自檢自復電能表外置剩余電流動作斷路器的設計

趙 策, 鄭元昌

(1.浙江航都科技有限公司, 浙江 樂清 325604;2.華通機電股份有限公司, 浙江 樂清 325604)

0 引 言

隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展,智能電表和電能表外置斷路器已被廣泛應用,走進了商業(yè)小區(qū)、居民小區(qū)和各大院校等,代替了傳統(tǒng)的終端小型斷路器和機械式電表,不僅能實現斷路器的剩余電流保護功能,同時能實現終端用戶欠費即分閘、終端用戶充值電費后即自動合閘的功能[1]。但目前的電能表外置斷路器在剩余電流檢測方面還存在不足,傳統(tǒng)的終端剩余電流動作斷路器需要人工每月按一次試驗按鈕,來檢測該產品剩余電流保護功能是否正常。帶剩余電流保護功能的電能表外置斷路器安裝于配電線路電表箱中,若要人工手動檢查剩余電流保護功能,不僅專業(yè)電工人員操作非常麻煩,同時也大大增加供電企業(yè)的工作量?；诖?本文主要討論了帶剩余電流保護功能的電能表外置斷路器自檢自復的工作原理,提出了具有自檢自復功能的電能表外置剩余電流動作斷路器的設計。

1 基本原理與設計

帶剩余電流保護功能的電能表外置斷路器由電能表外置斷路器和剩余電流保護模塊兩大部分組成,產品總體結構圖如圖1所示。

圖1 產品總體結構圖

電能表外置斷路器由斷路器本體與電操機構組合而成。三角軸貫穿于傳動機構與斷路器手柄之間,鎖扣針從斷路器本體伸出,與脫扣件適當配合?？刂破髦靼?、傳動機構、電機、脫扣件安裝于電操機構殼體內,手插入/自動轉換開關安裝于電操機構表面。在電網正常供電情況下,電能表輸出預付費信號經電操機構內部控制器主板分析判斷,由電機與傳動機構推動三角軸旋轉并帶動手柄使斷路器本體合閘接通電網與負載。當用戶欠費時,電能表沒有預付費信號輸出,經控制器主板判斷,電機和傳動機構反轉,停留于適當位置壓住脫扣件,使鎖扣針異位,斷路器本體分閘而不能手動合閘[2]。電操機構有電平反饋信號供電網服務端來判斷用戶是否處于供電狀態(tài)。

剩余電流保護模塊由零序互感器、漏電線路板組成,加接于斷路器本體負載端。當負載端發(fā)生接地故障或漏電時零序互感器檢測到剩余電流信號,經漏電線路板信號調理后傳遞到控制器主板,程序判斷剩余電流值大于設定動作閾值時發(fā)出脫扣指令,使脫扣電磁鐵吸合,推動斷路器本體上的鎖扣針,使斷路器迅速分閘,切斷主電路。

2 自檢自復原理

設計的自檢自復電能表外置剩余電流動作斷路器,自檢自復原理框圖如圖2所示。包括斷路器本體、抗電涌整流單元、開關電源、自檢自復單元(虛線框所示)及電機驅動單元,根據相關標準和EMC性能要求設計各單元硬件電路[3]。

圖2 自檢自復原理框圖

自檢自復單元包含斷電上電檢測單元、斷流續(xù)流檢測單元、剩余電流檢測單元及電子試驗單元,本文將著重對該部分硬件設計原理進行闡述。

斷電上電檢測單元設置在斷路器本體電源端,用于檢測配電線路的通電狀態(tài);斷流續(xù)流檢測單元通過電流互感器,采樣斷路器本體負載端電流信號,用于檢測配電線路的負載狀態(tài);電子試驗單元產生設定的模擬剩余電流,用于檢測產品的剩余電流保護功能是否正常。各單元自檢自復的時間周期可通過程序定制,用戶也可通過ModBus通訊遠程更改,以更好地符合用戶實際使用情況。斷路器自檢自復結果可通過ModBus通信上傳,對接用電安全管理系統(tǒng)或用戶智能終端以獲取每臺產品的工作狀態(tài)。

