智能断路器的硬件设计及抗干扰措施
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２．中央处理单元 本设计中的 Ｃ Ｐ Ｕ 芯片采用 Ｍ Ｉ Ｃ Ｒ Ｏ Ｃ Ｈ Ｉ Ｐ 公司的 ＰＩＣ１６Ｃ７１１ 单片机，其基本特性为：片内 ＲＯＭ １ＫＢ、定时器、 ＨＣＭＯＳ 技术，低功耗，逐次逼近，转换时间最小 １０ μ ｓ。１３ 个 Ｉ／Ｏ 接口、工作电压＋ ５ Ｖ、计算机操作正常监控（ＷＡＴＣＨ ＤＯＧ）、Ｉ／Ｏ直接驱动发光二极管，在开发中使用可擦除ＲＯＭ， 可以大大提高开发速度，降低开发成本。 ３．键盘显示电路 键盘显示电路采用串行接口的７２８１芯片，该芯片通过外 接移位寄存器７４ＨＣ１６４，最多可以控制１６位数码管或１２８只 独立ＬＥＤ，其驱动输出极性和输出时序均为软件可控，从而 可以和各种驱动电路配合。同时，７２８１芯片不仅可以控制各 显示位闪烁属性和闪烁频率，而且可以最多连接６４键的键盘 矩阵，键盘为互锁式，内部具有消抖动功能。此外，７２８１ 芯 片采用高速二线接口与ＣＰＵ通信，只占用很少的Ｉ／Ｏ口和ＣＰＵ 时间。 ４．执行元件 智能型断路器适宜采用低能量螺管式分励脱扣器作为执 行元件，结构原理如附图所示。
２）传输低电平信号的变压器采用环形磁路和对称绕组，
以提高抗干扰能力。
３）合理布线，使数字电路地和模拟电路地共点地为悬浮
工作方式，即系统各回路的基准电位互相连接在一起而不与
大地相连，这样系统有较强的抗干扰能力。
４）模拟电路地和数字电路地分开接地，最后再汇合到一
来自百度文库
点，这是因为斩波泄放电路在启动工作后，出现很高的瞬态
EA 应用与方案 供配用电
文 ／ 曹沛雯 许 伟
智能断路器的硬件设计及抗干扰措施
近几年由于国家电力系统进行改造，各种配电系统对电器保护精度的要 求越来越高，对电器的控制要求越来越多，随着计算机技术和自动化控制在 电力系统中的广泛应用，开发系列智能型断路器是非常必要的。
智能型断路器是指采用了智能脱扣器的断路器，智能脱 扣器取代传统“磁热”式的设计对线路进行监控，完 成线路过载、欠压、断相时的保护，使断路器实现了遥测、遥 控、遥信和遥调等功能。现在智能脱扣器都将单片机、ＤＳＰ、 ＭＣＵ 等微处理器应用到断路器当中，作为逻辑处理的基础。
Ｗ —— 一次侧匝数，通常 Ｗ ＝１；
１
１
Ｗ —— 二次侧匝数。 ２
（２）输入保护环节
由于电流的测量范围很大，而微处理器Ａ／Ｄ转换参考
电压一般很小，本项目采用 ＣＹＧＮＡＬ 公司的 Ｃ８０５１ 芯片
作为ＣＰＵ芯片，其Ａ／Ｄ转换范围为０～３．３ Ｖ ，如果输入电
信号幅值超过３．３ Ｖ，将会损坏 Ｃ８０５１芯片。如果将所有
电电源源
整流滤波
稳压
欠欠压压
信号 信信号号 检测 比比较较
长延时
短延时
瞬时
触触发发
执执行行 元元件件
智能脱扣器硬件抗干扰
影响智能脱扣器的干扰源有：用电设备的浪涌电流，对
讲机、手机等产生的射频辐射，智能脱扣器内部的开关电源
和斩波释放电路等。这些干扰源的存在导致程序死掉，或电
流电压等参数显示不准确并导致判断错误，进而引起脱扣器
链 接 相关文章 新型智能低压断路器
——《电气时代》２００５ 年第 ７期 智能型万能式断路器在供配电系统中的应用
——《电气时代》２００５ 年第 ９期 智能化断路器的软硬件设计与实现
——《电气时代》２００６ 年第 ３期
