智能低壓直流斷路器的設計

包涌泉，汪 浩，喬卿陽

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

隨著微計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論和信息網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，智能化成為開關電器的發(fā)展趨勢[1]。智能低壓直流斷路器是直流系統(tǒng)中一種重要的智能開關電器設備，它具有通斷直流回路的開關功能和可靠切斷故障電流的保護功能；同時通過各種通信接口實現(xiàn)遙測、遙調(diào)、遙控、遙信等功能，便于電力系統(tǒng)組網(wǎng)實現(xiàn)集中監(jiān)控。

1 智能低壓直流斷路器的組成

本文所設計的智能低壓直流斷路器為框架式固定結(jié)構(gòu)，組成框圖如圖1所示，主要部分包括觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、操作機構(gòu)、框架支撐系統(tǒng)、脫扣器、輔助開關、智能保護裝置和信號變換器。智能斷路器的中樞部件是智能保護裝置，基于數(shù)字信號處理器（DSP）的保護裝置已較多地用于線路保護中[2～3]。

圖1 智能低壓直流斷路器組成圖

2 智能低壓直流斷路器控制系統(tǒng)

智能低壓直流斷路器的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。直流母線主回路電流用分流器測量，經(jīng)過隔離變送器變換后輸入給AD7606采集；直流母線電壓經(jīng)過隔離變送器測量變換后輸入給AD7606采集；采樣的電流電壓信號送給DSP處理器進行分析計算，當回路過載時，DSP經(jīng)長延時發(fā)出動作信號，經(jīng)CPLD芯片驅(qū)動繼電器接通分勵脫扣器回路使斷路器觸頭打開，分斷主回路；當回路過流時，DSP經(jīng)短延時發(fā)出動作信號，經(jīng)CPLD芯片驅(qū)動光纖口接通快速脫扣器回路使斷路器觸頭打開，分斷主回路。為了提高智能保護裝置的可靠性，我們將保護裝置的核心部件DSP、AD7606和EEPROM進行了雙機熱備容錯設計，兩部分硬件結(jié)構(gòu)和軟件配置完全一樣，當主機發(fā)生故障時，CPLD芯片能自動切換到備用機進行工作。

圖2 智能低壓直流斷路器控制系統(tǒng)圖

2.1 智能保護裝置

綜合考慮運算速度、精度、片內(nèi)硬件資源等因素，選用TI公司的 TMS320F28335型DSP做裝置的處理器。TMS320F28335型數(shù)字信號處理器是TI公司的一款32位浮點型DSP控制器，它主頻可達150 MHz，內(nèi)嵌256 K×16位的flashROM、34 K×16位的SRAM和8 K×16位的BootROM；還配置有CAN控制器、異步串行通訊口（SCI）、同步外設接口（SPI）、2×8路12位的A/D轉(zhuǎn)換通道、硬件看門狗電路、以及大量的數(shù)字I/O端口[4]。該器件具有速度快，性能高，信號處理能力強等優(yōu)點，能較好地滿足故障電流快速分斷的技術(shù)要求。

本裝置選用ADI公司推出的新一代16位、8通道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD7606進行母線電流電壓采集。AD7606器件每通道的采樣率能達到200 ksps，可以在較寬的動態(tài)范圍內(nèi)，對雙極性信號進行采樣。

在本裝置中，使用TMS320F28335片內(nèi)的存儲器存放程序和變量，使用SPI接口擴展一片串行EEPROM芯片25LC512用于存放參數(shù)，具體參數(shù)包括電流整定值、時間整定值等。

本裝置使用CAN總線接口，與系統(tǒng)的上位機通信。裝置向上位機傳送直流母線電壓電流信號、斷路器狀態(tài)、各種整定參數(shù)；同時上位機可設定各種整定參數(shù)以及對斷路器進行分合操作。裝置通過RS485接口外擴西門子人機界面，根據(jù)中文菜單和提示可以簡單地完成定值輸人、測量數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)管理等功能。

2.2 快速脫扣器驅(qū)動模塊

斷路器的速斷是由快速脫扣器驅(qū)動模塊驅(qū)動線圈來完成，由于要求機構(gòu)動作快，因此需使用半導體開關器件作驅(qū)動開關。圖3為快速脫扣器分閘原理圖。圖中，L為分閘線圈；C為分閘儲能電容；K1是可控硅；R1是限流電阻。

圖3 快速脫扣器分閘原理圖

每次動作前，AC220 V通過整流橋和限流電阻R1對電容C進行充電。為了提高斷路器的抗干擾能力，智能保護裝置動作信號用光信號傳輸。當分閘信號到來時，智能保護裝置的光纖信號經(jīng)光電驅(qū)動板觸發(fā)可控硅K1，使其導通，電容C對勵磁線圈L放電，產(chǎn)生電磁力驅(qū)動開關進行分斷，電容C和線圈L的諧振電路使得可控硅K1能自關斷，控制電重新對電容器充電，為下次操作做好儲能準備。

3 軟件設計

智能斷路器軟件主要由主程序和中斷程序兩部分組成。

主程序流程如圖4所示，斷路器在上電或硬件復位后，開始初始化，讀取EEPROM數(shù)據(jù)后進行系統(tǒng)自檢判斷，若自檢不能通過將發(fā)出告警信號并閉鎖保護；若通過進入主循環(huán)。在主循環(huán)過程中進行事件記錄和故障錄波；最后執(zhí)行CAN發(fā)送程序和modbus協(xié)議處理程序。

圖4 軟件主程序結(jié)構(gòu)圖

定時器每隔一個周期產(chǎn)生一次中斷，定時周期設為100 μs。在定時請求中斷信號到來時，DSP可相應中斷，執(zhí)行中斷服務程序。定時中斷服務程序流程如圖5所示，程序首先對AD7606進行診斷，若正常則進行直流母線電流電壓等模擬量和開關量數(shù)據(jù)的采集和處理，然后執(zhí)行電流電壓保護算法，最后進行保護判斷完成保護功能并進行事件記錄和故障錄波。

圖5 定時器中斷程序流程圖

4 應用對象和實驗

本文研制的智能斷路器用于船舶直流配電系統(tǒng)中，當回路中出現(xiàn)過載和短路電流時，斷路器能可靠地自動斷開電路。智能斷路器具有信息記錄和通信功能，能記錄開關狀態(tài)、故障電流、保護動作類型等信息并通過總線向主站傳輸這些信息；同時接收主站命令進行相關分、合操作。

該斷路器在中國船舶工業(yè)電工產(chǎn)品試驗檢測中心進行了分斷試驗，試驗電壓為900 V，試驗回路時間常數(shù)為10 ms，試驗波形見圖6，斷路器從故障電流達到整定值800 A開始經(jīng)過不到4 ms時間觸頭打開，大約16.4 ms完成全分斷，故障電流變?yōu)榱恪?/p>

圖6 試驗波形圖

5 結(jié)論

本文提出的智能斷路器具有測量、保護、通訊等功能；雙機熱備等技術(shù)的使用保證了設備的高可靠性。試驗證明設備能快速分斷故障電流，滿足船舶電力系統(tǒng)使用要求。