一种智能脱扣器数据采集系统硬件设计

摘要: 随着现代电气智能化的发展，智能电器已经广泛应用于电力系统的分配控制方面，在监测电网的运行状态时，高速、高精地采集信号是十分重要的。文章对微控制器的智能数据采集系统的硬件电路进行了设计，实现了电网信号的采集、跟踪和显示，其中所涉及的电路包括信号采集和转换电路、选通采集电路与锁相倍频电路，并通过示波器观测各个电路的输出情况，完成整体智能数据采集系统的设计。

0 引言

在电能的产生、输送、使用过程中，配电是一个极其重要的环节。低压断路器就是在低压配电系统中用来处理由于电网波动导致线路出现严重的过载、短路、过电压、欠电压、过电流、剩余电流等故障的一种电器。它可以及时切断电路，隔离故障，起到保护配电网络、电气设备的作用。脱扣器是断路器的核心部件，可以在电网发生故障情况时分断电流。

从上世纪50 年代开始生产仿苏断路器，至今已发展为带有微处理器的智能型脱扣器。智能脱扣器不仅囊括了传统脱扣器所有保护功能，而且还能够显示、设定和修改被控电路中参数并扩充了测量、控制、报警、数据记忆及传输、上下微机的通信等功能，其性能大大优于传统的常规断路器产品。智能脱扣器要在电网发生故障的情况下快速分断整体电路，又要对电网信号的采集要准确、快速、无误，这样，智能脱扣器的核心———微控制单元才能准确分析采集到的信号，正确判断电网是否故障。本文所介绍智能脱扣器电网信号的采集系统的硬件主要分为3 个部分:① 信号调理单元，包括电流采样、电压采样、剩余电流采样;②锁相环频率跟踪;③ 多路转换开关。该3 部分相互连接形成一个整体，不可分割。合理地处理好该3 部分，才能准确地了解当前的电网情况，保护电网和用电电器安全。

1 整体设计方案

智能脱扣器数据采集系统结构框图如图1 所示。电网信号经过信号调理单元的电流、电压、剩余电流采集电路，送入多路转换开关，同时应用锁相环提供微控制器中断信号，利用微控制器LPC2294 外部中断功能进行信号实时采样，最终将采样信号送入微控制器。

智能脱扣器数据采集系统硬件整体结构框图

图1 智能脱扣器数据采集系统硬件整体结构框图。

2 信号调理单元

信号调理单元包括电流采样、电压采样以及剩余电流采样。信号调理单元将7 路输出信号:I1、I2、I3、U1、U2、U1、L 送入多路转换开关，以备后续循环采样。

2. 1 空心电流互感器

随着电力传输容量的不断增长，电网电压等级的不断提高，保护要求更加严格，铁心式互感器暴露出一些缺点，如体积大、易磁饱和、有铁磁谐振、动态范围小、使用频带窄等。本设计使用了空心电流互感器，空心式电流互感器克服了传统铁心式互感器的缺点，采用非磁性材料作为传感器，无饱和、无剩磁、体积小、频带宽，最重要的是其二次侧输出不是一个电流量而是一个电压量，省去在二次侧接大功率采样电阻和二次侧不能开路的限制。采用空心电流互感器输出的小电压信号就可以直接应用到后续电路。

空心电流互感器由Rogowski 空心线圈构成，是一种密绕于非磁性骨架上的空心螺线管。空心电流互感器结构如图2 所示，其中Ix为被测信号电流，e(t)为空心电流互感器线圈输出电动势。e(t)与Ix关系如式(1)所示:

空心电流互感器结构图

图2 空心电流互感器结构图。



式中N———线圈总匝数

S———非磁性骨架截面积

Ix———被测电流

为了求得输出信号和输入电流的线性关系，积分器是模拟电路的关键部分。因此，在空心互感器后面加入了积分环节，使输出电压与输入电流保持线性关系。Ux即为经过积分器的输出电压，如式(2)所示:


式中r———非磁性骨架圈半径

R———空心线圈后接积分器的积分电阻

C———空心线圈后接积分器的积分电容

经过空心电流互感器，将被测信号转化成所需的小电压信号，且频率相位均未改变，准确度高，适合应用于智能断路器大电流采样中。按照生产空心电流互感器的厂家以及有关互感器资料文献［1］中的数据，表1 中列出了本设计系统所设置的条件下故障电流值和电流通过空心互感器输出的电压值，其中，IN为额定电流。通过表1所列输入空心互感器电流Ix和经积分电路后电压输出Ux关系可看出，两者呈线性关系。

表1 电流值及经电流互感器输出电压值。

电流值及经电流互感器输出电压值

2. 2 电流采样

由空心电流互感器输出的小交流电压，需要经过调理电路才能输入微控制器的A/D( 模数转换)单元。调理电路主要完成信号的滤波、放大、提升。交流采样电路如图3所示，其中，R1、C1为空心电流互感器后积分电阻和电容。将R1的输出电压经运放LM 224 U1A、U1B 构成的放大电路进行放大，产生2. 5 V 左右的交流电压。C3、R7、C4、R6实现了低通、高通滤波，其截止频率为1 /2πRC。

经过计算，选择了合适的低通、高通滤波电容与电阻值，使得通过的频率在10. 61 ～ 123. 72 Hz 之间。LM 224 U1C 放大器为前面产生的交流电压提供一个基准的直流电压，交流电压与直流电压叠加，使电压得到提升。最终，V0输出经调理后的单极性电压，将此电压直接输入LPC 2294 的A/D 单元。输入电流IN = 630 A 时输出电压U0的波形如图4 所示。经测量，在空心互感器采样不同电流值时，经电流采样电路输出电压数值如表2 所示。其中，10. 61 ～ 123. 72 Hz Ua为电压波峰与波谷之间的距离。

电流采样电路