5、电子式脱扣器原理与设计

断路器智能脱扣器的原
理与设计
脱扣器发展
传统型脱扣器保护类型
传统型断路器保护功能介绍 传统型脱扣器功能介绍
智能型脱扣器保护类型
电源模块设计
信号采集与处理
电压保护
电流保护
过载反时延保护
脱扣器发展
脱扣器发展
传统型脱扣器保护类型
短路保护
过载保护
传统型断路器保护功能介绍
国际电工委员会的IEC标准和我国国家标准按使用类别把断路器分为
两种。

其中A类断路器在短路情况下，无明确指明具有选择性保护功能。

而B类断路器则明确指明具有选择性保护功能。

为了获得选择性保护，B类断路器具有三段保护特性，即过载、短路短延时和短路瞬动保护
支路1支路2
（a）两种断路器的安装位置
传统型脱扣器功能介绍
短路保护：对于A类断路器，一般通过
护。

即当流过断路器电流超过短时耐受电流
力直接作用于机构，导致脱扣。

对于B类断路器，一般同时含有
短路脱扣和电磁脱扣。

其中电子式脱扣进行短路短延时和瞬时保护，而电磁脱扣作为短路瞬动的后备保护，有利于提高保护速度和可靠性。

图2 拍合式电磁脱扣器
传统型脱扣器功能介绍
过载保护：对于A类断路器，一般通过
保护。

其工作原理如图3所示，主要利用双金属片的受热弯曲特性，双金属片中2层或多层热膨胀系数各不相同的金属受热时，会发生弯曲。

对于B类断路器，一般通过电子式脱扣来完成过载长延时保护。

图3 直片式单支梁双金属片
图4 断路器中双金属片的位置
随着科技的不断发展，脱扣器的发展方向为：
高可靠性、小型化、模块化、组合化、电子化和智能化。

这一研究领域还有很多工作需要去做。

传统装有电磁式脱扣器的断路器在电力系统中发挥着巨大作用，但其检测和执行装置均为机械结构，导致性能指标低、耗材、耗能、保护特性单一、反时限拟合效果差；
以模拟电路和数字电路为基础的电子式脱扣器弥补了上述不足，但模拟式电子脱扣器一般只反映故障电流峰值，易造成断路器在高次谐波的影响下发生误动作；
由于脱扣器与断路器安装在一起，一般都处于工作环境较恶劣的地方，环境中强烈的电磁场对脱扣器的正常工作带来干扰。

因此，要求脱扣器具备较高的EMC要求；
随着计算机技术、智能化技术、通讯技术的进步和应用领域的不断
智能型脱扣器保护类型
电压保护
电流保护
其他保护
硬件结构框图
电源模块设计
该电源采用变压器供电，变压器原边电压取自断路器进线侧的任意两相间的线电压。

变压器的副边电压经过整流桥整流、电容滤波和稳压芯片线性稳压，产生脱扣器的工作电源。

主电源点如图如图
线性稳压电路和隔离电路输出电压的精度比较高，纹波比较小，所以该电路的输出电压可以作为
图5 主电源电路图
信号采集
—+
-5V
+5V
I a
R1
C1
C2
信号处理
在微机保护的研究过程中，算法所研究的主要问题有两点：一为算法的计算精度
与信号的实际值的逼近程度，其影响计算结果的准确度；二是算法的数据窗，指该算法采用故障后的多少采样点
正确的结果，其影响保护动作的速度。

最初，假设电压、电流为纯正正弦信号，提出了许多基于正弦信号的算法，有半周期积分算法、一阶导数算法、二阶导数算法等，这些算法都是基于被采样信号为正弦信号的算法，需要先对信号进行滤波。

在实际供电线路中常含有各次非周期分量和谐波分量，本设计中选用
假定被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，除基波外还含有不衰减的直流分量和各次谐波，则可表示为：
在（1）式中，、分别为直流、基波和各次谐波的正弦项与余弦项的振
幅；
对于基波分量，取，则可得：(t x n
a n
b 1=n
对照式（4）和式（5），可知
对于其他各次谐波分量的求法与基波分量的方法完全类似，可见傅里叶级数算法求某次谐波分量的有效值时，
和虚部的系数。

上式是在连续域中采用的傅氏算法求取基波或某次谐波的分量的方法，在微机保护中，得到的是经过采样和A/D转换后的数字信号，在用微机处理时，式（2）和式（3）经傅里叶变换方法求得：
式中工频每周期采样点
在本系统中，考虑系统要求的反应速度，在此取采样频率为600Hz，则对于基波，一个周期内取12个点，则式（7）和（8）如下所示。

则对应的和−N k N π2sin cos k
012
00.5
sin
π
k 3
在微机保护中，采样频率取600Hz时，对应的正弦函数弦函数离散化后的系数仅有三组值，即（9）和式（10）的采样值计算公式如下：
k N π
2cos [(121
511x x a −+=[(12
1
421x x b −−=式中…分别表示k=0,1,2，…，N 时刻的采样值。

