0 引言

    目前國內家用單相保護器多為機械式結構，在異常情況排除后，需人工進行合閘操作，自動化程度較低。同時，當中性線斷線、相線與中性線接反引起供電過壓或欠壓時^[2]，起到保護作用的斷路器卻因沒有實時電壓檢測而無法保護電氣設備，造成用戶損失。所以研究一種具備實時電壓監測與自恢復功能的低壓保護器具有可觀的市場前景。

1 功能設計

    新型自恢復低壓保護器的模型如圖1所示，它利用過欠壓檢測電路實現入戶電壓實時采樣并通過快速有效值算法在嵌入式控制器計算出當前電壓有效值，依此判斷是否需要自動回復狀態。推桿位置檢測電路通過微動開關獲取保護器當前推桿的位置狀態，并配合改進型H橋電機驅動電路控制電機正反轉，進而利用傳動裝置推動保護器分合閘。開關電源采用小功率設計，提供12 V和5 V兩種電壓。此裝置是對現有手動機械式低壓斷路保護器的升級改造，通過與其并列安裝，利用搖臂直接提升自動化能力。

2 結構設計

    裝置是利用電機驅動齒輪組來帶動保護器搖臂推桿完成分合閘操作。在圖2所示的內部機械結構中直流電機通過轉軸帶動齒輪組轉動，經過三級齒輪的多方向嚙合完成轉動平面的變換，并通過齒輪比實現變速。在內部利用“半月形”齒輪內咬合驅動搖臂推桿，進而帶動保護器分合閘。為了能瞬時斷開線路，裝置內安裝了脫扣機構，利用小型電磁裝置實現線路異常時的聯動斷開。

3 電路設計

    設備硬件按功能主要分為：小功率開關電源、核心控制單元、單相電壓檢測電路、位置檢測電路、電機驅動電路和通信接口等。

3.1 開關電源設計

    由于設備尺寸較小，電源設計時選用了PI公司的TinySwitchⅢ集成開關電源芯片TNY276，以實現18 W以內的小功率電源。該芯片內部集成了一個高壓功率MOS管和電源控制器，具有較好的輸出特性。設計時，單相電輸入端通過2個壓敏電阻實現600 V內瞬時高壓保護，經整流后利用TNY276和開關變壓器構成反激式開關電源，在次級利用穩壓管、光耦器、電阻組成控制器的反饋電路，并將輸出電壓穩壓在12 V，提供最大1.5 A電流。而各類芯片所需的5 V電壓則由后級78L05提供，具體電路如圖3所示。

3.2 核心控制單元

    核心控制單元采用飛思卡爾公司的Kinetis KE04微控制器，該芯片是一款ARM Cortex_M0+內核的32位控制器，可在復雜電氣噪聲環境中保持較高穩定性。在設計時，利用芯片內部振蕩器和FLL模塊將內核頻率設置為48 MHz，利用7個數字引腳讀取外圍開關量，同時芯片連接485總線通信接口、電機控制接口、指示燈接口等電路，完成手控操作、單相電壓檢測、預付費信號檢測、脫扣電路控制等操作。

3.3 實時電壓檢測電路

    單相電壓檢測是自恢復功能的基礎，設計時采用片內直接采樣方法，在電路上單相電通過電阻分壓的方式將L和N相電壓加載至集成雙運放MCP6002的VIN_A+、VIN_A-引腳。考慮到電源具有隔離設計和前后級無法共地等情況，利用B路運放結構將降壓后的N相電壓維持在2.5 V左右，并提供與后級電路的共地基準，電路結構如圖4。

4 自恢復功能設計

    自恢復功能是通過判斷當前電壓所在的區間，并控制電機帶動機械推桿而實現的。操作時先通過采樣電路獲得電壓樣本值，再利用快速有效值算法計算當前相電壓并與過欠壓閾值進行比較。若超過限定值則使能脫扣電路控制保護器分閘，反之可通過電機驅動齒輪組恢復合閘狀態，因而電壓有效值計算的速度與準確性決定了斷路器自恢復功能的實時性和有效性。本文就快速有效值計算的方法及改進措施進行分析。