电气时代 ２００６ 年第 ６ 期 ｜ 101
智能脱扣器的硬件设计
根据智能脱扣器所要实现的功能，硬件可以分为中央处
理单元、信号采样、按键显示、通信电路、执行元件等几个
部分。
１．信号采样
信号采样电路实现的功能是：将外部的电流、电压信号
经变换后送到微处理器Ａ／Ｄ采样口。在这些环节要注意以下
几个问题。
（１）电流互感器
主电路的电流信号经过信号检测环节的电流互感器、滤
也会出现线性失真，测量误差大。然而智能脱扣器电流测量
范围从几百安到几十千安，变化范围很大，要想在整个测量
范围内不失线性，最好采用两种类型互感器相互结合的方法。
由下式可得二次侧匝数
Ｗ２＝Ｗ１×Ｉ１／Ｉ２
式中 Ｉ１—— 一次电流；
Ｉ２—— 二次电流；
误动作。为了减少干扰的影响，需要采取相应措施。
采取的措施有：
１）在实际设计情况中，欲使实际电流比接近于匝数比，铁
心的截面积应足够大，磁路的平均长度应尽量短，选用高导
磁系数的材料，二次绕组的电感抗与电阻愈小愈好。当选用
高导磁的冷轧硅钢片，如Ｄ３２０时，铁心必须退火。磁感应强
度不宜选得太高，以减少误差。
信号不失真。
８） 对回路布线采用双绞线，减小磁场干扰。
智能化开关同普通磁热式开关相比较拥有优良的保护特
性及稳定的温升，对电路的保护更为精密，电力系统对高质
量的智能型断路器的需求正在以每年几倍的速度增长，市场
潜力很大。EA
（收稿日期：２００６．０３．１２）
附 图
永久磁铁产生的磁通流经磁轭和衔铁而生成的吸力正好 克服压缩弹簧产生的张力，使衔铁处于吸和状态。当执行电 路接收到ＣＰＵ发出的脉冲控制信号时，线圈中流过高于门槛 值的触发电流，产生与永久磁铁相抵消的磁通，使衔铁释放 动作。这种磁通变换器利用磁转移原理动作，线圈吸引功率 相当小，非常适合应用于受体积限制而输出功率小的塑壳式 断路器。
智能型断路器发展趋势之一是功能越来越多，除了传统 的脱扣功能外，还有脱扣前报警功能、线路参数检测功能以 及试验功能。 提高了断路器的保护精度，改变了传统的“粗线 条”保护，使设备、线路能得到真正的精确保护。
（１）具有对线路的监测能力 采用微型计算机进行控制，能准确检测电力线路的运行 情况，并能准确地切除过载、短路等各种故障，还能按照运 行人员的要求进行各种操作。 （２）具有对断路器本身进行检测和对故障的自诊断能力， 做出相应的报警甚至动作 （３）控制技术的智能化 将模糊控制理论应用到整个控制当中，既提高了保护精 度又增加了抗干扰能力。用户可以方便地调整保护曲线，使 其适用于不同的保护线路。 （４）具有通信功能 智能型断路器具有通信功能，与上位机之间进行通信， 可以上传电流、故障状态、断路器状态等信息。同时上位机 可以对断路器进行保护曲线的整定。 另外一种趋势是采用现场总线技术，把设备的网络化作 为近期目标。
波器转变为线性的正比于主电路电流的直流电压信号。其转
换的线性和精度将直接影响关键数据的可信度，这些数据是
智能脱扣器工作的基础。常用的电流互感器有铁心和空心两
种，铁心型互感器在处理小电流时线性度很好，但大电流时
铁心容易饱和，从而出现线性失真，测量范围小；空心型在
处理大电流时线性度好，测量范围广，但小电流时易受干扰，
干扰，把逻辑地（主机）和模拟地（Ａ／Ｄ）分开后，这一干扰就降
到很低。
５）在稳压电源、隔离变压器后侧安装滤波电路，能使火
线与零线中的干扰电流得到衰减。
