摘要：通过对低压电气设备常见故障原理的分析，根据实际需要，以STM32F103ZET6为核心处理器，设计了监测系统相关硬件电路，并对采样、驱动电路进行了详细说明，同时完成了软件实现功能的主程序和子程序设计，保证了整个监测系统的稳定运行。

关键词：STM32F103ZET6处理器;低压电气设备;监测系统

一、低压电气设备概述

凡对地电压250V及以下为低压，在低压等级中使用的电气装置为低压电气装置。低压电气设备是制作好的配电成品，如控制柜、补偿柜、进线柜、出线柜、变频控制柜、软启动柜等，其广泛应用在民航空管低压供电系统的配电、电气传动、自动控制设备中。

二、常见故障及保护

1、短路故障及保护。在低压设备供电系统中，短路故障最常见。短路故障按故障类型可分为三相短路、两相接地短路、两相短路、单相接地短路，其中，单相接地短路故障率最大。由于作业要求的特殊性，禁止变压器中性点直接接地，因此，当供电系统发生单相接地短路故障时，会直接发生漏电电流。

此外，对于短路故障，由于两相短路的电流值在所有短路故障中最小，通常低压馈电开关的速断保护电流值，最常用线路末端的两相短路电流来确保装置的整定。

2、过载故障及保护。电气设备过载是指在规定允许时间内，通过电气设备的实际电流值超过额定电流值的一种异常运行状态，其电流约为额定电流值的1.2～3倍，作用时间从几十分钟到几小时不等。过载原因是电机在起动力矩不足或负载过重时起动，导致电压偏移，设备在过载中产生的高热量会随着时间积累，长期运行会加速设备老化，甚至造成设备损坏。

针对电气设备的过载反应，采用反时限动作保护原理，利用微机保护可实现反时限保护。由于配电设备的负荷波动比其他地方大，流过低压开关中的电流变化更频繁，与传统三段式保护相比，反时限保护具有更多动作选择空间，延时动作更准确，可确保民航空管低压供电系统发生故障时的安全、可靠和选择性保护反应。同时，在采用反时限动作处理过载保护时，应充分考虑电气设备的蓄热效应，防止对设备的正常运行产生不利影响。

3、漏电故障及保护。工作环境恶劣，负荷波动大，若电缆等电气设备受到撞击或挤压，易导致漏电故障。目前，我国供电系统采用变压器中性点不接地系统来对漏电故障进行定义，即供电系统总绝缘阻抗降低，接地电流增加，甚至高达10A时，线路或电气设备发生漏电故障。根据安全要求，低压馈电线必须安装检漏保护或漏电保护装置，以防止漏电故障的发生，低压漏电保护装置一般有以下要求：

①具有漏电跳闸及漏电闭锁双重保证功能。根据实际经验，额定电压为380 V供电等级时，漏电动作电阻整定值3.5kΩ，漏电闭锁电阻整定值7kΩ;660V电压等级供电时，漏电动作电阻整定值11kΩ，漏电闭锁电阻整定值22kΩ。

②在保证无误动、无拒动、灵敏度和可靠性要求下，漏电保护装置动作时间短、速度快。

三、低压电气设备监测系统设计

1、总体结构。本系统硬件电路系统集监测、保护、通信和控制于一体，通过对电流、电压等参数信号的实时采样监测，能自动判别故障，输出控制动作，同时发出报警功能，并通过人机接口上传下达交互命令。系统组成部分有：主控模块、数据采集模块、开关输入/输出模块、人机接口、通信单元等部分。

2、主控处理器。为适应复杂的环境，以STM32F103ZET6为核心的嵌入式监控芯片比8bit单片机内核具有更强大性能和更低功耗，专门用于工业控制、电子电力等领域，但其成本仅略高于8bit单片机。STM32F103ZET6主控处理器特点：①有12位数模转化端口，每个ADC端口有18个通道，这些通道中每个都能独立处于信号读取模式，并且读取结果存储在16位寄存器中，便于各种数据的采集和处理;②有3个USART串口，通过这些串口能与外部的设备通信连接指定的数据;③该芯片具有521KB的存储容量和144个引脚，能同时输出多路PWM控制信号。

3、采样电路。为确保所需采样结果的高度线性关系，系统使用小型互感器将一次侧的电压和电流信号转换为二次侧-7.07 V至+7.07 V之间的弱电电压和电流信号，然后使用高精度运算放大器和滤波器对信号进行调谐与滤波，最后经A/D变换器转化。

系统采用RPT-206B电压互感器进行电压信号采集，电压互感器体积小、质量轻，便于在电路板上焊接。使用时，只要调整输入端限流电阻值，电压信号就可变换为2mA电流信号。

系统使用霍尔传感器VSM025A来完成直流信号的采样，该传感器可根据霍尔效应测量直流、交流、脉冲等信号波形，精度高。对于复杂环境，其良好的线性条件能很好地采集所需信息。

4、驱动电路。在系统驱动电路的设计中，添加变压器隔离电路能有效防止全桥电路中桥臂上下驱动开关输出占空比不同步引起的磁偏。驱动电路通过互补对称设计完成输入信号放大，反应速度快，负载能力高，能驱动开关管。一方面，增加的变压器起到隔离作用;另一方面，根据需要将驱动信号分为四份，同时驱动主电路的四个开关导通及断开，大幅提高了效率。

四、软件程序设计

系统软件程序设计采用模块化结构，主程序连续执行循环扫描。系统由主程序监测、初始化和自检程序、采样程序、整定参数子程序、保护子程序、故障监测子程序、显示子程序、通信子程序、故障处理子程序等组成。分别对这些功能进行设计、编译和调试，完成总体设计。

系统先进入各模块任务初始化设置，如中断设置、寄存器设置、定时器工作模式、任务分配设置等，然后进入自检程序扫描，完成系统启动前的初始判断。系统自检完成后，每0.625ms采集、整定、计算、处理系统各部分电压和电流信号，进入故障子程序，完成故障类型识别、故障实时监测、故障判别、报警、显示、处理等功能。

参考文献

[1]乔占俊.中低压配电网络自适应电流保护的研究[J].工矿自动化，2016（04）.

作者简介：陈霄（1989-）男，工程师，民航通信、导航、监视专业。