基于单片机的直流电路智能短路保护器＊

李兴邦

（青海大学水利电力学院，青海西宁810016）

1 引言

短路保护的目的是当电路发生短路故障时，能快速可靠地切断电路，保证电源、负载和人身安全。

目前，电路的短路保护几乎全部采用了熔断器作为主保护，断路器作为后备保护的形式。采用熔断器作为短路保护的主保护，存在以下几个方面的问题：

（1）熔断器熔断时伴有局部爆炸并形成刺鼻的烟气，造成局部环境污染；

（2）熔断器熔断时产生的废弃锡丝如果不进行及时彻底的清理，将造成局部环境污染及二次短路故障；

（3）熔断器熔断后，更换需专业人员。非专业技术人员更换熔断器不仅费时费力，而且无法准确选择熔断器规格，造成电路不能正常安全稳定运行，威胁电气设备和人身安全；

（4）熔断器熔断时间在秒级范围之内，熔断时间较长，不利于电气设备和人身安全的可靠保护；

（5）熔断器属于易耗品，需经常及时更换，成本较大。

鉴于常规熔断器在短路保护过程中存在的上述问题，本文提出了一种环保节约型直流电路智能短路保护装置。

2 直流电路短路的机理

当电路正常运行时（如图1所示），此时电路中的电流为

式中：I为电路正常工作时的电流；E为直流电源的电动势；r为电源内阻；Rl为线路电阻；RL为负载电阻。

图1 电路正常工作状态

图2 电路短路工作状态

当电路发生短路故障时（如图2所示），由于相对于电源内阻r来说线路电阻Rl可以忽略不计，此时电路中的电流为短路电流，其值为

由于RL≫r，因此，当电路发生短路故障时，IS≫I，致使短路电流产生的短时温升和电动力将急剧增大，电源将会被烧毁或损坏，甚至会危及人身安全。

因此，安全、可靠、快速地切除电路中的短路故障并可靠预测故障是否完全消除就显得尤为重要。

3 直流供电系统中短路保护电路的设计

本文以24V直流供电系统为例。其主电路的电流采样选用ACS712ELCTR－20A－T型霍尔传感器，开关选用IRF9540N型PMOS管，控制电路选用AT89C52型单片机，其短路保护电路如图3所示。

霍尔电流传感器TA将检测到的模拟信号传输到A/D转换器ADC0832转换成数字信号再传输给单片机，单片机将采样信号与预先设置好的短路电压值进行比较运算。若得到的结果是采样电压大于参考电压，则P0.4输出中断信号禁止驱动电路动作，从而关断MOS管以实现系统短路故障保护功能；经过一定延时，当再次测得采样电压小于参考电压时，单片机输出口P0.4输出低电平来实现MOS管的导通，以保证线路的供电；若测得的采样电压仍然大于参考电压，则会继续保持MOS管处于关断状态并报警。

图3 直流供电系统的短路保护电路

4 直流供电系统短路保护功能的软件设计

本文选用Keil软件，编程采用了C语言，其程序流程如图4所示。

图4 直流供电系统的短路保护软件流程

5 仿真分析

直流智能短路保护测试采用24V的直流供电电源，在进行仿真测试时设置的保护电流为2A，即当线路电流大于2A时会触发智能短路保护器的保护功能，关断PMOS管，其保护延时为15ms，自恢复延时为15ms，其可通过调节电阻的大小，模拟发生短路时电流增大的情况。

本文采用Proteus仿真软件进行仿真。系统的仿真电路如图5所示。

图5 直流供电系统短路保护仿真电路

不断调整负载电阻的大小，模拟发生短路故障时短路电流变化的情况，检测MOS管关断前后源极和漏极的电压和电流的变化，得到如图6、图7所示结果。

图6 短路保护启动前后源极与漏极电压变化曲线

图7 短路保护启动前后源极与漏极电流变化曲线

由仿真结果可见，当系统发生短路故障时，源极电压保持不变，而漏极电压将急剧下降，故障切除时间仅在20ms之内。同时，该装置能够不断检测线路故障是否排除，且当短路故障排除之后能及时恢复供电，保障了供电的可靠性。

6 结束语

（1）在电源能力允许的条件下，一个智能短路保护器可代替N个常规熔断器，克服了常规熔断器的所有缺点，从真正意义上实现了环保节约的功能；

（2）智能短路保护器不仅能快速可靠地实现短路保护功能，而且可事前预测短路故障；

（3）对电力系统中的瞬时短路事故可实现自动重合闸功能，保证了供电的可靠性。