基于電子融合的熱磁式塑殼斷路器保護技術(shù)研究

石金保 張日取 吳玨珺 薛 鵬 李 倩

（1.華立科技股份有限公司，浙江 杭州 311122；2.賢沃科技股份有限公司，浙江 杭州 323000；3.廣東電網(wǎng)有限責任公司計量中心，廣東 廣州 510062）

目前，塑殼斷路器具有多種規(guī)格，根據(jù)其工作性質(zhì)可以分為熱磁式塑殼斷路器和電子式塑殼斷路器，熱磁式塑殼斷路器的工作原理是利用電流熱、磁效應(yīng)控制電路通斷，當電路發(fā)生短路或嚴重過載時，過電流脫扣器的銜鐵吸合，雙金屬熱變形差異實現(xiàn)保護脫扣，使自由脫扣機構(gòu)動作，主觸點斷開主電路[1]。根據(jù)其原理，該類產(chǎn)品只具備兩段式保護，無短路延時保護功能，難以滿足電網(wǎng)日新月異的發(fā)展需求[2-3]。

在這類斷路器里內(nèi)置智能電子模塊，采集電路中電流信號后經(jīng)過微型單片機計算，判斷電流是否過載，當滿足跳閘閾值時，輸出信號至脫扣裝置，脫扣裝置動作后主電路斷開，實現(xiàn)短路延時保護功能，該功能與熱磁式塑殼斷路器具有的兩段式保護形成互補，從而實現(xiàn)斷路器三段式保護功能[4]，可以滿足斷路器在低壓配電網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)展要求，為電網(wǎng)安全、高效和節(jié)能運行提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也為電網(wǎng)公司對后續(xù)的負荷管理、調(diào)節(jié)提供一種技術(shù)基礎(chǔ)。

1 三段式保護型熱磁式塑殼斷路器

熱磁式斷路器一般由觸頭系統(tǒng)、滅弧裝置、傳動機構(gòu)、雙金屬片熱脫扣器、基架和外殼等組成，當電路發(fā)生短路、斷路器中流過正常的運行電流時，斷路器中的保護測控裝置探測到的發(fā)熱量不大，未越過發(fā)熱量閾值（斷路器的保護整定值），斷路器不會執(zhí)行跳閘操作；反之，斷路器執(zhí)行跳閘操作。

在10/0.4 kV配電變壓器的低壓側(cè)，總進線斷路器保護電流如何整定才能有效地保護變壓器，確保既不過載，又能充分利用變壓器容量，低壓總進線斷路器通常具備三段式電流保護功能，即過載長延時、短路短延時以及短路瞬時保護功能。

1.1 過載長延時保護

根據(jù)相關(guān)電氣技術(shù)要求及實際運行現(xiàn)場經(jīng)驗，在低壓電網(wǎng)中，變壓器低壓側(cè)的負載總開關(guān)的過載延時整定電流Izd1一般為負荷電流Ieb的1.1倍，即總進線斷路器的過載長延時整定電流Izd1=K1×Ieb，（K1為可靠系數(shù)，K1=1.1，即過載長延時整定電流Izd為變壓器額定電流的1.1倍）。

1.2 短路短延時保護

在低壓電網(wǎng)中，包括但不限于負載總開關(guān)的短路短延時整定電流一般為負荷電流的3倍，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗推薦，短路短延時整定電流Izd2=K2×Ieb（K2為可靠系數(shù)，取3.9～6.5）。

過載長延時整定電流Izd為變壓器負載電流的3.9～6.5倍，一般是變壓器額定電流的5倍，該值為經(jīng)驗值，實際的整定電流是根據(jù)現(xiàn)場的負荷實際進行計算的。

1.3 瞬時保護

根據(jù)行業(yè)的經(jīng)驗，一般斷路器的瞬時脫扣時間在20 ms以內(nèi)，而電機啟動電流的非周期分量的衰減時間約為30 ms，因此短路瞬時保護整定值須濾除電機啟動電流的非周期分量。短路瞬時整定電流Izd3取值大于或等于過載長延時整定電流值Izd1的10倍。

