新一代塑壳断路器用智能型控制器
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（ 4） 控制执行电路。智能控制器主要目的是 能实时处理过载、短路、接地等故障信号，按保护 特性要求延时或瞬时控制执行元件分断断路器， 从而达到保护目的。执行元件采用磁通变换器， 其磁路全封闭或半封闭。正常工作时，靠永磁铁 保证铁心处于闭合状态，这样有助于抗震动和抗 电磁场干扰。动作执行时，控制器发出脉冲方波， 通过线圈的电流产生反向磁场，抵消固有磁通，靠 磁通变换器中的反力弹簧推动铁心，从而带动断 动器的连动机构分断断路器。 1． 2 软件设计
（ 2） 通信子程序流程。通信子程序流程如 图 5所示。通信采用 RS-485 总线，半双工方式， 波特率 19 200 b / s，数据位 8 位，奇校验方式。由 于采用 16 位低功耗 CPU，硬件支持和处理速度较 快、可靠性高、设计较为方便。
图 5 通信子程序流程
（ 3） 定时器中断。定时器中断构成信号采样 周期，其中断周期为 0． 5 ms，每一周波（ 20 ms） 为
·智能电器·
低压电器（ 2012No． 18）
（ 5） 在原理设计和线路板设计时，使用先进 的电子设计软件 Protel 2000 进行设计，并且在线 路板制板前均进行了计算机模拟仿真，排除许多 因元件布置不合理造成的不稳定因素。
2 试验情况
试验项目主要是电磁兼容试验和特性试验。 电磁兼 容 试 验 按 国 际 标 准 IEC 6100-4 系 列 和 GB / T 22710—2008 进行下述试验。
（ 1） 传导瞬变和高频骚扰抗扰度试验。 周围空气温度： 10 ℃ ～ 40 ℃ 脉冲群： 水平 4 级 （ 2） 抗电磁场干扰试验。 周围空气温度： 10 ℃ ～ 40 ℃ 电压： 10 V / m，80 ～ 1 000 MHz 脉冲群： 水平 3 级 （ 3） 静电骚扰抗扰度试验。 周围空气温度： 10 ℃ ～ 40 ℃ 电压： 8 kV 脉冲群： 水平 4 级 （ 4） 快速脉冲群抗扰度试验。 对带通信接口智能型控制器在试验同时进行 “四遥”验证，遥 测、遥 调、遥 控、遥 信 试 验 均 正 确 无误。
XU Yi’an1 ， XU Yongbing2 （ 1． Shanghai JINGYI Electrical Apparatus Factory Co． ，Ltd． ，Shanghai 201700，China； ）
2． Jiangsu CHNE Electric Apparatus Co． ，Ltd． ，Suzhou 215000，China）
Abstract： This paper introduced a design of 16 bit single chip microcomputer intelligent controller for a new generation of moulded case circuit breaker （ MCCB） ，to protecte circuits and equipments from failures originated from overload，short circuit，and Biblioteka Baidurounding． It also enabled field parameter setting and on-off operation control， and realize bi-directional data transmission based on fieldbus technology．
（ 2） 电磁兼容试验是型式试验中强制性项 目。软件设计采用冗余技术，软、硬件都设有“看 门狗”，采用自诊断、自动恢复等方法确保软件程 序不“死机”、不“跑飞”； 瞬动峰值采样时，进行剔 除突变干扰处理，确保动作可靠。
