024；2.杭申集團有限公司—杭州之江開關股份有限公司 杭州 311234）

引言

隨著大規(guī)模集成電路技術的不斷提升，高端計量芯片例如“ATT70xxx”具有七通道19 位Σ-Δ ADC，差動輸入，可對三通道電壓（UA、UB、UC）、四通道電流（IA、IB、IC、IN）進行高精采樣，并進行各41 次諧狀分析，以及有功功率、無功功率、視在功率，有功電能，無功電能、功率因數，頻率等測量；可用脈沖輸出進行遠距離傳輸核顯示，并可進行三相三線，三相四線以及正、負功率測量。與CPU 之間用高速SPI 接口通信。當采用數據完成后以中斷（IRQ）方式告訴CPU 可以讀數；當不需要采樣時，可進入休眠模式以減少系統(tǒng)功耗。

CPU 選用HC32xxxxx（M4，168 MHz 時鐘，100 Pin，512 KB Flash，192 KB SRAM），3.3 V 供電。

CPU 功能是通過SPI 接口和I/O 口與計量芯片之間通信，并通過保護互感器測量電流（IA、IB、IC、IN）進行三段保護，通過HPLC（寬帶載波）通信實現與負載電度表遠距離通信組網。也可以通過4G 或5G 網關或LORA 無通信組網。以及LCD 顯示、鍵盤接口、脫扣斷電等。

1 ATT70xxx 計量芯片與CPU 之間聯系以及外部接口

ATT70xxx 計量芯片與CPU 之間聯系以及外部接口如圖1 所示。

圖1 ATT70xxx 計量芯片與CPU 之間聯系以及外部接口

1.1 計量芯片與CPU 之間的聯系

1）IRQ 中斷：當計量芯片采樣數據完成時，發(fā)出中斷請求，CPU 響應后讀數。如：電壓、電流、功率、電能、頻率、功率因數以及電壓、電流各41 次諧波頻譜等。CPU 通過SPI 接口（/CS=0）與計量芯片芯片通信讀數。