６）芯片的选择上，尽可能采用体积小的芯片封装，由于贴
片封装比直插封装体积小，抗干扰能力强，因此选择贴片封装。
７）硬件电路应采用多级跟随器和高频滤波电路，以保证
100 ｜ 电气时代 ２００６ 年第６ 期
供配用电 EA 应用与方案
的电信号幅值都降到３．３ Ｖ 以下，那么Ａ／Ｄ转换的精度将 大大降低，为后面的数据处理带来很大的麻烦。本设计中 采用多量程转换的方法，每一种量程中信号送到Ａ／Ｄ转换 口的幅值最大值都稍小于３．３ Ｖ，硬件上根据信号幅值大小 采用不同的输送通道，当然实现这个功能还需要软件上面 的判断。
２）传输低电平信号的变压器采用环形磁路和对称绕组，
以提高抗干扰能力。
３）合理布线，使数字电路地和模拟电路地共点地为悬浮
工作方式，即系统各回路的基准电位互相连接在一起而不与
大地相连，这样系统有较强的抗干扰能力。
４）模拟电路地和数字电路地分开接地，最后再汇合到一
来自百度文库
点，这是因为斩波泄放电路在启动工作后，出现很高的瞬态
EA 应用与方案 供配用电
文 ／ 曹沛雯 许 伟
智能断路器的硬件设计及抗干扰措施
近几年由于国家电力系统进行改造，各种配电系统对电器保护精度的要 求越来越高，对电器的控制要求越来越多，随着计算机技术和自动化控制在 电力系统中的广泛应用，开发系列智能型断路器是非常必要的。
智能型断路器是指采用了智能脱扣器的断路器，智能脱 扣器取代传统“磁热”式的设计对线路进行监控，完 成线路过载、欠压、断相时的保护，使断路器实现了遥测、遥 控、遥信和遥调等功能。现在智能脱扣器都将单片机、ＤＳＰ、 ＭＣＵ 等微处理器应用到断路器当中，作为逻辑处理的基础。
Ｗ —— 一次侧匝数，通常 Ｗ ＝１；
１
１
Ｗ —— 二次侧匝数。 ２
（２）输入保护环节
由于电流的测量范围很大，而微处理器Ａ／Ｄ转换参考
电压一般很小，本项目采用 ＣＹＧＮＡＬ 公司的 Ｃ８０５１ 芯片
作为ＣＰＵ芯片，其Ａ／Ｄ转换范围为０～３．３ Ｖ ，如果输入电
信号幅值超过３．３ Ｖ，将会损坏 Ｃ８０５１芯片。如果将所有
电电源源
整流滤波
稳压
欠欠压压
信号 信信号号 检测 比比较较
长延时
短延时
瞬时
触触发发
执执行行 元元件件
智能脱扣器硬件抗干扰
影响智能脱扣器的干扰源有：用电设备的浪涌电流，对
讲机、手机等产生的射频辐射，智能脱扣器内部的开关电源
和斩波释放电路等。这些干扰源的存在导致程序死掉，或电
流电压等参数显示不准确并导致判断错误，进而引起脱扣器
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——《电气时代》２００５ 年第 ７期 智能型万能式断路器在供配电系统中的应用
——《电气时代》２００５ 年第 ９期 智能化断路器的软硬件设计与实现
——《电气时代》２００６ 年第 ３期
电气时代 ２００６ 年第 ６ 期 ｜ 101
智能脱扣器的硬件设计
根据智能脱扣器所要实现的功能，硬件可以分为中央处
理单元、信号采样、按键显示、通信电路、执行元件等几个
部分。
１．信号采样
信号采样电路实现的功能是：将外部的电流、电压信号
经变换后送到微处理器Ａ／Ｄ采样口。在这些环节要注意以下
几个问题。
（１）电流互感器
主电路的电流信号经过信号检测环节的电流互感器、滤
也会出现线性失真，测量误差大。然而智能脱扣器电流测量
范围从几百安到几十千安，变化范围很大，要想在整个测量
