标题配电线路过负荷监控装置的设计与应用

李战赠¹姚波²陆伟青²
（1.中国建筑设计研究院  北京市 100044 ）
    （ 2.上海安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定  201801）

摘    要：介绍一款基于STM32F103R8T6的配电线路过负荷监控装置的设计与应用，该装置应用于突然断电比过负载造成的损失更大的线路中，能够与微型断路器、塑壳断路器、熔断器等设备配套使用，实现配电线路过负荷的2段式报警，提前预警线路的过负荷状态，从而减少由于断路器跳闸而产生的损失。
关键字：过负荷监控

1　 引言
　　JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》中7.6关于低压配电线路的保护，是强制性要求的，因此配电线路过负荷监控是必要的。7.6.1条规定“低压配电线路应根据不同故障类别和具体工程要求装设短路保护、过负载保护和接地故障保护，作用于切断供电电源或发出报警信号”。因此，在配电设计中，大量采用各种类型的断路器，用于实现线路过负荷时的保护。
　　目前在配电设计中常用的有微型断路器、塑壳断路器、熔断器。其中微型断路器主要应用于家用及类似场所过电流保护，额定电流不超过125A；工业类场合使用的多为塑壳断路器，电流最大可达1250A。根据GB 14048.2-2008/IEC 60947-2:2006 《低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器》、GB 10963.1-2005/IEC 60898-1：2002 《家用及类似电器装置用过电流保护断路器  第1部分：交流操作的断路器 》、GB 13539.1-2008/IEC 60269-1:2006 《低压熔断器 第1部分：基本要求 》对于设备要求如下特性，见表1：   

配电用过负荷保护特性              　　　　　　　　　　　　　　 表1

　　由表1可得，一旦配电线路中的电流超过一定的倍数，断路器会在约定的时间内动作，从而切断负荷回路。但是，对于某些重要的回路，是不允许切断供电的，JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》第3.2.1定义了一级、二级负荷情况，明确指出中断供电将造成人身伤亡；政治、经济重要影响；影响重要用电单位的正常工作或造成公共场所秩序严重混乱。例如：重要通信枢纽、重要交通枢纽、重要的经济信息中心、特级或甲级体育建筑、国宾馆、国家级及承担重大国事活动的会堂以及经常用于重要国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷等。因此在7.6.3条5规定“突然断电比过负载造成的损失更大的线路，其过负载保护应作用于信号而不应作用于切断电路”。对于上述要求，那么传统的开关明显是不能满足标准要求。
　　因此，我们需一种装置，能够针对不同类型的脱扣特性，在线路过负荷时，发出告警信号，提醒用户及时采取措施。
　　本文将要介绍的是一种ACM配电线路过负荷监控装置，以下简称ACM,，该装置在功能上除能够实现传统数显仪表的测量功能外，还能针对不同类型的线路特性，提供与之动作特性相对应的2段式报警功能，同时配有开关量状态输入，准确判断外部开关状态，还可配备通讯功能，实现遥测和遥控功能。其动作示意见图1。保护类型见表3。

图1　时间-电流工况图

工作区间　                         　　　　　　　　　　　　　　 表2

配电线路保护电器类型    　　　　 　　　　　           表3

　　ACM主要应用在配电线路回路中，不是末端保护，而微断一般应用于末端保护，因此两者在功能上不冲突。ACM用于过载报警，而短路保护由单磁塑壳断路器（仅具有短路保护）和熔断器来实现。
　　产品符合以下标准或规范：
　　GB 50054 《低压配电设计规范》
　　JGJ16-2008 《民用建筑电气设计规范》
　　GB14048.2-2008/IEC 60947-2:2006 《低压开关设备和控制设备 第2部分：断路器》
　　GB10963.1-2005/IEC 60898-1：2002 《家用及类似电器装置用过电流保护断路器  第1部分：交流操作的断路器 》
　　GB13539.1-2008/IEC 60269-1:2006 《低压熔断器 第1部分：基本要求 》