2.1 斷電上電檢測原理

外線斷電后再上電,即斷路器控制器程序初始化完成后先進行一次自檢自復。斷電后再上電檢測原理如圖3所示。

圖3 斷電后再上電檢測原理

基本思路即對斷路器本體電源端電壓進行限流分壓后采樣,以符合控制芯片的電氣特性。X6為相線輸入,經VD13二極管半波整流后,由R27、R28、R37、R41、R42、R44構成的串聯通路降壓后,R42兩端的X3電平和X4電平分別進入單片機AD通道,由單片機程序判斷兩者的電位差。當主線路斷電后X3、X4電位差為零,上電時X3、X4電位差恢復,結合單片機程序設計即可判斷斷路器狀態(tài)是否為斷電再上電。斷電上電為第一自檢自復指令,工作時其它自檢自復指令處于初始狀態(tài)。

2.2 斷流續(xù)流檢測原理

斷流續(xù)流檢測原理如圖4所示。當斷路器本體合閘且?guī)лd時,電流互感器有信號輸出,經過VD1、VD2二極管半波整流后X1處有相應電平,該電平取決于實際線路中的負載電流大小。當斷路器本體分閘,實際線路中沒有電流時,電流互感器沒有信號輸出,此時X1處電平為零。VD7二極管對X1進行鉗位,防止線路中有電流突增時X1處電平沖擊單片機AD口。結合程序設計,當X1電平從零開始大于設定閾值并保持若干周期即可判斷出負載狀態(tài)為斷流續(xù)流切換;反之,則為續(xù)流斷流切換。負載狀態(tài)切換時控制器發(fā)出自檢自復指令。斷流續(xù)流檢測時間周期宜以天數為單位,上次自檢自復動作后,規(guī)定間隔時間內斷流續(xù)流檢測無效。

圖4 斷流續(xù)流檢測原理

2.3 電子試驗按鈕

電子試驗按鈕電路如圖5所示。由整流橋BR1和晶閘管VT1并聯構成。本文設計樣品為三相電能表外置剩余電流斷路器,大功率試驗電阻由A相電壓和C相電壓取電,圖5中A端和C端分別表示斷路器本體A相電壓和C相電壓。

圖5 電子試驗按鈕電路

工作時,自檢指令從單片機IO口發(fā)出,觸發(fā)晶閘管VT1使其處于導通狀態(tài),整流橋A、C端也導通,A、C兩端電壓加在試驗電阻上來產生模擬剩余電流。該開關可由ModBus遠程實現試驗動作,指令從通信接口輸入,單片機接收到遠程試驗指令后,觸發(fā)電子試驗按鈕工作。根據國家標準GB 16917.1—2014中8.11試驗裝置的描述,RCBO應具有一個試驗裝置模擬剩余電流,以便定期檢驗剩余電流裝置的動作能力[4]?；诖嗽O計,解決了傳統(tǒng)的由彈簧片接通試驗電阻到電網中來模擬剩余電流的無法可編程定義的難點,同時基于程序設計,可定期強制性對斷路器的剩余電流保護功能進行自檢,即定期觸發(fā)電子試驗按鈕來模擬剩余電流保護。參照目前市場上RCBO試驗按鈕周期標識,建議該周期為1個月,這樣便解決了傳統(tǒng)的剩余電流動作斷路器試驗按鈕在實際應用中形同虛設的痛點。若剩余電流保護功能失效,則強制性分斷產品并限制合閘,還可將產品當前狀態(tài)通過ModBus組網發(fā)送到終端后臺等。

2.4 程序流程設計

自檢自復式電能表外置剩余電流動作斷路器智能控制器需要完成的主要任務有:三相電壓、電流的采樣及有效值的計算;頻率的檢測和計算;各種保護的判斷和處理;通信數據的接收、處理和發(fā)送等。智能控制器要完成的任務較多,功能復雜,軟件設計工作量比較大,因此采用模塊化編程思想來設計程序[5],系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)程序流程

