智能型量測(cè)開關(guān)的原理與應(yīng)用

段艷艷 郭偉萍 仲 超

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

引言

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

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

CPU 功能是通過(guò)SPI 接口和I/O 口與計(jì)量芯片之間通信，并通過(guò)保護(hù)互感器測(cè)量電流（IA、IB、IC、IN）進(jìn)行三段保護(hù)，通過(guò)HPLC（寬帶載波）通信實(shí)現(xiàn)與負(fù)載電度表遠(yuǎn)距離通信組網(wǎng)。也可以通過(guò)4G 或5G 網(wǎng)關(guān)或LORA 無(wú)通信組網(wǎng)。以及LCD 顯示、鍵盤接口、脫扣斷電等。

1 ATT70xxx 計(jì)量芯片與CPU 之間聯(lián)系以及外部接口

ATT70xxx 計(jì)量芯片與CPU 之間聯(lián)系以及外部接口如圖1 所示。

圖1 ATT70xxx 計(jì)量芯片與CPU 之間聯(lián)系以及外部接口

1.1 計(jì)量芯片與CPU 之間的聯(lián)系

1）IRQ 中斷：當(dāng)計(jì)量芯片采樣數(shù)據(jù)完成時(shí)，發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU 響應(yīng)后讀數(shù)。如：電壓、電流、功率、電能、頻率、功率因數(shù)以及電壓、電流各41 次諧波頻譜等。CPU 通過(guò)SPI 接口（/CS=0）與計(jì)量芯片芯片通信讀數(shù)。

2）I/O 口信息：

CPU 用輸出口控制SLEP 引腳實(shí)現(xiàn)工作（1）或休眠（0），以減少功耗。

CPU 用輸出口可控制SEL 引腳實(shí)現(xiàn)三相三線或三相四線的轉(zhuǎn)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(jì)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(dòng)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(dòng)輸入。

二級(jí)精密電流采樣互感器如圖4。

圖4 二級(jí)精密電流采樣互感器

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

CT2：5 A/5 mA，次級(jí)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(jì)量芯片的電壓、電流各41 次諧波分析

通過(guò)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(hù)型CPU 的外部接口

CPU 的外部接口如圖5 所示。

2.1 保護(hù)型互感器電流采樣、供電電路

保護(hù)型互感器電流采樣、供電電路，如圖6、圖7 所示。

圖6 保護(hù)型互感器電流采樣、供電電路

圖7 通道放大電路（IA～I(xiàn)N）

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(jí)串聯(lián)。

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(jí)增益；

KL 一為電流通道第二級(jí)增益；

K’L 一為電流通道總增益。

2.2 保護(hù)型控制器三段保護(hù)特性

2.2.1 長(zhǎng)延時(shí)反時(shí)限保護(hù)：呈I2t 特性

過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)脫扣動(dòng)作特性呈現(xiàn)反時(shí)限特性，其動(dòng)作時(shí)間和線路中的電流大小有關(guān)，主要表現(xiàn)為電流越大，動(dòng)作時(shí)間越短。斷路器故障動(dòng)作時(shí)間按如下公式計(jì)算：

計(jì)算公式：

式中：

T1—長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間；

N—過(guò)載倍數(shù)，N=I/IR；

I—電流采樣均方根值，并經(jīng)8 點(diǎn)數(shù)字遞推濾波平滑后三相中最大一相電流；

IR—長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)整定電流：IR=（0.4 ～1.0）×In；

In—斷路器額定電流：In=（80 ～800）A。

tR—長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)整定時(shí)間：tR=@1.5IR下：16，32，64，128，256（s）

※ 動(dòng)作特性：I ≤1.05 IR，＞2 h 不動(dòng)作；

I ≥1.2 IR， ＜1 h 動(dòng)作；

※ 熱記憶：10 min，可關(guān)斷。

2.2.2 短延時(shí)定時(shí)限保護(hù)：

短路短延時(shí)保護(hù)特性呈現(xiàn)定時(shí)限特性，當(dāng)故障電流超過(guò)短延時(shí)保護(hù)電流整定值時(shí)，開始計(jì)時(shí)，直到到達(dá)整定時(shí)間，斷路器發(fā)出脫扣信號(hào)，實(shí)現(xiàn)短路短延時(shí)保護(hù)。

