塑壳断路器电子脱扣器的设计与实现

塑壳断路器电子脱扣器的设计与实现
高辉
【摘要】随着科学技术的进步,电子脱扣器在部分使用范围内已逐步替代了热磁脱扣器。

提出了一种电子脱扣器的设计：采用电流互感器采集线路回路中的电流信号;采用液晶显示屏进行运行状态和运行参数的显示,同时结合输入按键完成电子脱扣器参数数据的连续设定。

实践证明,该电子脱扣器保护精度高,保护类型种类多,且具备通信、接地、漏电、区域联锁等功能,完全符合我国智能电网未来发展建设的需要。

【期刊名称】《电器与能效管理技术》
【年(卷),期】2016(000)011
【总页数】5页(P54-57,61)
【关键词】塑壳断路器;电子脱扣器;结构设计;电流互感器
【作者】高辉
【作者单位】天津市百利电气有限公司,天津300385
【正文语种】中文
【中图分类】TM561
断路器作为分配电能和保护线路及负载的重要电气元件，在配电系统中起着至关重要的作用［1］。

近几年，随着科学技术的进步，微电子技术水平的提高，断路器作为低压电器的主要元件，也由原来的第一代和第二代热磁式脱扣器发展到第三代电子式脱扣器。

另外，随着国民经济的高速发展，国家智能电网的建设，供电环境
日益复杂以及对供电质量、可靠性要求的不断提高，带有电子式脱扣器的断路器在部分使用范围内已逐步替代了热磁脱扣器的断路器［2-3］。

现有的电子脱扣器参数的输入途径普遍采用8421编码的拨动开关，其只能按照软件预先设定的挡位进行参数设定，已不能满足用电设备针对性、更精准的保护要求。

其次，对于运行参数和状态，现有的电子脱扣器只能使用发光二极管简单显示当前的电子脱扣器是否正常，像断路器各回路的电流数值，当前故障类型、故障延时剩余时间、故障电流等参数却无法显示。

最后，现有的电子脱扣器因为需要硬件电路支持率高（每个拨动开关都需要一部分电路以及微处理器的端口支持），所以体积一般比较大，很难保持电子脱扣器各规格的通用，加之使用的微处理器端口过多，也会增加产品成本。

鉴于此，设计了一套电子脱扣器。

该电子脱扣器采用电流互感器采集线路回路中的电流信号；采用液晶显示屏进行运行状态和运行参数的显示，同时结合输入按键完成电子脱扣器参数数据的连续设定。

生产实践证明，该电子脱扣器解决了现有电子脱扣器的弊端，完全符合我国智能电网建设未来发展的需要。

同时，当线路电流发生故障时，该电子脱扣器可根据预先设定，对故障电流进行判别，并根据用户需要进行报警输出或者通过断路器内部驱动元件将断路器主回路断开。

电子脱扣器作为断路器实现保护和控制的核心部件，其性能和可靠性直接影响着断路器的整体性能和质量。

因此，在其设计过程中除符合或高于我国低压电器强制标准外，还应满足以下要求：
（1）电子脱扣器主控板要保证在4个壳架等级电流下能通用，减小脱扣器种类，为降低成本和库存压力提供条件；
（2）在复杂的电磁环境中能可靠运行，并具有高抗干扰性；
（3）在电流互感器测量范围内，具有对互感器误差自动补偿的功能；
（4）具备过载长延时、短路短延时、短路瞬时、接地保护功能；
（5）具备四遥功能，即“遥信”、“遥调”、“遥控”、“遥测”功能；（6）参数设定实现无级调整，方便人员调整的参数输入。

电子脱扣器总体结构设计原理框图如图1所示。

电子脱扣器主要由互感器、电源电路、电流采样调理电路、微处理器、驱动输出与报警输出、键盘输入与屏幕输出和通信模块组成。

电流互感器设计图如图2所示。

图2（a）所示互感器安装于壳架等级电流为160 A和100 A的断路器内部，其铁心使用冷轧硅钢带绕制后缠绕绝缘层并绕制二次回路线圈；图2（b）所示互感器安装于壳架等级电流为250、400、630 A 的断路器内部，其电流互感器铁心使用冷轧硅钢片叠压形成，二次侧线圈绕制在专用骨架上。

