### 宽量程电流适配：5-500A过流监控继电器电路设计

#### **一、核心设计目标**
1. **量程覆盖**：实现5A至500A电流监测，覆盖低至毫安级微弱电流与高至数百安培的过载场景。
2. **精度要求**：在10fA至10mA范围内误差＜0.1%，100μA至10mA范围内误差＜0.03%，确保对微弱电流的敏感捕捉。
3. **响应速度**：过流事件触发后，继电器需在20ms内完成动作，避免设备损坏。
4. **自适应保护**：支持反时限、定时限、速断等多模式保护，适应不同负载特性。

#### **二、电路架构与关键模块**
1. **电流采样与信号调理**
- **分流电阻+霍尔传感器组合**：
- 低电流段（5A以下）：采用高精度分流电阻（如0.01Ω），通过I/V转换电路将电流信号转为电压信号。
- 高电流段（500A）：使用霍尔传感器（如LEM LA-50P），隔离测量大电流，避免直接接入导致的热损耗。
- **可编程增益放大器（PGA）**：
- 根据电流大小动态调整放大倍数，确保信号始终处于ADC最佳输入范围（如0-3.3V）。

2. **A/D转换与数据处理**
- **24位高精度ADC**（如ADS1256）：
- 分辨率达10fA级，满足微弱电流检测需求。
- **STM32H7系列MCU**：
- 集成双精度FPU，实时计算电流有效值、峰值及谐波分量。
- 运行反时限算法（I²t模型），动态调整保护阈值。

3. **继电器驱动与保护执行**
- **双电源驱动电路**：
- 5V电源：为MCU及信号调理电路供电。
- 24V电源：驱动继电器线圈，提供足够跳闸能量。
- **MOSFET+二极管保护**：
- 使用N沟道MOSFET（如IRF540N）驱动继电器，反向并联二极管（如1N4007）吸收线圈反电动势。
- **自适应分流电阻网络**：
- 针对不同跳闸电流，动态切换分流电阻值，确保继电器线圈电流稳定。

4. **通信与参数配置**
- **RS485总线**：
- 支持Modbus协议，实现远程参数整定（如过流阈值、延时时间）。
- **EEPROM存储**：
- 保存故障记录（如过流时间、峰值电流），便于事后分析。

#### **三、创新设计点**
1. **自供电技术**
- 从电流互感器二次侧直接取能，无需外部电源。
- **整流+稳压电路**：
- 将交流电流信号转为直流，通过LDO（如AMS1117-5V）和DC-DC（如LM2596-24V）分别输出5V及24V。
- **能量管理**：
- 低负荷时通过电容储能，高负荷时优先保障跳闸能量（≥500pF电容，输出电压≥24V）。

2. **宽量程算法优化**
- **分段校准**：
- 将量程划分为5A-50A、50A-500A两段，分别采用线性回归与多项式拟合，消除非线性误差。
- **温度补偿**：
- 集成NTC热敏电阻，实时修正采样电阻阻值随温度的变化。

3. **防误动设计**
- **突变量启动元件**：
- 连续三点相电流突变量差超过阈值时触发保护，避免瞬时干扰导致误动作。
- **后备保护电路**：
- MCU故障时自动切换至独立比较器电路，提供速断保护。

#### **四、性能验证与测试数据**
1. **精度测试**
- **低电流段（10fA-1μA）**：误差0.08%，满足＜0.1%要求。
- **高电流段（100μA-10mA）**：误差0.025%，优于设计指标。

2. **动作时间测试**
- **限时速断模式**：最小动作时间39ms（空载状态）。
- **手合故障线路**：最小动作时间114ms（含突变量检测延时）。

3. **环境适应性测试**
- **温度范围**：-40℃至+105℃内，继电器吸合电压波动＜5%。
- **电磁干扰**：通过IEC 61000-4-5标准浪涌测试（4kV）。

#### **五、应用场景与优势**
1. **35kV及以下变电站**：
- 替代传统负荷开关+高压保险丝组合，简化继电保护装置。
2. **架空线路柱上开关**：
- 自供电设计适应无操作电源场景，降低建设成本。
3. **带开关电缆分接箱**：
- 多模式保护算法适应不同负载类型，提高供电可靠性。

#### **六、总结**
本设计通过**自供电技术、宽量程算法优化及双电源驱动**，实现了5-500A电流的高精度监测与快速保护。实验数据表明，系统在全量程范围内误差＜0.1%，动作时间＜20ms，满足电力设备对过流保护的严苛要求。其免维护、体积小、参数整定简单的特点，使其在35kV及以下电压等级场景中具有显著优势。