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）