断路器内部连通导体承载的电流作为电流互感器的一次电流。

电流互感器测量范围应为0.3~ 15倍的额定电流，在此区间其成本和精度保持最佳交叉点。

依据此条件，选择电流互感器变比，保证此区间内电流互感器线性度范围和误差在设计规定要求内。

因此，为保证电子脱扣器主板通用变比，利于电子脱扣器主板进行软件运算，一般选择一次侧为额定电流时，二次侧输出标准电流为70 mA。

本文选用的微处理器为DSPIC30Fxxxx，其具备改进型哈佛架构；优化的C编译器指令集；16 bit宽数据总线；最多144 KB的片内闪存程序空间，8 KB的片内数据RAM；最多4 KB的非易失性数据（EEPROM）；16×16 bit工作寄存器阵列，高达30MIPS的工作速度，附带一个DSP处理内核具备双数据读取功能；两个40 bit宽累加器，具有可选的饱和逻辑；17×17 bit单周期硬件乘法器；具备一个完整的DSP内核；高性能25 mA电流I/O引脚；支持7/10 bit两个可寻址缓冲器（FIF）的通用异步收发器（UART）模块，16个12 bit D/A转换器，转换速率可达200 kb/s，宽工作电压范围为2.5~5.5 V。

该电子脱扣器采用模块化设计方法，有助于简化设计并提高调试效率和成功率。

整
个硬件电路分为：电源电路、电流采样调理电路、输入输出和通信模块。

3.1 电源电路
电子脱扣器电源采用自生电源为主，辅助电源为辅的并联供电方式。

当没有接地或通信功能时，将不使用辅助供电电源。

电源电路如图3所示。

从图3可知，电流互感器二次侧输出经端子（JP1）通过整流二极管（B1）整流转换后，通过二极管（VD0），且单相导通。

电容（C1）进行滤波完成交流电流
源向直流电压源的初步转换，完成初级电源。

初级电源通过一个限流电阻（R1）
由稳压管（VD1）进行稳压，作为整个电源电路的比较基准电源电压，基准电源
电压通过电阻（R7）与电阻（R6）分压后接入比较器（U1）反相输入端作为基准电位。

初级电源通过电阻（R2）和电阻（R5）分压及电容（C3）滤波后作为电源采样信号输入到比较器（U1）同相输入端，比较器（U1）输出端通过电阻（R3）与电阻（R4）分压后驱动场效应管（VT1）导通或截止。

电源电路产生初级电压的具体工作方式如下：当互感器二次侧电流通过端子（JP1）进入电路，电路中的整流桥将电流源整流变为直流电压后通过二极管（VD0），
电容（C1）进行滤波后得到初级直流电压。

基准电路产生基准电压输入至比较器（U1），同时电压采样的电路电压同时进入比较器（U1），由集成电路进行比较后判断。

如果电压采样信号高于基准电源信号，比较器（U1）将输出高电平通过
电阻（R3）、电阻（R4）分压后驱动场效应管（VT1），VT1导通后进行泄流，
初级电压瞬间通过场效应管VT1短路电压降低，是电路接近预期的设定电压，
并保证初级电压的稳定。

如果当采集的电压信号低于基准电压电位时，比较器
（U1）输出低电位，VT1截止停止泄流，由互感器提供的能量不被泄流而全部提
供电路，促成初级电压升高，使之接近设定电压。

这样通过比较器（U1）输出高
低电位控制VT1的导通截止，对初级电压进行稳压，使初级电压处于平稳状态。

电源电路产生工作电压的具体工作方式如下：初级电压产生后通过二极管（VD2）
接入集成电路（U2）。

集成电路（U2）由电容（C5）、电感（L1）、稳压管（VD4）、电容（C6）、可变电阻（RV1）、电阻（R8）组成，电路网络产生稳
定的输出直流电源电压。

直流电源电压的幅值调整通过分压反馈网络（U1）提供
电压反馈电位。

分压反馈网络（U1）由可变电阻（RV1）及电阻（R8）组成。

反
馈电位输入至分压反馈网络（U1）集成电路的反馈端。

调节可变电阻（RV1）可
调节反馈电位，对输出电压幅值进行调整，得到预期的直流电源电压。

3.2 电流采样调理电路
由于电流互感器额定二次输出电流信号为70 mA，且微处理芯片内置A/D转换
器不能直接转换，因此需要通过调制电路转换为电压信号。

因空间体积限制，电流互感器铁心的硅钢材质本身具有一定的抗干扰能力，因此，信号调理电路采用无源低通滤波电路可以满足，并采用比例运算放大电路等方式提高信号的抗干扰能力。