4.1 有效值計算方法分析

    假設瞬時輸入電壓為正弦交流信號：

    可見有效值與瞬時最大值有密切關系。若采用傳統的全周期采樣，在一周期內可得到電壓最大值U_m，進而利用式(2)可計算獲得有效值，但這種方式的數據精度與采樣間隔有較大關系，當采樣過于稀疏時，在一周期內獲得的采樣最大值并不準確，導致計算結果準確性降低，而要彌補這種缺陷就必須增加采樣點數，這樣就會犧牲處理時間，不適合實時性要求高或電壓瞬時波動的場合^[4]。

4.2 快速有效值算法

    為了解決全周期采樣的局限性，使用了一種基于導數的有效值快速計算方法。對交流信號瞬時表達式(1)求導，得到：

    綜合式(4)、式(5)可見，采用該方法僅需2個采樣值即可計算出有效值，極大降低了系統處理時間，提高了實時性。但由于電網中存在較大的諧波分量，尤其是當采樣值正好處在干擾處或處在峰值毗鄰的兩側時，這種連續2點采樣的計算結果會有較大誤差。

4.3 算法改進

    針對采樣位置可能引入的誤差，提出了改進方法：采樣時，每次連續采樣至少3個點的數據u₁、u₂、u₃，并確保這些點處在同一單調區間內，將u₁和u₂、u₂和u₃順序代入式(4)、式(5)，計算出2個電壓有效值，最后做簡單的算術平均濾波，以減少偶然誤差。為了獲得較好的抗干擾能力，也可以在圖4的采樣電路中增加前置濾波電路^[1]，或者采用多次計算平滑濾波的方式。

    在采樣頻率方面，需要對采樣周期Ts進行限制，防止由于兩次采樣過近引起瞬時值導數u′=0。本例采樣電路中瞬時相電壓降壓在2.5 V左右，采集的模擬信號可表示為u=2.5sin100πt，使用片內12位AD采樣后可得最小分辨率為(11位有效數值)，因而兩次相鄰的采樣值差要大于最小分辨值，即|2.5sin100πt-2.5sin100π(t+T_s)|>0.001 22，可得，T_s>1.55 μs。

    設定輸入電壓為220 V/50 Hz，采樣間隔100 μs，其在改進算法下的計算結果如表1。

5 樣機測試與分析

    按照自恢復式過欠壓保護器報批標準對樣機進行測試時，主要檢驗過欠壓動作與自恢復功能的有效性。測試電路連接如圖5所示，其中TA是自耦變壓器，T為變壓器，D為樣機。測試樣品與機械式斷路器并列安裝，實物連接如圖6所示。

    進行過壓動作與恢復測試時，設置樣機D在斷路狀態且不連接負載，分別調節TA1和TA2，使T1輸出Ue，T2調節到增加的電壓值。先閉合K1、K3，斷開K2，對試品施加Ue，裝置合閘，然后閉合K2，觀察樣機動作。重復上述步驟對表2規定的過壓動作值進行試驗（在每一次操作之后，電壓恢復至Ue）。

    進行欠壓動作與恢復測試時，樣機D初始狀態處于閉合位置且不連接負載，調節自耦變壓器TA1和TA2，將T1輸出為0.70Ue，T2輸出0.15Ue。先閉合K1、K3，同時斷開K2，對試品施加0.70Ue電壓，要求試品D在5 s內分閘鎖死。然后閉合K2，使試驗電壓不間斷地提高到0.85Ue，測試樣機能否在20 s時間內自動復位合閘狀態。隨后重復上述操作調整T1輸出的電壓范圍從220 V~60 V變化，隨后加入T2電壓后恢復至195.5 V，觀測裝置能否恢復，其測試結構如表3所示。

6 結論

    自恢復式單相過欠壓保護器通過對現有斷路器的改造，利用電控機械結構的方式實現了欠壓(60 V～160 V)和過壓(260 V～440 V)的斷路保護以及恢復功能，具有較高的自動化分合恢復能力，為家用電網終端的智能化升級提供了一種有效的途徑。同時利用改進的快速有效值計算，使得裝置對電壓的實時波動較為敏感，其測試結果符合設計要求和相應標準。目前該裝置已投入小批量生產，應用于居民小區電網終端的改造與測試。

參考文獻

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作者信息:

李元熙1，2，楊國華1，2，鄒修國3

(1.江蘇省無線傳感系統應用工程技術研究開發中心，江蘇 無錫214153；

2.無錫商業職業技術學院 物聯網技術學院，江蘇 無錫214153；3.南京農業大學 工學院，江蘇 南京210031)