一種塑殼斷路器電子脫扣器的設計

摘 要：

隨著我國智能電網建設的推進，電子式脫扣器的應用日益廣泛。采用雙心電流互感器采樣主回路電流，配備液晶屏幕與按鍵，設計了一種可以連續(xù)調整保護參數(shù)的電子脫扣器。實踐表明，所設計的脫扣器保護精度高、保護種類繁多，且具備狀態(tài)顯示、脫扣器自診斷、輔助輸入輸出、歷史日志、通信等功能，滿足智能電網對斷路器的智能化要求。

關鍵詞：

塑殼斷路器; 智能脫扣器; 雙線圈互感器; Modbus-RTU通信

中圖分類號： TM561

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）07-0054-06

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.07.008

Design on Electronic Release of Molded Case Circuit Breaker

Abstract：

With the construction of smart grid in China，the application of electronic circuit breaker is widely used.A dual core current transformer is used to sample the main circuit current，and an electronic release equipped with a LCD screen and buttons that can continuously adjust protection parameters is designed.Practice has shown that the designed release has high accuracy，a wide variety of protection types，and functions such as status display，self diagnosis，auxiliary input and output，historical logs，and communication，which meet the intelligent requirements of the smart grid for circuit breakers.

Key words：

molded case circuit breaker （MCCB）; intelligent release; dual coils transformer; Modbus-RTU communication

0 引 言

塑殼斷路器是低壓配電系統(tǒng)中極為重要的安全保護裝置，其核心單元為脫扣器。鑒于第一代和第二代熱磁式脫扣器依舊展現(xiàn)經濟性和長期服役潛力［1］，電子脫扣器的發(fā)展旨在補充并突破現(xiàn)有技術限制，以提供更為精準和多功能的電路保護方案，更好地適應電氣系統(tǒng)日益增長的性能需求。以往的一些電子脫扣器在電路保護領域雖已實現(xiàn)了從傳統(tǒng)熱磁脫扣器向數(shù)字化的轉變，但仍存在一些局限性。具體來說，早期的電子脫扣器主要表現(xiàn)出以下幾個不足：

（1） 缺乏直觀顯示界面，用戶無法直接從設備上讀取實時電流、電壓等重要運行參數(shù)，也無法直觀了解到脫扣器的工作狀態(tài)和故障信息，增加了操作復雜度和維護成本。

（2） 設定值調節(jié)離散且不夠靈活，很多電子脫扣器的保護參數(shù)設定依靠物理撥碼開關。設定值往往是固定的幾個擋位［2］，無法連續(xù)調節(jié)。這種離散的設定方式限制了保護策略的精確度和適應性，難以滿足復雜多變的負載條件和個性化的保護需求。

（3） 通信功能缺失，大多脫扣器未內置通信模塊，無法實現(xiàn)與電網中其他智能組件的數(shù)據(jù)交換，難以符合我國智能電網建設和發(fā)展的要求。

因此，本文提出一種電子脫扣器設計方案，旨在針對性地解決上述局限性，更貼合智能電網對于脫扣器高性能與智能化的要求。

1 脫扣器的硬件設計

1.1 脫扣器的總體設計

采用模塊化功能設計電子脫扣器，其主要由電流互感器、電源處理、信號處理、微處理器、脫扣電路及脫扣線圈、輔助輸入輸出、通信、液晶顯示與按鍵、硬件自檢等模塊組成。電子脫扣器總體設計框圖如圖1所示。

由圖1可知，電子脫扣器采用雙心電流互感器，其中鐵心線圈為脫扣器提供電源能量，空心線圈輸出對主回路電流的感應信號，此為差分電壓信號。

STM32F103V8T6單片機資源豐富，內置32位硬件乘法器，可以大幅提升脫扣器的計算性能與響應時間，而且其性價比高。鑒于此，所設計電子脫扣器選擇其作為微處理器。

1.2 脫扣器的電源電路設計

1.2.1 電源原理

電子脫扣器從鐵心線圈獲取感應電流，再經過整流、儲能濾波后轉換為直流電壓UPP。電源原理框圖如圖2所示。圖2中，UPP有兩條回路，其一，經過DC-DC Buck降壓電路/LDO電路轉換為5 V/3.3 V，給微處理器以及板級IC供電;其二，給磁通脫扣線圈供電。

1.2.2 整流濾波電路

電源整流濾波與過壓泄流保護電路如圖3所示。圖3中，J1連接了鐵心線圈輸出電流信號，VD2、VD3、VD4、VD5與C1、C2構成整流儲能及濾波電路，將電流信號轉換為直流電壓信號UPP。

1.2.3 過壓保護電路

鐵心線圈二次側感應電流與主回路電流呈正相關關系。為了防止主回路電流過大時，UPP電壓過高而燒毀后級電路與磁通線圈，故需要對UPP進行過壓保護，設計中采用遲滯比較器的方式。

圖3中，IC1A、R1、R3、R4構成遲滯比較器電路，R2、R5從UPP獲取分壓UT，經過R3輸入比較器正端，VZ1產生2.5 V電壓基準UR，經過R4輸入到比較器負端。雖然理想比較器輸入內阻RS為無窮大，但是實際中該值一般為幾兆歐，此處取值10 MΩ，根據(jù)式（1）計算，比較器負端輸入?yún)⒖茧妷篣REF為2.43 V。