（ 3） 由于 MCCB 的体积比较小，势必要求控 制器的体积也要小，并且性价比要高。本系列智 能型控制器采用 SMT 表贴技术和波峰焊技术，使 用集成度较高的器件，一方面为规模生产提供了 条件，另一方面也为成本下降创造了空间。
传统的 MCCB 的保护功能由欠压脱扣器、过 电 流 脱 扣 器、分 励 脱 扣 器 等 各 种 脱 扣 器 来 实 现。 欠压脱扣器用来监视工作电压的波动，当电网电 压降至 70% ～ 35% 额定电压或电网发生故障时， 断路器可立即分断； 在电源电压低于 35% 额定电 压时，能防止断路器闭合； 带延时动作的欠压脱扣 器，可防止因负荷陡升引起的电压波动而造成断
路器不适当地分断。分励脱扣器用于远距离分断 断路器。
传统的 MCCB 采用热动式脱扣控制方式，利 用负荷电流的热效应，使双金属片受热弯曲产生 变形控制脱扣。由于双金属片的外形结构和热变 形精度难以保证，因而断路器脱扣延时时间难以 精确控制，断路器断流精度不高。同时，其还有功 能不完善的缺点，如缺相故障无法判定、引起断路 器故障的原因用户无法知道、维修不便等。
1． 1 硬件设计 采用 16 位低功耗单片机为核心的智能型控
制器的工作原理框图如图 1 所示。
感应的二次电流输出与一次母线电流成正比。为 了提高精度和采样分辨率，把信号分为小信号和 大信号 2 组。对于小信号，利用硬件电路进行放 大处理； 而大信号，经跟随隔离后直接输入。N 相 一般电流较小，需经放大处理。A、B、C 三相大信 号、三相小信号和 N 相信号共 7 路模拟信号输入 A / D 采样口，信号采样处理周期为 0． 5 ms。瞬动 短路故障采用峰值采样，考虑抗尖峰干扰，信号处 理时间为双周期 1 ms，最长捕捉到故障信号的时 间为 5 ms，硬件抗干扰 2 ～ 3 ms。这样，总体上瞬 动处理到执行的时间为 7 ～ 8 ms。短路故障电流 较大时，瞬动处理较快。一般，过载长延时、过流 短延时、N 相保护采用有效值处理，以 20 ms 为一 个周期，受电网信号变化、畸变谐波等影响较小； 在电机保护中可避开起动过程中波形畸变，实施 可靠保护。信号采集原理框图如图 3 所示。
图 1 智能型控制器工作原理框图
（ 1） 电源。电流互感器供电，又称自生电源 或 者 自 供 电，是 断 路 器 所 特 有 的 一 种 供 电 方 式。 单独使用时，可省去供电电路，节省成本，且可以 随电网的接通自动开始工作，是一种理想的供电 方式［2］。电源为自生电源，通过铁心电流互感器 TA 从三相供电线路感应能量供控制器工作。该 电源只与通过母线电流有关，当三相运行电流达 到 0． 1 In 或单相运行电流达到 0． 2 In 时，控制器 即可靠工作； 当三相运行电流过大时，即电源能量 过高时，控制器会自动泄放电源能量，保证工作电 源的稳定性，防止电子器件由于电压过高导致损 坏。电源部分结构框图如图 2 所示。
徐拥兵（ 1974—） ，男，工程师，主要从事智能控制器研究。
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·智能电器·
低压电器（ 2012No． 18）
技术的数据传送双向通信功能，达到遥信、遥测、 遥调和遥控的目的，使之更符合电力系统信息化、 智能化和网络化的要求，且新一代 MCCB 将逐步 实现限流选择性保护［1］。
1 智能型控制器的结构和性能
— 20 —
40 个采样点。由于采样频率为 2 kHz，信号频率 为 50 Hz，其倍比关系为 40 倍，而采样不失真要求 8 倍以上，故智能型控 制 器 可 实 现 不 失 真 采 样。 特大短路电流保护要求灵敏度高，采用即采即比 的方法，即峰值采样处理，并考虑了抗尖峰干扰处 理。延时保护特性精度要求较高，需尽量避免畸 变信号的影响，故在采样中断中保存采样值，供主 程序进行有效值变换处理。 1． 3 现场总线技术的应用
关键词： 塑壳断路器； 智能型控制器； 自生电源； 现场总线 中图分类号： TM 561 文献标志码： A 文章编号： 1001-5531（ 2012） 18-0018-05
