電力系統(tǒng)在運(yùn)行中的相與相之間或相與地之間發(fā)生非正常連接時(shí)，往往會(huì)發(fā)生短路，其回路電流可能超過(guò)回路的額定電流許多倍，因而會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成破壞。為保證電力系統(tǒng)安全，當(dāng)該情況發(fā)生時(shí)應(yīng)盡快切除短路故障部分，為此，可采用檢測(cè)識(shí)別并限制短路電流的措施?，F(xiàn)有的識(shí)別方法主要分為軟件和硬件兩類。軟件實(shí)現(xiàn)需通過(guò)一系列的采樣、轉(zhuǎn)換和濾波等步驟，故會(huì)直接影響短路電流信號(hào)的識(shí)別時(shí)間。硬件可分別采用數(shù)字電路和模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于沒(méi)有足夠快的A/D轉(zhuǎn)換器和足夠長(zhǎng)的濾波窗口，數(shù)字電路同樣存在檢測(cè)反應(yīng)速度慢的問(wèn)題，但便于控制；而模擬電路則不存在A/D轉(zhuǎn)換問(wèn)題，故能實(shí)現(xiàn)短路電流信號(hào)的快速檢測(cè)與識(shí)別。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，一般可選用數(shù)字控制、模擬識(shí)別的方法。
1 檢測(cè)原理及方法
分析電力系統(tǒng)短路電流的基本特性時(shí)，首先可設(shè)系統(tǒng)電壓為：
同時(shí)設(shè)短路回路的電阻和電感分別為R、L，并在t=0時(shí)發(fā)生短路，且α為短路時(shí)刻的相角。
則短路電流id的近似表達(dá)式為：
短路電流陡度did/dt的近似表達(dá)式為：
(3) 式中，Im為短路電流的周期分量幅值：
φ為功率因數(shù)角：
T為時(shí)間常數(shù)：
通常，電力系統(tǒng)的T =0.05s ( 相當(dāng)于φ =86.36°)。
這樣，當(dāng)短路相角α＝86.36°≌90°時(shí)，短路電流id中不含非周期分量； 而當(dāng)α＝3.64°≌0°時(shí)，短路電流id中的非周期分量最大。
圖1所示是其短路電流(標(biāo)幺值) 的波形圖。
圖1 典型短路電流波形
由圖1可知，短路電流一般由周期分量和非周期分量疊加而成。短路時(shí)刻的相角決定非周期分量的大小，從而影響短路電流的最大峰值；但短路電流的陡度主要由周期分量決定，而且基本不受非周期分量的影響。根據(jù)以上短路電流的特性，該短路電流檢測(cè)識(shí)別儀設(shè)定了電流瞬時(shí)值i判據(jù)，這樣，只要對(duì)三相電流中任意兩相的電流幅值進(jìn)行判斷，且當(dāng)其大于額定電流10倍時(shí)就切斷開(kāi)關(guān)，停止供電。
2 硬件設(shè)計(jì)
短路電流檢測(cè)識(shí)別儀主要由感測(cè)模塊、控制模塊和專用執(zhí)行電路組成，圖2所示是本短路電流檢測(cè)識(shí)別儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖2 短路電流檢測(cè)識(shí)別儀系統(tǒng)框圖
2.1 感測(cè)模塊
本系統(tǒng)中的感測(cè)模塊主要完成對(duì)短路電流信號(hào)的采樣以及對(duì)電流幅值的判斷，該模塊是后續(xù)控制處理的基礎(chǔ)。其中一次電流互感器和二次電流互感器可將電力線上的大電流信號(hào)變換為適合運(yùn)放使用的電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)與大電流信號(hào)成一定比例關(guān)系。A/D采樣電路則通過(guò)AD736芯片對(duì)變換后的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后與數(shù)字電位器X9C103提供的基準(zhǔn)電壓信號(hào)進(jìn)行比較，比較后的信號(hào)(低電平)送入單片機(jī)進(jìn)行中斷處理。
2.2 控制模塊
控制模塊的核心器件STC89C58RD+具有超強(qiáng)的抗電源抖動(dòng)能力，此外，其內(nèi)部還具有看門狗電路，也具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力。
前端比較后的信號(hào)(低電平) 觸發(fā)單片機(jī)中斷后，其內(nèi)部可通過(guò)定時(shí)器控制，并定時(shí)對(duì)中斷引腳進(jìn)行掃描，一旦發(fā)生中斷，單片機(jī)則輸出控制信號(hào)(高電平) 去控制專用執(zhí)行電路。
2.3 電源模塊
圖3為電源模塊原理框圖。由于短路電流檢測(cè)識(shí)別儀的工作環(huán)境中通常都存在強(qiáng)電磁干擾，而交流濾波器則可用于防止干擾信號(hào)進(jìn)入電源通道，進(jìn)而干擾單片機(jī)及其他功能電路。該電源模塊分別可提供±12V和5V電壓，其中±12V給感測(cè)模塊供電，5V電壓給控制模塊供電。
圖3 電源模塊原理圖
3 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件部分主要是控制單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器對(duì)中斷引腳進(jìn)行掃描，然后輸出下一級(jí)控制信號(hào)。單片機(jī)通過(guò)中斷響應(yīng)程序可對(duì)故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。由于它外接液晶顯示器，可通過(guò)內(nèi)部算法將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。此外，單片機(jī)還可通過(guò)控制數(shù)字電位器X9C103來(lái)對(duì)比較器的基準(zhǔn)電壓在額定電流的8～10倍的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而滿足不同工作環(huán)境下的不同需求。
4 結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)中，感測(cè)模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)短路電流的快速檢測(cè)和識(shí)別；嵌入式單片機(jī)中斷系統(tǒng)可快速產(chǎn)生動(dòng)作信號(hào)，以控制后續(xù)電路，切斷電力線上的開(kāi)關(guān)，避免更大的損失。單片機(jī)同時(shí)可提供良好的人機(jī)交互界面，并能夠保存故障信息以供分析使用。本系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，其工作十分穩(wěn)定可靠。