配電線路過(guò)負(fù)荷監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李戰(zhàn)贈(zèng)1　姚波2　陸偉青2

（1.中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院 北京市 100044 ）

（ 2.上海安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）

    摘 要：介紹一款基于STM32F103R8T6的配電線路過(guò)負(fù)荷監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，該裝置應(yīng)用于突然斷電比過(guò)負(fù)載造成的損失更大的線路中，能夠與微型斷路器、塑殼斷路器、熔斷器等設(shè)備配套使用，實(shí)現(xiàn)配電線路過(guò)負(fù)荷的2段式報(bào)警，提前預(yù)警線路的過(guò)負(fù)荷狀態(tài)，從而減少由于斷路器跳閘而產(chǎn)生的損失。

    1　 引言

    JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中7.6關(guān)于低壓配電線路的保護(hù)，是強(qiáng)制性要求的，因此配電線路過(guò)負(fù)荷監(jiān)控是必要的。7.6.1條規(guī)定“低壓配電線路應(yīng)根據(jù)不同故障類(lèi)別和具體工程要求裝設(shè)短路保護(hù)、過(guò)負(fù)載保護(hù)和接地故障保護(hù)，作用于切斷供電電源或發(fā)出報(bào)警信號(hào)”。因此，在配電設(shè)計(jì)中，大量采用各種類(lèi)型的斷路器，用于實(shí)現(xiàn)線路過(guò)負(fù)荷時(shí)的保護(hù)。

    目前在配電設(shè)計(jì)中常用的有微型斷路器、塑殼斷路器、熔斷器。其中微型斷路器主要應(yīng)用于家用及類(lèi)似場(chǎng)所過(guò)電流保護(hù)，額定電流不超過(guò)125A；工業(yè)類(lèi)場(chǎng)合使用的多為塑殼斷路器，電流最大可達(dá)1250A。根據(jù)GB 14048.2-2008/IEC 60947-2:2006 《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器》、GB 10963.1-2005/IEC 60898-1：2002 《家用及類(lèi)似電器裝置用過(guò)電流保護(hù)斷路器 第1部分：交流操作的斷路器 》、GB 13539.1-2008/IEC 60269-1:2006 《低壓熔斷器 第1部分：基本要求 》對(duì)于設(shè)備要求如下特性，見(jiàn)表1：

    配電用過(guò)負(fù)荷保護(hù)特性 表1

    由表1可得，一旦配電線路中的電流超過(guò)一定的倍數(shù)，斷路器會(huì)在約定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，從而切斷負(fù)荷回路。但是，對(duì)于某些重要的回路，是不允許切斷供電的，JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.1定義了一級(jí)、二級(jí)負(fù)荷情況，明確指出中斷供電將造成人身傷亡；政治、經(jīng)濟(jì)重要影響；影響重要用電單位的正常工作或造成公共場(chǎng)所秩序嚴(yán)重混亂。例如：重要通信樞紐、重要交通樞紐、重要的經(jīng)濟(jì)信息中心、特級(jí)或甲級(jí)體育建筑、國(guó)賓館、國(guó)家級(jí)及承擔(dān)重大國(guó)事活動(dòng)的會(huì)堂以及經(jīng)常用于重要國(guó)際活動(dòng)的大量人員集中的公共場(chǎng)所等用電單位中的重要電力負(fù)荷等。因此在7.6.3條5規(guī)定“突然斷電比過(guò)負(fù)載造成的損失更大的線路，其過(guò)負(fù)載保護(hù)應(yīng)作用于信號(hào)而不應(yīng)作用于切斷電路”。對(duì)于上述要求，那么傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)明顯是不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

    因此，我們需一種裝置，能夠針對(duì)不同類(lèi)型的脫扣特性，在線路過(guò)負(fù)荷時(shí)，發(fā)出告警信號(hào)，提醒用戶及時(shí)采取措施。

    本文將要介紹的是一種ACM配電線路過(guò)負(fù)荷監(jiān)控裝置，以下簡(jiǎn)稱(chēng)ACM,，該裝置在功能上除能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)顯儀表的測(cè)量功能外，還能針對(duì)不同類(lèi)型的線路特性，提供與之動(dòng)作特性相對(duì)應(yīng)的2段式報(bào)警功能，同時(shí)配有開(kāi)關(guān)量狀態(tài)輸入，準(zhǔn)確判斷外部開(kāi)關(guān)狀態(tài)，還可配備通訊功能，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控功能。其動(dòng)作示意見(jiàn)圖1。保護(hù)類(lèi)型見(jiàn)表3。

圖1　時(shí)間-電流工況圖

    工作區(qū)間 表2

    配電線路保護(hù)電器類(lèi)型 表3

    ACM主要應(yīng)用在配電線路回路中，不是末端保護(hù)，而微斷一般應(yīng)用于末端保護(hù)，因此兩者在功能上不沖突。ACM用于過(guò)載報(bào)警，而短路保護(hù)由單磁塑殼斷路器（僅具有短路保護(hù)）和熔斷器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    產(chǎn)品符合以下標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范：

    GB 50054 《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》

    JGJ16-2008 《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》

    GB14048.2-2008/IEC 60947-2:2006 《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器》

    GB10963.1-2005/IEC 60898-1：2002 《家用及類(lèi)似電器裝置用過(guò)電流保護(hù)斷路器 第1部分：交流操作的斷路器 》

    GB13539.1-2008/IEC 60269-1:2006 《低壓熔斷器 第1部分：基本要求 》

    2　 電路設(shè)計(jì)原理

    ACM的硬件電路包括主CPU芯片、電源、信號(hào)采集電路、人機(jī)交互單元、RS485通訊接口、開(kāi)關(guān)量輸入模塊及繼電器輸出接口（圖2）。

圖2　硬件電路框圖

    2.1 主控CPU

    ACM的CPU采用ST公司的基于ARM Cortex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器STM32F103R8T6，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72MHz，內(nèi)置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4個(gè)16位定時(shí)器、3路USART通訊口等多種資源，具有極高的性價(jià)比。

    2.2 電源

    電源是一臺(tái)設(shè)備能否正常、穩(wěn)定、可靠工作的關(guān)鍵部分，ACM采用本公司常用的通用開(kāi)關(guān)電源模塊。該電源模塊輸入電壓為AC85V～265V，輸入頻率45Hz～60Hz，具有多路隔離電壓輸出，滿足多種功能對(duì)不同供電電壓的要求。輸出電壓穩(wěn)定、故障率小，輸出紋波 <1％。具有過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)。該模塊經(jīng)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。

    2.3 信號(hào)采集電路（圖3）

    信號(hào)采集電路采用互感器隔離輸入，將交流信號(hào)抬高后，通過(guò)放大電路將信號(hào)進(jìn)行放大，最后將采樣信號(hào)送入CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化。

圖3　信號(hào)采集電路

    2.4 人機(jī)交互單元

    人機(jī)交互單元采用LCD液晶顯示和按鍵輸入。能夠直觀地顯示測(cè)量參數(shù)和設(shè)置參數(shù)。用戶可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)定設(shè)置。