徐 颐 安 （ 1953—） ， 男，工 程 师，主 要 从 事塑 壳 断 路 器 的 研究。
Intelligent Controller for New Generation of Moulded Case Circuit Breaker
（ 1） 智能控制器采用了目前最先进的微处理 器，主芯片 不 仅 包 含 了 CPU，还 有 A / D 转 换 器、 EPROM、看门狗 电 路 和 带 驱 动 能 力 的 接 口 电 路， 体积小，适用于 － 40 ℃ ～ 85 ℃ 工业场合。这样不 仅给设计带来了方便，而且缩短了总线引出长度， 增强了控制器的可靠性和稳定性。
（ 4） 由于电子器件的工作受温度影响较大， 因而在控制器生产过程中需对控制器进行高 （ 70 ± 5 ℃ ） 、低温（ － 25 ± 5 ℃ ） 各 4 h 老化试验。 与此同时，对控制器的动作特性和不动作性进行 验证，通过高、低温严酷等级电老化，元器件中质 量不稳定、温漂大和线路虚焊等现象器件均能被 筛选出来； 高、低温合格的产品放入 40 ℃ 培养箱 中进行 7 昼夜试运行干热试验，最终合格的产品 再通过控制器微机综合检测系统自动检测。
随着智能化技术和现场总线技术在低压配电 系统 中 的 运 用，势 必 要 求 MCCB 进 行 智 能 化 处 理。本设计的智能型控制器设计方案能达到过载 长延时保护，短 路 短 延 时 保 护，短 路 瞬 时 保 护，N 相保护，漏电保护，试验、故障记忆，负载监控及过 载报警，故障光隔信号输出； 可实现基于现场总线
软件分为主程序和中断程序两大部分。主程 序包括通信处理、故障处理、显示处理和能量记忆 处理等子程序。中断程序包括键盘中断、通信中 断、定时器中断。中断优先级从高到低为定时器、
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低压电器（ 2012No． 18）
·智能电器·
键盘、通信。 （ 1） 智能型控制器主程序流程如图 4 所示。
图 4 智能型控制器主程序流程
随着计算机技术和微电子技术的迅速发展， 实现 变 电、配 电 和 用 电 无 人 值 守，实 现 远 端 的 监 测、控制也成为可能。国外的 MCCB 也多采用现 场总线技术，以 Modbus 协议为主。本系列控制 器也采用了 Modbus 协议，为未来配电自动化控 制提供了可扩展的空间，实现基于现场总线技术 的数据传送双向通信功能。 1． 4 抗干扰和可靠性措施
图 2 电源部分结构框图
（ 2） 信号采集电路。控制器的信号同样取于 套在母线上铁心电流互感器 TA 的二次输出，其
图 3 信号采集原理框图
（ 3） 显示和键盘电路。智能型控制器采用发 光管组成光柱来指示电流的负载率（ 可选数码管 显示三相电流、保护参数定值等） ，同时采用米粒 开关或编码开关整定参数。对显示采用动态扫 描，0． 5 ms 循环一次。
低压电器（ 2012No． 18）
·智能电器·
新一代塑壳断路器用 智能型控制器
徐颐安1 ， 徐拥兵2 （ 1． 上海精益电器厂有限公司，上海 201700； 2． 江苏创能电器有限公司，江苏 苏州 215000）
摘 要： 介绍了一种以 16 位单片机为核心，用于新一代塑壳断路器的智能型控制 器设计方案。它可实现线路保护及电源设备免受过载、短路、接地等故障的危害，能实 现参数现场可整定和合 / 分闸操作控制功能，还具有实现基于现场总线技术的数据传 送双向通信功能。
Key words： moulded case circuit breaker（ MCCB） ； intelligent controller； autogenous power； fieldbus
0引言
在低 压 配 电 系 统 中，塑 壳 断 路 器 （ Moulded Case Circuit Breaker，MCCB） 一般可用于配电馈 线控制和保护、小型配电变压器的低压侧出线总 开关、动力配电终端控制和保护以及住宅配电终 端控 制 和 保 护，也 可 用 于 各 种 生 产 机 械 的 电 源 开关。