由
,,,210x x x 12,x b
电压保护
通过使用变压器测量三相供电系统的线电压，再与额定值进行比较。

电压测量电气图如图7所示。

设定值进行比较，判断是否发生过压或者欠压故障，给脱扣执行机构发出命令，进行脱扣。

图7 电压信号采集原理图
电流保护
电流保护主要包括三段保护。

即过载长延时保护，短路短延时保护和短路瞬动保护。

①瞬时过电流脱扣器动作电流的整定。

低压断路器所保护的对象中，某些电器设备在启动过程中，会在短时间内产生数倍于其额定电流的高峰值电流，从而使低压断路器在短时间内承受较大的尖峰电流。

瞬时过电流脱扣器的动作电流
峰电流I pk，即I op≥K rel•I pk，式中
路器的瞬时过电流脱扣器的整定电流躲过尖峰电流，以免引起低压断路器的误动作；
②短延时过流脱扣器动作电流和动作时间的整定。

短延时过流脱扣器的动作电流
也应躲过线路的尖峰电流I pk
扣器按前后保护装置的保护选择性来确定，应使前一级保护的动作时间比后一级保护的动作时间长一个时间级差；
③长延时过流脱扣器动作电流和动作时间的整定。

长延时过流脱扣器主要是用来保护过负荷，因此其动作电流I op
过载反时延保护
对于过载保护，涉及到热量聚集及动态过载等问题。

当运行时的实际电流大于设定的额定电流时，故障因子开始累加，过流倍数越大，故障因子累加的就越快，因此必须将不同的过载倍数关系进行换算，满足动态过载的热量记忆问题。

在这里设定过载倍数1.05
量是等价的（如1.2倍的过载倍数下
的时候，其过载时间1s可等价为
考虑实时计算中电流的变化，定义一个综合过流倍数
图8 反时限曲线离散化
1
y
y+
=
2.1
12
1+
=
M
k
过载反时延保护
在智能脱扣器模块过载计时后，只要计数器设定值未达到就反复计
算，并根据计算出的插值，不断的用新的综合过流倍数得到允许的时延，再减去现已达到的实验，得还需要的时延
上式中，为计算间隔，为不同的过负荷倍数之间的转换比例系数，k 次所计算的综合过流倍数决定的时延，
M n M k k
t t Δk
M k t k t t Δ−=Δk t ΔM k k
t ;,...2,1M k =
漏电保护
图9 单相漏电保护工作原理
接地保护
接地故障是指电网的线与地
发生短接而产生的故障，严重危
及电气设备和人的安全，只能脱
扣器必须在接地电流超过整定值
时实现断路器的脱口或者发出警
报信号。

如图10所示，N线为系
统中性线，PE线为保护接地
线。

根据断路器的极数分为3P
4P，(3P+N)等三种形式，分别如
下图4中1,2,3所示。

另一种方式
为地电流型, 智能控制器通过一
个附加电流互感器检测N线与
线之间的电流进行保护（当地电
流超过一定值时即判定为接地故
图10 接地保护接线
频率测量
一般使用单片机测量频率或者周期，通常利用单片机的定时计数器来完成，测量的基本方法和原理有两种：
测频法：在限定的时间内（如
测周法：测试限定的脉冲个数之间的时间。

这两种方法尽管原理是相同的，但在实际使用中，需要根据待测频率的范围、系统的式中周期、计数器的长度、以及所要求的测量精度等因素进行全面和具体的考虑，寻求和设计出适合具体要求的测量方法。

测周法的基本思想，就是测量在限定的脉冲个数之间的时间间隔，然后再换算成频率（需要时）。

当被测信号的频率比较低时，采用这种方法比较合适，因为频率越低，在限定的脉冲个数之间的时间间隔也越长，因此定时计数的个数也越多，测量也越准确。

由于需要测量系统电流频率，
时间测量
图11 时钟测量电路
时钟、温度模块由实时时钟电路和温度测量电路构成，用于检测装置内部的环境温度和实时计时。

时钟电路采用DS1302时钟芯片，为系统提供时间标准，便于系统更好的工作，记录故障和掉电的时间。

该芯片能对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，并具有闰年补偿功能。

采用三线接口与CPU 进行同步通信，占用的I/O 口线较少，体积小，使用灵活。

热保护
温度测量采用热敏电阻专用测温芯片（如DS1602芯片）对内部温度进行测量。

当装置内部温度过高的时候，智能脱扣器会发出告警信号，防止由于内部温度过高给装置本身造成的不良影响。

人机接口设计
5V
12V
10k
1k
图12 按键电路
人机接口是进行控制的枢纽，
智能脱扣器模块的人机接口包括键盘和液晶显示器。

按键设置五个，分别为上行键、下行键、确定键、
输出与指示
继电器输出电路图如图14。

当主回路出现过电流，控制单元延时电路输出电平变为低电平时，光耦触发，电磁继电器线圈通电，通过接通磁通变换器线圈，脱扣器动作分断直流主可控硅输出电路如图15所
图14 继电器输出电路图15 可控硅输出电路
执行机构
图16 磁通变换器的工作原理
可写出动态方程如下：
dt
d iR U dt dx m F F m s ψ
+
==−,22∫−
=t
idt c U 0
01——供电电容器电压
U 0U ——未放电前电容器的初始电压
m F ——线圈和永久磁铁共同作用下产生的电磁力
s F ——弹簧作用力
R ——线圈回路电阻
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