智能漏電斷路器案例庫建設(shè)研究

李奎 張冠英 王堯

摘要：案例教學(xué)法將課堂教學(xué)與工程應(yīng)用相結(jié)合，有助于培養(yǎng)專業(yè)學(xué)位研究生的工程意識(shí)，提升實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。本文基于多年理論研究，結(jié)合科研實(shí)踐成果，以案例時(shí)效性、系統(tǒng)性和持續(xù)性為原則建立了智能漏電斷路器案例庫，為案例教學(xué)的發(fā)展提供了一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué)；智能漏電斷路器；案例庫建設(shè)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）14-0120-02

近年來我國的研究生專業(yè)學(xué)位教育蓬勃發(fā)展，實(shí)踐能力的培養(yǎng)是專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)工作的核心[1]，案例教學(xué)法讓學(xué)生深入到課程的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。以突出實(shí)用性和綜合性為目的，建設(shè)基于企業(yè)真實(shí)情境、融合科研應(yīng)用的教學(xué)案例庫，校企合作模式是建立案例庫的重要途徑[2]。

《電器智能化與電磁兼容技術(shù)》是為電氣工程專業(yè)研究生開設(shè)的一門專業(yè)技術(shù)課程，旨在幫助學(xué)生了解智能電網(wǎng)，掌握智能電器相關(guān)的基本理論與設(shè)計(jì)方法，熟悉電磁兼容的基本概念與原理，并能解決實(shí)際中常見的電磁兼容問題。在教學(xué)過程中課題組總結(jié)多年理論研究，結(jié)合科研實(shí)踐成果，在完成科研課題的基礎(chǔ)上邀請(qǐng)企業(yè)骨干與研究生共同參與編寫了智能漏電斷路器設(shè)計(jì)案例。并考慮案例庫建設(shè)的系統(tǒng)性和持續(xù)性原則進(jìn)行電弧故障斷路器設(shè)計(jì)案例庫的建設(shè)。

一、案例庫的建設(shè)原則

1.案例的時(shí)效性?，F(xiàn)代電子與信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用極大推動(dòng)了智能電器相關(guān)研究成果的市場(chǎng)化進(jìn)程，在案例的設(shè)計(jì)過程中除了考慮涉及的課程理論與方法外，更要切合工程實(shí)際應(yīng)用，體現(xiàn)前沿理論成果[3]。本次案例庫設(shè)計(jì)首選了與企業(yè)共同開發(fā)的智能漏電斷路器設(shè)計(jì)作為首個(gè)綜合案例進(jìn)行了案例的整理。近年來電弧故障已成為引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素，電弧故障斷路器也得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，成為智能電器的一個(gè)重要組成部分，目前正在對(duì)電弧故障的檢測(cè)進(jìn)行研究，進(jìn)而引入“電弧故障斷路器”的案例設(shè)計(jì)。

2.案例的系統(tǒng)性。在案例設(shè)計(jì)過程中，采用遞推式和模塊式相結(jié)合的方法。將剩余電流保護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)案例分為剩余電流互感器設(shè)計(jì)、漏電保護(hù)設(shè)計(jì)、過流保護(hù)設(shè)計(jì)、過欠壓保護(hù)設(shè)計(jì)以及電磁兼容實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)五個(gè)模塊，如圖1所示。

塊式的設(shè)計(jì)方案，使案例設(shè)計(jì)的內(nèi)容一目了然，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。案例庫建設(shè)過程中采用遞推式的設(shè)計(jì)思路，由易到難地進(jìn)行工程項(xiàng)目的案例設(shè)計(jì)，既增強(qiáng)了案例庫設(shè)計(jì)的全面性和系統(tǒng)性，同時(shí)也有助于學(xué)生對(duì)于智能電器有一個(gè)全面系統(tǒng)化的認(rèn)識(shí)，從工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施和工程管理多角度培養(yǎng)研究生的工程技術(shù)能力。

3.案例的持續(xù)性。隨著智能電器和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，智能漏電斷路器已經(jīng)不能完全滿足智能電網(wǎng)安全運(yùn)行的保護(hù)功能，特別是近年來由于絕緣損壞、接頭松動(dòng)等原因引起的電弧故障已成為引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素，這直接威脅電網(wǎng)的正常運(yùn)行。針對(duì)于電弧故障檢測(cè)和保護(hù)的電弧故障斷路器得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，成為智能電器的一個(gè)重要組成部分。因此，為了適應(yīng)電力電子技術(shù)和智能電器的不斷發(fā)展，電器智能化案例庫建設(shè)的進(jìn)一步工作是建立“電弧故障斷路器”、“智能電表”等智能電器的案例設(shè)計(jì)庫，以保持案例庫建設(shè)的持續(xù)性。

二、“漏電斷路器”綜合案例設(shè)計(jì)

“漏電斷路器”案例設(shè)計(jì)，采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，將案例設(shè)計(jì)分為磁調(diào)制式剩余電流互感器設(shè)計(jì)案例、智能漏電斷路器漏電保護(hù)設(shè)計(jì)案例、智能漏電斷路器過流保護(hù)設(shè)計(jì)案例、智能漏電斷路器欠壓保護(hù)設(shè)計(jì)案例以及智能漏電斷路器電磁兼容實(shí)驗(yàn)案例五個(gè)部分。