2）I/O 口信息：

CPU 用輸出口控制SLEP 引腳實現工作（1）或休眠（0），以減少功耗。

CPU 用輸出口可控制SEL 引腳實現三相三線或三相四線的轉換。

CPU 用輸入口讀取REVP 的功率+-方向。即可知功率輸入或輸出。

1.2 計量芯片的電壓與電流采樣

1）電壓采樣：Σ-Δ ADC，19 位分辨率，差動輸入。

方法1：2 mA/2 mA 電壓型電流互感器，如圖2。

圖2 電壓采樣方法

圖3 電壓采樣方法

三相四線制，AC220 V，AC300 V 滿量程。

R0: 高精度金屬氧化膜電阻。

R1:1206 封裝貼片電阻。

R0: 高精度金屬氧化膜電阻。

2） 電流采樣：IA、IB、IC、IN 4CH 差動輸入。

二級精密電流采樣互感器如圖4。

圖4 二級精密電流采樣互感器

CT1：80 A ～800 A/5 A,次級輸出5 A，1.2 倍滿量程，10 In/1 s 不損壞。

CT2：5 A/5 mA，次級輸出5 mA，1.2 倍滿量程，10 In/1 s不損壞。

R0：高精度金屬氧化膜電阻。

CT1 與CT2 之間傳輸距離L ＜10 m。

采樣用同軸電纜或帶屏蔽層的超五類雙絞屏蔽線傳輸，傳輸距離：L ＜10 m。

1.3 計量芯片的電壓、電流各41 次諧波分析

通過SPI 接口，傳遞給CPU 的LCD 液晶屏上顯示電壓、電流各41 次諧波棒圖。

2 保護型CPU 的外部接口

CPU 的外部接口如圖5 所示。

2.1 保護型互感器電流采樣、供電電路

保護型互感器電流采樣、供電電路，如圖6、圖7 所示。

圖6 保護型互感器電流采樣、供電電路

圖7 通道放大電路（IA～IN）

互感器變比：1 In/60 mA

大通道放大：（2～12）×In/（120～720）mA，反相放大。

小通道放大：（0.4～2.0）×In/（24～120）mA，同相放大，大小兩級串聯。

采樣電阻：高精度金屬氧化膜電阻。

式中：

KH 一為電流通道第一級增益；

KL 一為電流通道第二級增益；

K’L 一為電流通道總增益。

2.2 保護型控制器三段保護特性

2.2.1 長延時反時限保護：呈I2t 特性

過載長延時保護脫扣動作特性呈現反時限特性，其動作時間和線路中的電流大小有關，主要表現為電流越大，動作時間越短。斷路器故障動作時間按如下公式計算：

計算公式：

式中：

T1—長延時保護動作時間；

N—過載倍數，N=I/IR；

I—電流采樣均方根值，并經8 點數字遞推濾波平滑后三相中最大一相電流；

IR—長延時保護整定電流：IR=（0.4 ～1.0）×In；

In—斷路器額定電流：In=（80 ～800）A。

tR—長延時保護整定時間：tR=@1.5IR下：16，32，64，128，256（s）

※ 動作特性：I ≤1.05 IR，＞2 h 不動作；

I ≥1.2 IR， ＜1 h 動作；

※ 熱記憶：10 min，可關斷。

2.2.2 短延時定時限保護：

短路短延時保護特性呈現定時限特性，當故障電流超過短延時保護電流整定值時，開始計時，直到到達整定時間，斷路器發(fā)出脫扣信號，實現短路短延時保護。

※ 短延時保護整定電流：Isd

Isd=（1.5 ～10）× IR+OFF （OFF 為關保護）=（1.5，2.0，3.0，4.0，6.0，8.0，10.0）×IR+OFF

※ 短延時保護整定時間：tsd

tsd=0.1，0.2，0.3，0.4（s），定時限，可實現四級選擇性保護。

2.2.3 瞬時保護：

短路瞬時電流保護跟短路短延時和過載長延時相比，其瞬間電流極大，對電路造成的危害也巨大，要求斷路器能迅速斷開回路，因此采用每毫秒級采樣一次與瞬時保護電流整定值進行比較，如果連續(xù)兩次大于整定值，則判斷為瞬時故障，此時控制器立即發(fā)出脫扣信號，實現瞬時保護。

※ 瞬時保護整定電流：Ii

Ii=（2.0 ～12）× IR+OFF （OFF 為關保護）；

瞬時保護用瞬時值，當A/D 采樣電流連續(xù)2 ms 內均大于等于瞬時保護整定電流時，即發(fā)脫扣命令。

20 ms 采樣32 點， 每點0.625 ms， 當4 次采樣（0.65×4=2.5 ms）均大于Ii 整定閥值時，則保護斷電。雷擊波的脈沖寬度為（0.7 ～1.0）ms，國家標準。雷擊波不要誤動。

斷路器的全分斷時間包括：

A/D 采樣判斷時間：2.5 ms（連續(xù)四次采樣）

CPU 發(fā)脫扣命令：4 ms（雙脈沖控制，+、-兩個脈沖）

脫扣器軸運動時間：（5 ～7）ms

斷路器機構運動時間：應＜（10 ～15）ms

觸頭斷開時電弧熄滅時間：＜10 ms

上述時間的總和稱全分斷時間，約（25 ～35）ms。

3 電源供電電路

三相高壓開關電源電路：

三相半波整流電路如圖8，電源原理框圖如圖9。

圖8 三相高壓開關電源電路

圖9 電源原理框圖

ED=1.17 Es，ES 相電壓，AC220 V，允許變化范圍：0.7 ～1.3 倍。

則ED 范圍（180 ～328）V。

用（80 ～500）V 開關電源，輸出DC24 V 電源。

4 結束語

低碳、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保的綠色革命對全球都產生了深遠的影響，以氣候變化為代表的全球生態(tài)安全問題日益凸顯，將引發(fā)世界范圍內經濟社會發(fā)展方式的根本變革，先進的低壓電器技術和節(jié)能技術則成為世界科技發(fā)展的前沿和技術競爭的熱點領域。

打造具有核心競爭力的綠色節(jié)能電器，為客戶提供更安全、更智能、更綠色的電器解決方案已經是大勢所趨。而隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略目標的大力推進，對低壓電器行業(yè)內廠商帶來的既是挑戰(zhàn)也是機遇。

保護和控制電器作為低壓配電系統(tǒng)的重要組成部分，其使用數量龐大，而且經常處于長期工作狀態(tài)，是低壓配電系統(tǒng)自身電力損耗的主要組成部分，在全球低碳的潮流下，高功耗的低壓電器將逐步被濤汰，取而代之的是一些低功耗的節(jié)能型低壓電器將大量普及。而隨著配用電能源管理和能效管理系統(tǒng)的逐步推廣和普及，全功能、數字化保護和控制電器也將是未來的主流電器。除了節(jié)能型、智能化、數字化外，節(jié)材、環(huán)保也將是未來低壓電器的主要特點。

智能化斷路器采用互感器檢測技術和數字化保護、控制技術，使斷路器自身的功率損耗較傳統(tǒng)的熱、磁式保護斷路器大幅降低，而且智能化技術的應用大大豐富了斷路器的保護和控制功能，除了能使配電系統(tǒng)更穩(wěn)定和可靠外，能很好的滿足未業(yè)大范圍應用的配網自動化對實現配電系統(tǒng)正常運行及事故情況下的監(jiān)測、保護、控制和配電管理的要求。

智能型量測開關是將帶計量功能的電度表、具有三段保護的智能斷路器，以及寬帶載波通信（HPLC），電壓、電流各41 次諧波、LCD 顯示，鍵盤設定，三相同時供電與保護互感器自生電源等諸多功能組成新一代計量、三段保護、三相同時供電、HPLC 寬帶載波組網的計量、保護開關。是新一代智能量、測開關，因其功能較多嗎，又有計量與保護兩種多只互感器，且斷路器的額定電流為80 A ～800 A,可利用的空間較小，因而三相開關電源，計量互感器等多個部件需放在斷路器外部，否則難以達到預定目的。

保護型電流互感器需要用（0.27 ～0.35）mm 冷軋、高性能矽銅片制造，沖片后需經氫氣退火處理，且電流測量動態(tài)范圍較大，（0.4 ～12）×In（額定電流），一般在（6 ～8）×In 輸入/輸出特性呈非線性飽和狀態(tài)，線性化修正是又一個難點。

量測開關功能較多，體積小，需用量多，需有關部門大力協(xié)同，為我國電力系統(tǒng)現代化作出貢獻！