綜上所述，由于熱磁式塑殼斷路器的自身屬性，因此其在電路保護的電流整定值滿足過載長延時及瞬時保護，不滿足短路短延時的電流整定。

2 熱磁式塑殼斷路器雙段式保護特性

熱磁式斷路器在運行過程中主觸頭處于閉合狀態(tài)，脫扣機構(gòu)將主觸頭鎖定在閉合位置，脫扣器進入運行狀態(tài)。電流經(jīng)過脫扣器時熱元件發(fā)熱，當雙金屬片受熱變形至一定程度時，推動牽引桿旋轉(zhuǎn)，從而帶動機構(gòu)動作切斷電路，實現(xiàn)瞬時過載保護功能；當發(fā)生過載時，電流較小，使用磁脫扣器無法脫扣，熱脫扣器（雙金屬片）基于電流的熱效應(yīng)，其受熱膨脹后體積變化不一致，雙金屬片會向膨脹系數(shù)低的一方彎曲，利用彎曲度推動脫扣桿旋轉(zhuǎn)運動，執(zhí)行脫扣跳閘動作，從而實現(xiàn)過載長延時保護。

對基于雙金屬片熱膨脹系數(shù)不同的塑殼斷路器來說，由于雙金屬片膨脹系數(shù)不同會彎曲變形，該特性與環(huán)境溫度、電流負載等強相關(guān)，且根據(jù)其自身材料特性，因此這類塑殼斷路器只具備過載長延時及瞬時保護特性，不具備過載短延時保護功能[5]。

3 短路延時設(shè)計

在原有熱磁式塑殼斷路器基礎(chǔ)上進行改造，設(shè)計電子模塊并將其內(nèi)置于塑殼斷路器中。熱磁式塑殼斷路器本體控制塑殼斷路器本體所在的回路電流接通或斷開，當回路的電流過載或短路時，還可以利用電流熱效應(yīng)或磁效應(yīng)控制電路接通或斷開。

3.1 整體方案

通過傳感器采集電路中的電流、電壓、頻率以及相位等電氣參數(shù)信號，判斷采集電路中的電流信號，判斷電流是否過載及過載系數(shù)，電流達到閾值后輸出信號至脫扣裝置，實現(xiàn)熱磁式塑殼斷路器的短路短延時保護功能，當電路中出現(xiàn)1.5In～20.0In（In為額定電流）過載時實現(xiàn)短路短延時保護功能，且延時時間可以設(shè)置為0 ms～1 000 ms，整體方案如圖1所示。

圖1 短路延時設(shè)計方案框圖

使用模數(shù)信號轉(zhuǎn)換等技術(shù)，通過接口輸出或驅(qū)動顯示器，以顯示電路的電參量和或者電能量，通過電子模塊可以實現(xiàn)包括且不限于載波、RS 485、藍牙以及CAN等通信功能。

3.2 短路電流電路采樣電路設(shè)計

3.2.1 短路延時保護電路設(shè)計

短路延時電流采樣電路設(shè)計如圖2所示。因為采用三相對稱設(shè)計，所以以A相為例進行說明，B相、C相基于相同原理完成電路的功能設(shè)計任務(wù)。

圖2 短路延時電流采樣電路原理圖

A相電流信號經(jīng)過互感器采樣后從PC-JP4第一管腳流出后進入B1（MB6S），信號流經(jīng)R66、R37后與Net.OPBase標準信號進行比較，在經(jīng)過TP2434進行信號放大且AD轉(zhuǎn)換后進入主控芯片，根據(jù)第3.4節(jié)設(shè)計的短路延時功能程序運行，當程序檢測到電流信號且滿足跳閘條件時，程序綜合判斷分閘條件，當滿足跳閘條件時，斷路器執(zhí)行跳閘并開始進行分合閘事件的記錄處理和數(shù)據(jù)備份；為了避免形成震蕩，保持電路穩(wěn)定，R38為反饋電路，輸入運放TP2434的信號為穩(wěn)定信號。