电流采集回路原理图如图4所示。

电流互感器二次侧通过端子（JP1）接入整流桥，整流桥输出正端连接电源部分电路，串接一个负载电阻后接入系统参考地，将电流互感器二次侧电流变换为图5所示的电压信号。

信号调理电路原理图如图6所示。

低通滤波电路由电阻（R11）和电容（C10）组成，其主要功能为滤除主回路系统高频干扰。

电压信号（ua）经低通滤波电路，
进入两路反比例运算放大器电路，电路放大倍数为Uo=-（Rf/R）Ui。

因此，两路信号ub1和ub2分别为ua点电压的-4倍与-1倍，这样保证电子脱扣
器微处理器能够采集到0.3~ 15倍的二次电流。

信号调理电路输出电压波形图如图7所示。

3.3 输入输出
电子脱扣器输入参数采用点触式按键。

微处理器通过采集点触时，电位变化进行选择性输入各项参数，参数通过16×2字符型液晶屏将输入参数陆续显示，并通过
点触按键进行确认等操作。

电子脱扣器的运行状态同样通过16×2字符型液晶屏
显示各相电流有效值、故障状态和故障状态后的信息。

电子脱扣器的输出可分为报警和断路器驱动脱扣功能。

报警输出通过微处理器的端口控制光耦间接控制继电器动作，实现预过载报警、过载报警和故障保护报警信号输出功能。

驱动脱扣输出采用微处理器的端口控制场效应管接通磁通变换器，最终驱动断路器合分闸机构的方式进行。

3.4 通信模块
电子脱扣器的通信接口采用低压电器主流的Modbus-RTU通信规约，可直接通过通信端口与上位机进行通信。

当加装通信状态采集模块和驱动模块时，可实现四遥功能。

通信模块功能框图如图8所示。

本设计可在同一条总线上最多加装32台断路器。

电子脱扣器可匹配工业总线速
率为1.2、2.4、4.8、9.6 kb/s，并可通过输入/输出模块进行设置。

上位机可通过工业总线进行工作状态的强制设定及远程遥控，电子脱扣器设定参数的远程调整，断路器回路运行参数及状态的查询，以及远程视频监控的功能。

软件系统流程如图9所示。

电子脱扣器主要由主服务程序和中断服务程序两大部分组成。

主服务程序主要实现系统的初始化、特性参数的读取、键盘服务和屏幕显示。

中断服务程序实现各相电流采集及长延时、短延时、瞬时等保护和通信服务系统。

其中电流采样采用离散化数学公式：
软件在电流周期时间内，采集N=32次并利用式（1）进行计算，得出单相电流有效值。

本文设计的电子脱扣器较现有的电子脱扣器其保护精度更高，类型更完善，功能更强；其保护曲线可现场根据实际设备情况进行调整；另外可具备通信、接地、漏电、区域联锁等保护功能，是现有电子脱扣器所不具备的。

随着我国智能电网的建设和发展，低压电器必然向智能化、模块化、集成化、可通信的方向发展，电子式塑料
外壳式断路器正是符合发展潮流的一种新型的低压电器产品。

【相关文献】
［1］低压开关设备和控制设备第2部分：低压断路器：GB 14048.2—2008［S］.
［2］黄绍平，李永坚.低压断路器智能脱扣器的设计与实现［J］.工矿自动化，2004，3（2）：42-44.
［3］陈会林，宋政湘，刘永钢.一种新型塑壳断路器智能脱扣器的研制［J］.低压电器，2011（11）：19-23.
［4］高辉，韩婷.低压电器电子脱扣器检测装置的设计与实现［J］.电器与能效管理技术，2015（22）：24-26.。