3 智能型控制器特点
3． 1 智能型 MCCB 与热磁式 MCCB 比较 （ 1） 新 一 代 智 能 型 MCCB 的 工 作 温 度 为
（ 2） 通信子程序流程。通信子程序流程如 图 5所示。通信采用 RS-485 总线，半双工方式， 波特率 19 200 b / s，数据位 8 位，奇校验方式。由 于采用 16 位低功耗 CPU，硬件支持和处理速度较 快、可靠性高、设计较为方便。
图 5 通信子程序流程
（ 3） 定时器中断。定时器中断构成信号采样 周期，其中断周期为 0． 5 ms，每一周波（ 20 ms） 为
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低压电器（ 2012No． 18）
（ 5） 在原理设计和线路板设计时，使用先进 的电子设计软件 Protel 2000 进行设计，并且在线 路板制板前均进行了计算机模拟仿真，排除许多 因元件布置不合理造成的不稳定因素。
2 试验情况
试验项目主要是电磁兼容试验和特性试验。 电磁兼 容 试 验 按 国 际 标 准 IEC 6100-4 系 列 和 GB / T 22710—2008 进行下述试验。
（ 1） 传导瞬变和高频骚扰抗扰度试验。 周围空气温度： 10 ℃ ～ 40 ℃ 脉冲群： 水平 4 级 （ 2） 抗电磁场干扰试验。 周围空气温度： 10 ℃ ～ 40 ℃ 电压： 10 V / m，80 ～ 1 000 MHz 脉冲群： 水平 3 级 （ 3） 静电骚扰抗扰度试验。 周围空气温度： 10 ℃ ～ 40 ℃ 电压： 8 kV 脉冲群： 水平 4 级 （ 4） 快速脉冲群抗扰度试验。 对带通信接口智能型控制器在试验同时进行 “四遥”验证，遥 测、遥 调、遥 控、遥 信 试 验 均 正 确 无误。
XU Yi’an1 ， XU Yongbing2 （ 1． Shanghai JINGYI Electrical Apparatus Factory Co． ，Ltd． ，Shanghai 201700，China； ）
2． Jiangsu CHNE Electric Apparatus Co． ，Ltd． ，Suzhou 215000，China）
Abstract： This paper introduced a design of 16 bit single chip microcomputer intelligent controller for a new generation of moulded case circuit breaker （ MCCB） ，to protecte circuits and equipments from failures originated from overload，short circuit，and Biblioteka Baidurounding． It also enabled field parameter setting and on-off operation control， and realize bi-directional data transmission based on fieldbus technology．
（ 2） 电磁兼容试验是型式试验中强制性项 目。软件设计采用冗余技术，软、硬件都设有“看 门狗”，采用自诊断、自动恢复等方法确保软件程 序不“死机”、不“跑飞”； 瞬动峰值采样时，进行剔 除突变干扰处理，确保动作可靠。
（ 3） 由于 MCCB 的体积比较小，势必要求控 制器的体积也要小，并且性价比要高。本系列智 能型控制器采用 SMT 表贴技术和波峰焊技术，使 用集成度较高的器件，一方面为规模生产提供了 条件，另一方面也为成本下降创造了空间。