3.2.2 采樣電路電源

采樣芯片工作電壓為（5±10%）V，因此采樣模塊電源選用5 V。

3.2.3 電壓電流采樣計算

采樣芯片采用銳能微的RN8209C芯片，具有2路電流和1路電壓采樣通道，在8000∶1動態(tài)范圍內(nèi)，有效值誤差小于0.1%。芯片采用完全差分輸入方式采樣電壓、電流信號，正常工作最大輸入Vpp（峰峰值）為±1 000 mV。

3.2.4 與MCU信息交互

采樣芯片RN8209C通過UART口與MCU實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，波特率為4 800。

芯片UART輸入端RX，同時也是復位引腳，當輸入信號低電平超過20 ms時，采樣芯片RN8209C認為是復位有效的。采樣芯片RN8209C內(nèi)部復位電路與UART通信電路完全獨立，該管腳復位功能與獨立的管腳復位相同。

3.2.5 采樣芯片外圍電路設(shè)計

采樣芯片RN8209C采用3.579 545 MHz的外部時鐘晶體；在ADC參考電壓輸出及數(shù)字電壓輸出并聯(lián)0.1 μF和10.0 μF電容防止輸出電壓受干擾。

3.2.5.1 RC濾波設(shè)計

抗混疊RC設(shè)計如下：混疊指ADC（交直流采樣，即ADC）輸入信號中的頻率成分（大于ADC采樣速率的1/2）出現(xiàn)在頻率低于采樣速率一半的采樣信號中，為了衰減高頻噪聲并防止目標頻段出現(xiàn)失真，必須引入低通濾波器，對傳統(tǒng)電流傳感器來說，建議使用一個轉(zhuǎn)折頻率為5 kHz的RC（阻容）濾波器。

3.2.5.2 浪涌抗擾度設(shè)計

在日常運行電路中，由于存在各類例如浪涌等抗擾度對采樣電阻的精度影響，因此須對采樣電阻的可靠性進行設(shè)計，采樣電阻的阻值如公式（1）所示。

式中：R為電阻；U為電壓。

一般情況下，采樣芯片的電壓采樣增益為1，要求在電壓U=1.2Un（Un為額定電壓）狀態(tài)下電壓采樣的信號準確，計算得到R＞746kΩ，該電路設(shè)計時使用3顆300 kΩ和3顆100 kΩ的電阻串聯(lián)，即3×（300+100）=1200kΩ＞746kΩ，滿足要求。

當工作電壓為1.2Un時，求得輸入信號峰值為0.26V＜0.50V，正常工作電壓380.00 V時求得輸入信號峰值為0.45V＜1.00V，滿足要求。采樣電路電阻的功率要求能抗4 kV浪涌抗擾度要求，那么理論上300 kΩ電阻功率、100 kΩ電阻功率分別如公式（2）、公式（3）所示。

根據(jù)公式（2）、公式（3）的計算結(jié)果可知，電壓采樣電路的采樣電阻選擇3顆封裝為1206-1/4W-3003-F（電阻型號）的電阻和封裝為3顆封裝為1206-1/4W-1503-F的電阻，滿足電路中的浪涌抗擾度要求，可以提高斷路器的使用壽命和可靠性。

3.3 短路延時主控模塊設(shè)計

3.3.1 主控模塊設(shè)計方案

該方案采用STM32G070RBT6專用MCU芯片作為主控芯片，由于該方案的設(shè)計須具備顯示、保護以及測量等功能，因此程序容量預計有50 k，滿足該芯片內(nèi)置128K Flash、4+1KBRAM的要求，配置集成LCD、帶溫補的RTC、ADC以及UART、I2C、SPI和7816等通用外設(shè)接口，滿足短路延時保護、顯示各電氣參數(shù)輸出以及電流、相位和電壓等相關(guān)保護參數(shù)。采樣芯片采用銳能微RN8209C，三相采樣共使用3塊計量芯片，每塊芯片能提供3路ADC，誤差為8000∶1，動態(tài)范圍＜0.1%。采樣芯片將ABC三相的電流、電壓以及相位等電參數(shù)單獨測量；MCU通過IIC接口與存儲芯片通信，并將數(shù)據(jù)存入存儲器中，MCU能控制繼電器接通或者斷開，以實現(xiàn)保護功能，其設(shè)計原理圖如圖3所示。

