探討永磁智能型真空斷路器控制器研究

余榮杰 付志春

摘要：本文以 atmega128 單片機(jī)為核心控制芯片，利用 ZHD1X 模塊進(jìn)行 GPRS 無線通訊，完成了基于永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的 12KV 真空智能斷路器的硬件設(shè)計(jì)，通過仿真波形和試驗(yàn)輸出結(jié)果表明，該控制器運(yùn)行可靠性高，響應(yīng)速度快，保護(hù)功能完善，有較好的電磁兼容性。除實(shí)現(xiàn)基本的保護(hù)功能之外，還可以對(duì)配電系統(tǒng)的現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)功能，完全能夠滿足現(xiàn)代低壓配電系統(tǒng)的自動(dòng)化的要求。

關(guān)鍵詞：atmega128;GPRS;智能型;永磁真空斷路器

以 atmega128 單片機(jī)為核心控制芯片，利用 GPRS 無線通訊模塊 ZHD1X，集測(cè)量、保護(hù)、監(jiān)控、通信等功能為一體的基于雙線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)，12KV 智能型真空斷路器控制器。不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)配電系統(tǒng)的現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還具有監(jiān)控和保護(hù)功能，具有成本低、功耗低、可靠性高、功能完善和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 概述

12KV 斷路器是重要的電力傳輸和控制設(shè)備，用于分合負(fù)荷電流、過載電流及短路電流，安全、可靠地切斷故障電流，防止事故擴(kuò)大危及到整個(gè)輸配電系統(tǒng)。傳統(tǒng)斷路器的檢測(cè)和保護(hù)功能多由電磁元件完成，其動(dòng)作時(shí)間長，保護(hù)精度低，整定困難。隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，人們對(duì)供配電系統(tǒng)的自動(dòng)化程度要求越來越高，傳統(tǒng)斷路器的功能已不能滿足供配電系統(tǒng)自動(dòng)化的需要。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選取 ATMEL 公司生產(chǎn)的 atmega128 單片機(jī)作為核心控制芯片。總體結(jié)構(gòu)包括：電源模塊、模擬量采集模塊、分合閘線圈位置檢測(cè)模塊、分合閘驅(qū)動(dòng)模塊、液晶及 LED 顯示模塊、通信模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊

AC12KV 通過電壓互感器變?yōu)?AC220V，再通過濾波整流得到DC300V，經(jīng)過開關(guān)電源輸出兩路。DC24V 電壓，分別給控制器電路板和電源管理模塊供電（24V蓄電池作為備用電源），電容充電模塊由電源管理模塊供電，將輸入的 DC24V 升壓到 DC240V，最終實(shí)現(xiàn)電容充電功能。

3.2 模擬量采集模塊

3.2.1 相電流檢測(cè)

經(jīng)過電流互感器得到的采樣電流信號(hào)，由電流變送電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。再通過精密整流電路將以零為基準(zhǔn)的正負(fù)交流電壓變?yōu)榉禐?0～5V 的交流電壓信號(hào)，最后送入單片機(jī)處理。輸出端接一個(gè)穩(wěn)壓二極管的作用是防止單片機(jī)因輸出過電壓而損壞。零序電流檢測(cè)電路選用的是 LJWZ-5 型高精度零序電流互感器，當(dāng)原方電流很小（0.2A～0.5A）時(shí)也能保證足夠的準(zhǔn)確度，其他部分與相電流檢測(cè)電路基本相同。

3.2.2 AC 相線電壓檢測(cè)

系統(tǒng)電壓經(jīng)過 LCTV31CE 電壓互感器降壓，該電壓互感器體積小精度高，電壓隔離能力強(qiáng)，由于它是電流型電壓互感器，二次側(cè)不允許開路。與電流檢測(cè)電路原理基本相同，電壓檢測(cè)電路經(jīng)過電阻分壓后得到的一次側(cè)電壓通過串聯(lián)電阻得到電流信號(hào)。

3.2.3 電容欠壓保護(hù)

為消除分、合閘操作時(shí)，電容放電產(chǎn)生的電流干擾，利用三端穩(wěn)壓基準(zhǔn)芯片 TL431、光電耦合器 TLP521 等器件對(duì)電容電壓進(jìn)行隔離檢測(cè)。利用電阻分壓的形式采集電容電壓，通過調(diào)整滑動(dòng)電阻改變電容電壓，當(dāng)電容電壓大于等于設(shè)定值（152V）時(shí)，TLP521 輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)通過采集這個(gè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電容電壓的隔離檢測(cè)，如果電容電壓未達(dá)到設(shè)定值，將禁止分、合閘操作。

3.3 分合閘線圈位置檢測(cè)模塊

為了提高位移量檢測(cè)的精度和速度，本設(shè)計(jì)選用了差動(dòng)變壓器式高精度位移傳感器 Linear Variable Differential Transformer 來測(cè)量永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的位移。通過傳感器把位移量轉(zhuǎn)變成電壓量，采用AD598 信號(hào)調(diào)節(jié)器對(duì) LVDT 輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，從 16 腳對(duì)地輸出的電壓信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)做 A/D 轉(zhuǎn)換處理。

3.4 分合閘驅(qū)動(dòng)模塊

分合閘驅(qū)動(dòng)電路基本相同，下面以分閘線圈驅(qū)動(dòng)電路為例。為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，采用光耦 TLP250 作為 IGBT 的核心驅(qū)動(dòng)芯片。單片機(jī)給 TLP250 導(dǎo)通信號(hào)，TLP250 輸出高電平驅(qū)動(dòng) IGBT 導(dǎo)通，IGBT 導(dǎo)通使分閘線圈得電，斷路器分閘。

3.5 液晶及 LED 顯示模塊

為了方便現(xiàn)場使用，控制器采用 LED 及 LCD12864 作為斷路器工作狀態(tài)指示，實(shí)時(shí)顯示斷路器的分、合狀態(tài)及電力系統(tǒng)中電壓、電流的故障原因，如短路、斷相、欠壓等故障狀態(tài)，以便于工作人員準(zhǔn)確了解故障的具體情況，并做出快速有效的處理。

3.6 通訊模塊

GPRS 采用了 ZHD1X 終端設(shè)備，ZHD1X 內(nèi)置工業(yè)級(jí) GPRS/CD-MA 無線模塊、32 位處理器和嵌入式操作系統(tǒng)，支持 UDP、TCP 協(xié)議。外置標(biāo)準(zhǔn) RS232 接口?？梢栽诟鱾€(gè)領(lǐng)域進(jìn)行安全可靠、點(diǎn)到多點(diǎn)、無縫聯(lián)接的數(shù)據(jù)透明傳輸。ZHD1X 無線數(shù)據(jù)終端通過 RS232實(shí)現(xiàn)與上級(jí)監(jiān)控中心的通訊，實(shí)現(xiàn)上傳現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，下傳上級(jí)監(jiān)控中心指令等功能。下位機(jī)即斷路器主要完成線路中的過壓、欠壓、過載、短路、接地及斷相等故障處理與保護(hù)功能。

4 結(jié)語

通過仿真波形和試驗(yàn)輸出結(jié)果表明，該控制器運(yùn)行可靠性高，響應(yīng)速度快，保護(hù)功能完善，有較好的電磁兼容性，對(duì)配電系統(tǒng)的現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)功能，是能夠滿足現(xiàn)代低壓配電系統(tǒng)的自動(dòng)化的要求。

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（作者單位：江西泰豪動(dòng)漫職業(yè)學(xué)院）