传统的 MCCB 的保护功能由欠压脱扣器、过 电 流 脱 扣 器、分 励 脱 扣 器 等 各 种 脱 扣 器 来 实 现。 欠压脱扣器用来监视工作电压的波动，当电网电 压降至 70% ～ 35% 额定电压或电网发生故障时， 断路器可立即分断； 在电源电压低于 35% 额定电 压时，能防止断路器闭合； 带延时动作的欠压脱扣 器，可防止因负荷陡升引起的电压波动而造成断
路器不适当地分断。分励脱扣器用于远距离分断 断路器。
传统的 MCCB 采用热动式脱扣控制方式，利 用负荷电流的热效应，使双金属片受热弯曲产生 变形控制脱扣。由于双金属片的外形结构和热变 形精度难以保证，因而断路器脱扣延时时间难以 精确控制，断路器断流精度不高。同时，其还有功 能不完善的缺点，如缺相故障无法判定、引起断路 器故障的原因用户无法知道、维修不便等。
1． 1 硬件设计 采用 16 位低功耗单片机为核心的智能型控
制器的工作原理框图如图 1 所示。
感应的二次电流输出与一次母线电流成正比。为 了提高精度和采样分辨率，把信号分为小信号和 大信号 2 组。对于小信号，利用硬件电路进行放 大处理； 而大信号，经跟随隔离后直接输入。N 相 一般电流较小，需经放大处理。A、B、C 三相大信 号、三相小信号和 N 相信号共 7 路模拟信号输入 A / D 采样口，信号采样处理周期为 0． 5 ms。瞬动 短路故障采用峰值采样，考虑抗尖峰干扰，信号处 理时间为双周期 1 ms，最长捕捉到故障信号的时 间为 5 ms，硬件抗干扰 2 ～ 3 ms。这样，总体上瞬 动处理到执行的时间为 7 ～ 8 ms。短路故障电流 较大时，瞬动处理较快。一般，过载长延时、过流 短延时、N 相保护采用有效值处理，以 20 ms 为一 个周期，受电网信号变化、畸变谐波等影响较小； 在电机保护中可避开起动过程中波形畸变，实施 可靠保护。信号采集原理框图如图 3 所示。
图 1 智能型控制器工作原理框图
（ 1） 电源。电流互感器供电，又称自生电源 或 者 自 供 电，是 断 路 器 所 特 有 的 一 种 供 电 方 式。 单独使用时，可省去供电电路，节省成本，且可以 随电网的接通自动开始工作，是一种理想的供电 方式［2］。电源为自生电源，通过铁心电流互感器 TA 从三相供电线路感应能量供控制器工作。该 电源只与通过母线电流有关，当三相运行电流达 到 0． 1 In 或单相运行电流达到 0． 2 In 时，控制器 即可靠工作； 当三相运行电流过大时，即电源能量 过高时，控制器会自动泄放电源能量，保证工作电 源的稳定性，防止电子器件由于电压过高导致损 坏。电源部分结构框图如图 2 所示。
徐拥兵（ 1974—） ，男，工程师，主要从事智能控制器研究。
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低压电器（ 2012No． 18）
技术的数据传送双向通信功能，达到遥信、遥测、 遥调和遥控的目的，使之更符合电力系统信息化、 智能化和网络化的要求，且新一代 MCCB 将逐步 实现限流选择性保护［1］。
1 智能型控制器的结构和性能
— 20 —
40 个采样点。由于采样频率为 2 kHz，信号频率 为 50 Hz，其倍比关系为 40 倍，而采样不失真要求 8 倍以上，故智能型控 制 器 可 实 现 不 失 真 采 样。 特大短路电流保护要求灵敏度高，采用即采即比 的方法，即峰值采样处理，并考虑了抗尖峰干扰处 理。延时保护特性精度要求较高，需尽量避免畸 变信号的影响，故在采样中断中保存采样值，供主 程序进行有效值变换处理。 1． 3 现场总线技术的应用
关键词： 塑壳断路器； 智能型控制器； 自生电源； 现场总线 中图分类号： TM 561 文献标志码： A 文章编号： 1001-5531（ 2012） 18-0018-05
徐 颐 安 （ 1953—） ， 男，工 程 师，主 要 从 事塑 壳 断 路 器 的 研究。
Intelligent Controller for New Generation of Moulded Case Circuit Breaker