1.磁調(diào)制式剩余電流互感器設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)剩余電流保護(hù)技術(shù)中采用鐵心電磁式電流互感器（電磁式電流互感器）、霍爾電流傳感器及磁調(diào)制式電流互感器進(jìn)行電流的檢測(cè)，非正弦剩余電流是一種弱差值信號(hào)，普通的電流檢測(cè)方法不能對(duì)其進(jìn)行有效地檢測(cè)，現(xiàn)有技術(shù)需要優(yōu)化。

在本案例中提出了一種電壓型磁調(diào)制式交直流剩余電流檢測(cè)技術(shù)，將剩余電流耦合到激磁電流中，通過激磁電流的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜剩余電流的檢測(cè)與保護(hù)，克服了傳統(tǒng)磁調(diào)制式電流檢測(cè)的缺陷。

2.智能漏電斷路器漏電保護(hù)設(shè)計(jì)。智能漏電斷路器由開關(guān)電源電路、磁調(diào)制式剩余電流互感器、電流互感器、電壓分壓器、信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)、脫扣電路、通訊電路以及輔助電路等部分組成，如圖2所示。漏電保護(hù)主要應(yīng)用到的為磁調(diào)制式剩余電流互感器、磁調(diào)制信號(hào)解調(diào)電路部分。

在硬件設(shè)計(jì)上，磁調(diào)制信號(hào)解調(diào)電路選用巴特沃斯模擬低通濾波器進(jìn)行磁調(diào)制互感器輸出信號(hào)解調(diào)。為了便于遠(yuǎn)程監(jiān)控配電線路的運(yùn)行狀態(tài)，智能漏電斷路器還具有RS485通訊接口。從而保證了智能漏電斷路器的工作可靠性。在軟件設(shè)計(jì)上，智能漏電斷路器的軟件功能主要包括保護(hù)功能、保護(hù)參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄、跳閘原因與時(shí)間記錄、遠(yuǎn)程通訊等。

3.智能漏電斷路器過流保護(hù)設(shè)計(jì)。過流保護(hù)主要應(yīng)用到電流互感器、電流信號(hào)調(diào)理電路部分。電流信號(hào)調(diào)理電路主要包括信號(hào)放大和峰值檢測(cè)兩部分，考慮到控制器內(nèi)部空間有限，所以采用較簡(jiǎn)單的反相比例放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，并為每相電流信號(hào)設(shè)計(jì)了兩路放大通道，以提高檢測(cè)精度。單片機(jī)每隔20ms采集一次線路電流信號(hào)，每相電流由兩個(gè)AD通道采樣，其中放大倍數(shù)較大的通道主要用于過載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)，而放大倍數(shù)較小的通道主要用于短路短延時(shí)保護(hù)。由于采用峰值電流進(jìn)行過電流保護(hù)，所以保護(hù)算法相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)單片機(jī)的要求也較低。

4.智能漏電斷路器欠壓保護(hù)設(shè)計(jì)。與過電流保護(hù)方法類似，過欠壓保護(hù)也采用峰值信號(hào)進(jìn)行保護(hù)。由于過欠壓保護(hù)的實(shí)時(shí)性要求最低，所以單片機(jī)每隔60ms采集一次線路電壓，并將采樣值與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，如果超過動(dòng)作閾值則延時(shí)后執(zhí)行脫扣程序，所以保護(hù)算法相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)單片機(jī)的要求也較低。

5.智能漏電斷路器電磁兼容試驗(yàn)。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電磁環(huán)境日益復(fù)雜，處在其中的電氣設(shè)備面臨越來越多的干擾，造成性能降低、功能喪失的概率明顯增加。在智能化電氣設(shè)備的技術(shù)研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造等各個(gè)環(huán)節(jié)，需要充分考慮電磁兼容問題，因此建立了智能漏電斷路器電磁兼容試驗(yàn)案例分析并提出了相關(guān)整改措施。智能漏電斷路器電磁兼容試驗(yàn)主要包括以下三部分試驗(yàn)：智能漏電斷路器的靜電放電抗擾度試驗(yàn)及分析、智能漏電斷路器的電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)及分析和智能漏電斷路器的浪涌抗擾度試驗(yàn)及分析。

三、結(jié)束語

本文以電氣工程專業(yè)研究生開設(shè)的專業(yè)技術(shù)課程《電器智能化與電磁兼容技術(shù)》為基礎(chǔ)，總結(jié)多年理論研究，結(jié)合科研實(shí)踐成果，以案例時(shí)效性、系統(tǒng)性和持續(xù)性為原則編寫了智能漏電斷路器及其電磁兼容設(shè)計(jì)案例。案例教學(xué)法結(jié)合了工程應(yīng)用有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，提升學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力，對(duì)于研究生專業(yè)學(xué)位教育培養(yǎng)有著重要意義。

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