※ 短延時(shí)保護(hù)整定電流：Isd

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

※ 短延時(shí)保護(hù)整定時(shí)間：tsd

tsd=0.1，0.2，0.3，0.4（s），定時(shí)限，可實(shí)現(xiàn)四級(jí)選擇性保護(hù)。

2.2.3 瞬時(shí)保護(hù)：

短路瞬時(shí)電流保護(hù)跟短路短延時(shí)和過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)相比，其瞬間電流極大，對(duì)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(jí)采樣一次與瞬時(shí)保護(hù)電流整定值進(jìn)行比較，如果連續(xù)兩次大于整定值，則判斷為瞬時(shí)故障，此時(shí)控制器立即發(fā)出脫扣信號(hào)，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)保護(hù)。

※ 瞬時(shí)保護(hù)整定電流：Ii

Ii=（2.0 ～12）× IR+OFF （OFF 為關(guān)保護(hù)）；

瞬時(shí)保護(hù)用瞬時(shí)值，當(dāng)A/D 采樣電流連續(xù)2 ms 內(nèi)均大于等于瞬時(shí)保護(hù)整定電流時(shí)，即發(fā)脫扣命令。

20 ms 采樣32 點(diǎn)， 每點(diǎn)0.625 ms， 當(dāng)4 次采樣（0.65×4=2.5 ms）均大于Ii 整定閥值時(shí)，則保護(hù)斷電。雷擊波的脈沖寬度為（0.7 ～1.0）ms，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。雷擊波不要誤動(dòng)。

斷路器的全分?jǐn)鄷r(shí)間包括：

A/D 采樣判斷時(shí)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(gè)脈沖）

脫扣器軸運(yùn)動(dòng)時(shí)間：（5 ～7）ms

斷路器機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)間：應(yīng)＜（10 ～15）ms

觸頭斷開時(shí)電弧熄滅時(shí)間：＜10 ms

上述時(shí)間的總和稱全分?jǐn)鄷r(shí)間，約（25 ～35）ms。

3 電源供電電路

三相高壓開關(guān)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(guān)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(guān)電源，輸出DC24 V 電源。

4 結(jié)束語(yǔ)

低碳、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保的綠色革命對(duì)全球都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，以氣候變化為代表的全球生態(tài)安全問(wèn)題日益凸顯，將引發(fā)世界范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方式的根本變革，先進(jìn)的低壓電器技術(shù)和節(jié)能技術(shù)則成為世界科技發(fā)展的前沿和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

打造具有核心競(jìng)爭(zhēng)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(jīng)是大勢(shì)所趨。而隨著我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的大力推進(jìn)，對(duì)低壓電器行業(yè)內(nèi)廠商帶來(lái)的既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇。

保護(hù)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(shù)量龐大，而且經(jīng)常處于長(zhǎng)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(shù)字化保護(hù)和控制電器也將是未來(lái)的主流電器。除了節(jié)能型、智能化、數(shù)字化外，節(jié)材、環(huán)保也將是未來(lái)低壓電器的主要特點(diǎn)。

智能化斷路器采用互感器檢測(cè)技術(shù)和數(shù)字化保護(hù)、控制技術(shù)，使斷路器自身的功率損耗較傳統(tǒng)的熱、磁式保護(hù)斷路器大幅降低，而且智能化技術(shù)的應(yīng)用大大豐富了斷路器的保護(hù)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(yīng)用的配網(wǎng)自動(dòng)化對(duì)實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)正常運(yùn)行及事故情況下的監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制和配電管理的要求。

智能型量測(cè)開關(guān)是將帶計(jì)量功能的電度表、具有三段保護(hù)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(shè)定，三相同時(shí)供電與保護(hù)互感器自生電源等諸多功能組成新一代計(jì)量、三段保護(hù)、三相同時(shí)供電、HPLC 寬帶載波組網(wǎng)的計(jì)量、保護(hù)開關(guān)。是新一代智能量、測(cè)開關(guān)，因其功能較多嗎，又有計(jì)量與保護(hù)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(guān)電源，計(jì)量互感器等多個(gè)部件需放在斷路器外部，否則難以達(dá)到預(yù)定目的。

保護(hù)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(jīng)氫氣退火處理，且電流測(cè)量動(dòng)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(gè)難點(diǎn)。

量測(cè)開關(guān)功能較多，體積小，需用量多，需有關(guān)部門大力協(xié)同，為我國(guó)電力系統(tǒng)現(xiàn)代化作出貢獻(xiàn)！