2　 电路设计原理
　　ACM的硬件电路包括主CPU芯片、电源、信号采集电路、人机交互单元、RS485通讯接口、开关量输入模块及继电器输出接口（图2）。

图2　硬件电路框图

2.1  主控CPU
　　ACM的CPU采用ST公司的基于ARM Cortex-M3架构内核的32位处理器STM32F103R8T6，时钟频率最高可达72MHz，内置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4个16位定时器、3路USART通讯口等多种资源，具有极高的性价比。
2.2  电源   
　　电源是一台设备能否正常、稳定、可靠工作的关键部分，ACM采用本公司常用的通用开关电源模块。该电源模块输入电压为AC85V～265V，输入频率45Hz～60Hz，具有多路隔离电压输出，满足多种功能对不同供电电压的要求。输出电压稳定、故障率小，输出纹波 <1％。具有过压、过流保护。该模块经实际现场使用，具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力。
2.3  信号采集电路（图3）
　　信号采集电路采用互感器隔离输入，将交流信号抬高后，通过放大电路将信号进行放大，最后将采样信号送入CPU进行A/D转化。

图3　信号采集电路

2.4  人机交互单元
　　人机交互单元采用LCD液晶显示和按键输入。能够直观地显示测量参数和设置参数。用户可根据实际需要进行各种参数的设定设置。
2.5  RS485通讯接口
　　通讯接口模块采用通用的RS-485、Modbus RTU通讯规约，能实现遥测、遥控、遥信等功能，见图4。

图4　通讯电路原理图

2.6  继电器输出接口
　　继电器输出接口（图5）是动作的执行机构，当出现故障时，继电器便会产生动作，发出报警信号。

图5　继电器输出原理图

3　 软件设计
　　ACM的软件流程主要包括A/D子程序、保护子程序、计算子程序、显示子程序、按键处理子程序、通讯子程序等子程序，由于程序内容较多，现给出主程序流程（图6）

图6　主程序流程图

4　 结构设计
　　监控装置的外型结构分为2种，见图7、图8。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　    　　　图7            　　　　　　  　　　　　　　　 图8　　　　　　　　　　　

　　图7结构采用的是微型断路器外型，体积小巧，LCD液晶显示。
　　图8采用的是分体式安装，主体控制单元采用DIN35mm导轨安装方式，显示单元采用嵌入式安装方式，由数据线与主体相连。点阵LCD显示，美观大方。

5　 产品特点   
　　监控装置采用真有效值的计算方法、可测量三相电流、三相电压、四象限有功、无功、功率因数、漏电流、频率、2～15次谐波等参数，在较宽的频率范围内实现了较高的精度。集成有多种类型断路器的动作特性。该装置集低压电测仪表的测量功能和线路监控功能于一体，是重要负荷回路理想的监控元件。
　　其主要技术指标见下表。

6　 应用案例
　　ACM能应用于多种场合。下图为典型的应用案例。
　　在本应用案例中，ACM应用于塑壳断路器回路，其报警点分别为额定值的1.05倍和1.3倍。当线路中电流值达到所设额定值的1.05倍时，输出节点7、8闭合，使中间继电器KA1动作，点亮指示灯PGR；当线路中电流值达到所设额定值的1.3倍时，装置开始计时（计时时间5s～2h，可任意设定），计时时间到，且电流未能回落，则输出节点9、10闭合，使中间继电器KA2动作，使声光报警器PG动作，从而起到报警作用。

7　 结语
　　ACM配电线路过负荷监控装置采用先进的设计方案，能够针对不同的使用场合提供不同的报警点，产品稳定可靠，是理想的配电线路过负荷监控产品。

　　文章来源于：《电气技术》2010年第11期。

参考文献
[1] 李炳华，《智能建筑电气技术》“浅谈建筑电气新技术的应用”2010.6
[2] 上海安科瑞电气股份有限公司，ACM系列配电线路过负荷监控装置选型手册，2010。
[3] 中国电力出版社，电工与电子技术，1999。
[4] 任志程，周中，电力电测数字仪表原理与应用指南，中国电力出版社，2007

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