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，往往會發(fā)生短路，其回路電流可能超過回路的額定電流許多倍，因而會對電力系統(tǒng)造成破壞。為保證電力系統(tǒng)安全，當(dāng)該情況發(fā)生時應(yīng)盡快切除短路故障部分，為此，可采用檢測識別并限制短路電流的措施?，F(xiàn)有的識別方法主要分為軟件和硬件兩類。軟件實(shí)現(xiàn)需通過一系列的采樣、轉(zhuǎn)換和濾波等步驟，故會直接影響短路電流信號的識別時間。硬件可分別采用數(shù)字電路和模擬電路來實(shí)現(xiàn)。由于沒有足夠快的A/D轉(zhuǎn)換器和足夠長的濾波窗口，數(shù)字電路同樣存在檢測反應(yīng)速度慢的問題，但便于控制；而模擬電路則不存在A/D轉(zhuǎn)換問題，故能實(shí)現(xiàn)短路電流信號的快速檢測與識別。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，一般可選用數(shù)字控制、模擬識別的方法。
1 檢測原理及方法
分析電力系統(tǒng)短路電流的基本特性時，首先可設(shè)系統(tǒng)電壓為：
同時設(shè)短路回路的電阻和電感分別為R、L，并在t=0時發(fā)生短路，且α為短路時刻的相角。
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，短路電流id中不含非周期分量； 而當(dāng)α＝3.64°≌0°時，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，該短路電流檢測識別儀設(shè)定了電流瞬時值i判據(jù)，這樣，只要對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倍時就切斷開關(guān)，停止供電。
2 硬件設(shè)計(jì)
短路電流檢測識別儀主要由感測模塊、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識別儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
圖2 短路電流檢測識別儀系統(tǒng)框圖
2.1 感測模塊
本系統(tǒng)中的感測模塊主要完成對短路電流信號的采樣以及對電流幅值的判斷，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變換為適合運(yùn)放使用的電壓信號。該電壓信號與大電流信號成一定比例關(guān)系。A/D采樣電路則通過AD736芯片對變換后的電壓信號進(jìn)行采樣，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后與數(shù)字電位器X9C103提供的基準(zhǔn)電壓信號進(jìn)行比較，比較后的信號(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(低電平) 觸發(fā)單片機(jī)中斷后，其內(nèi)部可通過定時器控制，并定時對中斷引腳進(jìn)行掃描，一旦發(fā)生中斷，單片機(jī)則輸出控制信號(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。由于短路電流檢測識別儀的工作環(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)部的定時器對中斷引腳進(jìn)行掃描，然后輸出下一級控制信號。單片機(jī)通過中斷響應(yīng)程序可對故障信息進(jìn)行實(shí)時顯示。由于它外接液晶顯示器，可通過內(nèi)部算法將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信息，并進(jìn)行實(shí)時顯示。此外，單片機(jī)還可通過控制數(shù)字電位器X9C103來對比較器的基準(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
本設(shè)計(jì)中，感測模塊用于實(shí)現(xiàn)對短路電流的快速檢測和識別；嵌入式單片機(jī)中斷系統(tǒng)可快速產(chǎn)生動作信號，以控制后續(xù)電路，切斷電力線上的開關(guān)，避免更大的損失。單片機(jī)同時可提供良好的人機(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。