范围内不失线性，最好采用两种类型互感器相互结合的方法。
由下式可得二次侧匝数
Ｗ２＝Ｗ１×Ｉ１／Ｉ２
式中 Ｉ１—— 一次电流；
Ｉ２—— 二次电流；
误动作。为了减少干扰的影响，需要采取相应措施。
采取的措施有：
１）在实际设计情况中，欲使实际电流比接近于匝数比，铁
心的截面积应足够大，磁路的平均长度应尽量短，选用高导
磁系数的材料，二次绕组的电感抗与电阻愈小愈好。当选用
高导磁的冷轧硅钢片，如Ｄ３２０时，铁心必须退火。磁感应强
度不宜选得太高，以减少误差。
信号不失真。
８） 对回路布线采用双绞线，减小磁场干扰。
智能化开关同普通磁热式开关相比较拥有优良的保护特
性及稳定的温升，对电路的保护更为精密，电力系统对高质
量的智能型断路器的需求正在以每年几倍的速度增长，市场
潜力很大。EA
（收稿日期：２００６．０３．１２）
附 图
永久磁铁产生的磁通流经磁轭和衔铁而生成的吸力正好 克服压缩弹簧产生的张力，使衔铁处于吸和状态。当执行电 路接收到ＣＰＵ发出的脉冲控制信号时，线圈中流过高于门槛 值的触发电流，产生与永久磁铁相抵消的磁通，使衔铁释放 动作。这种磁通变换器利用磁转移原理动作，线圈吸引功率 相当小，非常适合应用于受体积限制而输出功率小的塑壳式 断路器。
智能型断路器发展趋势之一是功能越来越多，除了传统 的脱扣功能外，还有脱扣前报警功能、线路参数检测功能以 及试验功能。 提高了断路器的保护精度，改变了传统的“粗线 条”保护，使设备、线路能得到真正的精确保护。
（１）具有对线路的监测能力 采用微型计算机进行控制，能准确检测电力线路的运行 情况，并能准确地切除过载、短路等各种故障，还能按照运 行人员的要求进行各种操作。 （２）具有对断路器本身进行检测和对故障的自诊断能力， 做出相应的报警甚至动作 （３）控制技术的智能化 将模糊控制理论应用到整个控制当中，既提高了保护精 度又增加了抗干扰能力。用户可以方便地调整保护曲线，使 其适用于不同的保护线路。 （４）具有通信功能 智能型断路器具有通信功能，与上位机之间进行通信， 可以上传电流、故障状态、断路器状态等信息。同时上位机 可以对断路器进行保护曲线的整定。 另外一种趋势是采用现场总线技术，把设备的网络化作 为近期目标。
波器转变为线性的正比于主电路电流的直流电压信号。其转
换的线性和精度将直接影响关键数据的可信度，这些数据是
智能脱扣器工作的基础。常用的电流互感器有铁心和空心两
种，铁心型互感器在处理小电流时线性度很好，但大电流时
铁心容易饱和，从而出现线性失真，测量范围小；空心型在
处理大电流时线性度好，测量范围广，但小电流时易受干扰，
干扰，把逻辑地（主机）和模拟地（Ａ／Ｄ）分开后，这一干扰就降
到很低。
５）在稳压电源、隔离变压器后侧安装滤波电路，能使火
线与零线中的干扰电流得到衰减。
６）芯片的选择上，尽可能采用体积小的芯片封装，由于贴
片封装比直插封装体积小，抗干扰能力强，因此选择贴片封装。
７）硬件电路应采用多级跟随器和高频滤波电路，以保证
100 ｜ 电气时代 ２００６ 年第６ 期
供配用电 EA 应用与方案
的电信号幅值都降到３．３ Ｖ 以下，那么Ａ／Ｄ转换的精度将 大大降低，为后面的数据处理带来很大的麻烦。本设计中 采用多量程转换的方法，每一种量程中信号送到Ａ／Ｄ转换 口的幅值最大值都稍小于３．３ Ｖ，硬件上根据信号幅值大小 采用不同的输送通道，当然实现这个功能还需要软件上面 的判断。