（ 1） 智能控制器采用了目前最先进的微处理 器，主芯片 不 仅 包 含 了 CPU，还 有 A / D 转 换 器、 EPROM、看门狗 电 路 和 带 驱 动 能 力 的 接 口 电 路， 体积小，适用于 － 40 ℃ ～ 85 ℃ 工业场合。这样不 仅给设计带来了方便，而且缩短了总线引出长度， 增强了控制器的可靠性和稳定性。
（ 4） 由于电子器件的工作受温度影响较大， 因而在控制器生产过程中需对控制器进行高 （ 70 ± 5 ℃ ） 、低温（ － 25 ± 5 ℃ ） 各 4 h 老化试验。 与此同时，对控制器的动作特性和不动作性进行 验证，通过高、低温严酷等级电老化，元器件中质 量不稳定、温漂大和线路虚焊等现象器件均能被 筛选出来； 高、低温合格的产品放入 40 ℃ 培养箱 中进行 7 昼夜试运行干热试验，最终合格的产品 再通过控制器微机综合检测系统自动检测。
随着智能化技术和现场总线技术在低压配电 系统 中 的 运 用，势 必 要 求 MCCB 进 行 智 能 化 处 理。本设计的智能型控制器设计方案能达到过载 长延时保护，短 路 短 延 时 保 护，短 路 瞬 时 保 护，N 相保护，漏电保护，试验、故障记忆，负载监控及过 载报警，故障光隔信号输出； 可实现基于现场总线
软件分为主程序和中断程序两大部分。主程 序包括通信处理、故障处理、显示处理和能量记忆 处理等子程序。中断程序包括键盘中断、通信中 断、定时器中断。中断优先级从高到低为定时器、
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低压电器（ 2012No． 18）
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键盘、通信。 （ 1） 智能型控制器主程序流程如图 4 所示。
图 4 智能型控制器主程序流程
随着计算机技术和微电子技术的迅速发展， 实现 变 电、配 电 和 用 电 无 人 值 守，实 现 远 端 的 监 测、控制也成为可能。国外的 MCCB 也多采用现 场总线技术，以 Modbus 协议为主。本系列控制 器也采用了 Modbus 协议，为未来配电自动化控 制提供了可扩展的空间，实现基于现场总线技术 的数据传送双向通信功能。 1． 4 抗干扰和可靠性措施
图 2 电源部分结构框图
（ 2） 信号采集电路。控制器的信号同样取于 套在母线上铁心电流互感器 TA 的二次输出，其
图 3 信号采集原理框图
（ 3） 显示和键盘电路。智能型控制器采用发 光管组成光柱来指示电流的负载率（ 可选数码管 显示三相电流、保护参数定值等） ，同时采用米粒 开关或编码开关整定参数。对显示采用动态扫 描，0． 5 ms 循环一次。
低压电器（ 2012No． 18）
·智能电器·
新一代塑壳断路器用 智能型控制器
徐颐安1 ， 徐拥兵2 （ 1． 上海精益电器厂有限公司，上海 201700； 2． 江苏创能电器有限公司，江苏 苏州 215000）
摘 要： 介绍了一种以 16 位单片机为核心，用于新一代塑壳断路器的智能型控制 器设计方案。它可实现线路保护及电源设备免受过载、短路、接地等故障的危害，能实 现参数现场可整定和合 / 分闸操作控制功能，还具有实现基于现场总线技术的数据传 送双向通信功能。
Key words： moulded case circuit breaker（ MCCB） ； intelligent controller； autogenous power； fieldbus
0引言
在低 压 配 电 系 统 中，塑 壳 断 路 器 （ Moulded Case Circuit Breaker，MCCB） 一般可用于配电馈 线控制和保护、小型配电变压器的低压侧出线总 开关、动力配电终端控制和保护以及住宅配电终 端控 制 和 保 护，也 可 用 于 各 种 生 产 机 械 的 电 源 开关。
3 智能型控制器特点
3． 1 智能型 MCCB 与热磁式 MCCB 比较 （ 1） 新 一 代 智 能 型 MCCB 的 工 作 温 度 为