自檢自復方面的程序設計,相當于在原有設計基礎上做了功能拓展,因此對于設置參數加載、電壓電流采樣、保護功能實現、RS-485通信模塊等程序設計不再贅述,系統(tǒng)上電完成外設初始化和參數加載后,即進行一次斷電上電自檢自復,之后在系統(tǒng)運行過程中周期性進行斷流續(xù)流和電子試驗按鈕自檢自復。

3 仿真分析

為驗證本文提出的自檢自復單元硬件設計的合理性,在Multisim中搭建斷電上電檢測電路、斷流續(xù)流檢測電路、電子試驗按鈕電路進行仿真研究。斷電上電仿真電路如圖7所示。限流電阻功率和阻值的選取要考慮相電壓范圍和主控板單片機AD口電氣特性。相電壓230 V經過VD1二極管半波整流并串聯電阻限流分壓后,R5兩端電壓半波峰值分別為1.6 V和0.8 V。當斷路器本體合閘且電源端有市電時R5兩端電壓存在電位差,單片機AD采樣并判斷兩者電位差,從零開始大于設定閾值并保持若干周期即可判斷此時斷路器狀態(tài)為斷電上電切換。斷電上電仿真示波圖如圖8所示。

圖7 斷電上電仿真電路

圖8 斷電上電仿真示波圖

斷流續(xù)流仿真電路如圖9所示。電流互感器二次側繞組輸出為交流電流信號,由采樣電阻轉換成交流電壓信號,并經二極管半波整流后送入單片機AD采樣通道,電流互感器變比和采樣電阻的選取要考慮斷路器額定電流和主控板單片機AD口電氣特性。設計樣品為額定電流80 A電能表外置斷路器,電流互感器鐵芯材質為硅鋼片,二次側繞組漆包線線徑0.12 mm,匝數3 000匝,一次側通一倍額定電流時二次側輸出30 mA。斷流續(xù)流仿真示波圖如圖10所示。當斷路器本體合閘且?guī)ь~定負載時,電流互感器二次側有信號輸出,經采樣電阻轉換后其半波峰值為1.2 V,否則電流互感器沒有輸出。VD3二極管鉗位電流互感器輸出,防止負載突增時電流互感器輸出沖擊單片機AD口。單片機AD采樣并判斷該電平,從零開始大于設定閾值并保持若干周期即可判斷此時斷路器狀態(tài)為斷流續(xù)流切換,反之斷路器狀態(tài)為續(xù)流斷流切換。

圖9 斷流續(xù)流仿真電路

圖10 斷流續(xù)流仿真示波圖

電子試驗按鈕仿真電路如圖11所示。以30 mA剩余電流整定動作值為例,試驗電阻選擇功率為1 W、阻值為6.2 kΩ的金屬膜電阻。單片機IO口輸出高電平觸發(fā)晶閘管導通時整流橋交流輸入端也導通,此時400 V交流電施加在試驗電阻上,產生模擬剩余電流64 mA,當晶閘管截止時整流橋交流輸入端也截止,試驗電阻回路不通。

圖11 電子試驗按鈕仿真電路

4 結 語

由于電能表外置剩余電流動作斷路器是一種安全保護器件,其功能失效與否直接關系到用電安全保障問題,而且其所安裝場所存在各種不易操作問題,因此對自身的剩余電流保護功能檢測尤為重要?；谑Ｓ嚯娏鞅Ｗo功能失效的安全考慮和用戶需求,本文分別從斷路器本體進線端斷電上電檢測、負載端斷流續(xù)流檢測、電子試驗按鈕3方面展開,在原有電能表外置剩余電流動作斷路器上增加了自檢自復功能。硬件設計原理經過驗證能達到設計預期,各自檢自復功能模塊的周期可設置,同時可通過ModBus遠程進行全面自檢并自復。

本文對電能表外置剩余電流動作斷路器的剩余電流保護功能進行了相關的研究以及設計應用,滿足了GB 16917.1—2014中對試驗裝置規(guī)定的標準要求。不僅限于電能表外置斷路器,對于將來帶剩余電流保護功能的低壓電器提供了一種設計思路,使得產品能自檢剩余電流保護功能是否正常,提升了產品的安全性與可靠性。