3.3.2 主控芯片MCU電源設(shè)計

由于該方案沒有時鐘功能，因此不需掉電供電電池；核心電源VDD和電池電源VBAT接到+5 V電源，外接0.1 μF電容。LDO外接電容引腳接0.1 μF和10.0 μF電容，PLL端口外接電容引腳接10 nF電容，引腳電源接0.1 μF和10.0 μF電容。

3.3.3 晶振設(shè)計

該款芯片系統(tǒng)時鐘支持外部32.768 kHz晶體諧振器和內(nèi)部125.000 kHz RC振蕩器。該設(shè)計選用（32.768±20%）kHz的12.5 pF晶振。

匹配電容：晶振負載電容為12.5 pF，需要在外部增加2顆負載電容CX1、CX2，CS為板間寄生電容，取5 pF，根據(jù)計算出CX1=CX2≈15pF。該設(shè)計選用15 pF的電容。

根據(jù)該芯片的推薦典型電路（詳見STM32G0系列微處理器數(shù)據(jù)手冊），通過設(shè)計外圍采樣硬件電路，通過模擬或數(shù)字信號轉(zhuǎn)換采集的電流信號，將電流信號引入芯片內(nèi)部寄存器，主控芯片通過預制程序處理采集的信號并判定是否需要分閘，如果滿足分閘條件，那么主控芯片通過預定的端口將分閘信號輸出至分閘電路，實現(xiàn)斷路器的拉閘保護功能。

3.4 短路延時程序設(shè)計

短路延時功能主程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 短路延時功能主程序流程圖

程序開始先檢查參數(shù)正確性，根據(jù)設(shè)置參數(shù)判斷采樣電流值，如果大于保護閾值，就記錄保護狀態(tài)，根據(jù)當前各種保護狀態(tài)進行綜合研判，并根據(jù)研判結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的動作并記錄相應(yīng)的分合閘記錄。

短路延時功能實現(xiàn)部分程序設(shè)計如下。

該程序的主函數(shù)為短路短延時保護變量void processing_Isd（），設(shè)置時間數(shù)據(jù)值data_t valid_values，定義中間變量int pos和短路跳閘時間；當產(chǎn)品上電時，程序開始初始化，當程序檢測硬件電路的檢測信號且滿足跳閘條件（即程序g_protect_parameter.Tsd == 0xffff運行）時，程序綜合判斷分閘條件overall_judgment_clos（），開始處理分合閘事件。

假設(shè)設(shè)置短路延時分閘電流為1 250 A，分閘時間為200 ms，當前采集到B相電流為1 251 A，大于短路延時分閘電流，記錄B相短路延時保護狀態(tài)，如果沒有出現(xiàn)其他保護狀態(tài)，那么綜合判斷結(jié)果就是B相短路延時保護分閘，執(zhí)行脫扣分閘并記錄分閘事件記錄。如果當前有按鍵合閘，那么綜合判斷結(jié)果仍然是B相短路延時分閘，執(zhí)行分閘操作并記錄事件。

通過上述設(shè)計，熱磁式斷路器在采集過電流信號為1.1In～10.0In時，設(shè)置程序分閘時間，可實時分閘，對斷路器進行保護；一般設(shè)計根據(jù)斷路器反時限保護特性設(shè)置分閘電流和分閘時間，以實現(xiàn)熱磁式斷路器的三段式保護功能。

4 結(jié)語

熱磁式塑殼斷路器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積標準以及成本低廉等優(yōu)勢，其本身具備雙段式保護功能、設(shè)備動作簡單可靠以及生命周期長等優(yōu)點，但是因自身設(shè)計原因不具備短路延時保護功能，該文基于熱磁式斷路器本體保護原理，在其基礎(chǔ)上增加電子模塊，實現(xiàn)短路延時保護功能，當通過電流為1.1In～10.0In時，可以在程序內(nèi)設(shè)置分閘時間、分閘電流，以測試熱磁式斷路器的保護功能，使其運行場景更廣闊，且該類型斷路器具備擴展測量、通信等功能，以滿足斷路器在低壓配電網(wǎng)絡(luò)中的不斷發(fā)展和智能化需求。