式（2）與式（3）中UOH為5 V，UOL為0 V，計算上閾值電壓UT+為2.79 V，下閾值電壓UT-為2.04 V。

將UT+與UT-分別帶入式（4），計算上閾值泄放電壓UPP+為13.48 V，下閾值泄放電壓UPP-為9.86 V。

即UPP在高于UPP+時，導通MOS管VT1，泄放多余能量;低于UPP-時，關閉MOS管，繼續(xù)從鐵心線圈獲取能量。

若采用單限比較器，輸入信號UT在門限值附近出現(xiàn)微小干擾時，輸出信號就會產生相應的抖動，而這種抖動帶來的后果是MOS管VT1頻繁開關，發(fā)熱嚴重而導致燒毀，本設計中采用遲滯比較器較好地克服了這一問題。

1.2.4 Buck降壓電路與LDO電路

基于MC34063設計了Buck降壓式DC-DC電路。Buck降壓電路與LDO電路如圖4所示。圖4中，整流后的UPP，流經IC1、L1、C4輸出+5 V，給板級芯片供電。為了減少噪聲和EMI問題，采用LDO芯片IC2、C6輸出+3.3 V，給MCU供電。

為了減少儲能電容頻繁充放電過程中產生的熱損耗，C1、C4均選用低ESR系列。為了進一步提高抗干擾能力，根據(jù)電流方向，設計單點接地。C2、C3、VD6等高頻小信號依據(jù)回路最短原則形成一個地，并單點接入C4的地，最后單點接入C1的地。

1.3 脫扣器的信號采樣電路設計

1.3.1 信號采樣原理

由空心互感器特性可知，二次側輸出電壓是對一次側主回路電流的微分，即二次側電壓滯后主回路電流90°相位［3］。電網中存在很多高次諧波，而這個相位差的存在會導致二次側輸出信號與一次側電流波形有較大異變?；诖耍枰O計移相電路來還原相位。

信號采樣原理框圖如圖5所示。由空心互感器輸出感應電壓信號，經積分移相濾波、信號放大、微處理器［4］模擬采樣等形成采樣信號。

1.3.2 移相與放大電路

積分移相與放大電路如圖6所示。

圖6中，R1、C2、R7構成了積分移相電路，移相角度計算式為

θ=-argtg-12πfrc（5）

式中： r——等效為R1與R7串聯(lián)電阻;

c——等效為C2;

f——工頻，取50 Hz。

計算式（5），得移相角度θ為89.8°。為保證采樣精度，要求C2精度為5%，溫度系數(shù)為±0.5%。

根據(jù)式（6）計算，積分電路的增益Gain為0.157，即信號幅值縮小約6倍。

電子脫扣器空心線圈的感應比例為20 mV/100 A，即主回路通額定電流1 600 A時，二次側輸出有效值為320 mV，經過積分電路后，信號幅值就僅有50 mV，故需要對信號進行放大。

采用2級反向差分放大電路［5］，分別為大量程放大電路與小量程放大電路。

圖6中，R2、R3、R8與IC1A構成了大量程放大電路，根據(jù)式（7）計算，放大倍數(shù)GainL為1.5。

R10、R11、R13與IC1B構成了小量程放大電路，根據(jù)式（8）計算，放大倍數(shù)GainS為4.87。

當主回路電流較小時，脫扣器采樣信號經小量程放大電路輸出信號;當主回路電流較大時，脫扣器采樣信號經大量程放大電路輸出信號。脫扣器會通過軟件算法自動選取適當?shù)牧砍蹋瑥亩ＷC全量程范圍內信號的采樣精度。

1.4 脫扣器的勵磁脫扣電路設計

勵磁脫扣電路如圖7所示。當微處理器端口Do_Trip輸出高電平時，VT3導通，VT2關斷，VT1導通，磁通線圈從UPP得電勵磁，推動脫扣器執(zhí)行機構，實現(xiàn)斷路器分閘;反之當Do_Trip輸出低電平時，VT3關斷，VT2導通，VT1關斷，磁通線圈失電。

圖7中，R3、R8、R4構成脫扣線圈自檢電路。正常情況下脫扣器磁通線圈等效直流內阻約18～20 Ω，在VT1關斷時，DI_Trip-Volt.處可以獲取約0.7 V分壓。若微處理器檢測到DI_Trip-Volt.處電壓值為0時，則說明磁通線圈斷電。VT1關斷時，R3、R8回路電流非常微小，可以忽略不計;VT1導通時，開關管VT1內阻約為毫歐級別，R3、R8的回路電流非常微小，可以忽略。因此該磁通線圈自檢電路不會對磁通脫扣功能產生影響。

1.5 脫扣器的顯示與按鍵電路設計

電子脫扣器采用液晶屏幕配合按鍵輸入的方式，不但彌補現(xiàn)有脫扣器保護參數(shù)不能連續(xù)整定的不足，而且兼容了實時狀態(tài)監(jiān)控、故障報警等人機交互功能。

顯示部分采用128×32點陣的STN型液晶屏，特性如下：① 工作電壓為2.7～5.5 V;② 運行溫度為-20～+75 ℃;③ 8位并口數(shù)據(jù)傳輸。

液晶與按鍵電路如圖8所示。C1、C2、C3、C4與R1、R2、R3、R4組成硬件消抖，能夠極大地提高按鍵防抖與電磁兼容性能。

1.6 脫扣器的通信電路設計

為滿足智能電網對于塑殼斷路器的數(shù)據(jù)性交互要求，為電子脫扣器設計了通信功能，支持Modbus-RTU協(xié)議?？紤]到兼容性，涵蓋了1.2 kbps、2.4 kbps、4.8 kbps、9.6 kbps、19.2 kbps等市面上主流上位機所支持的通信波特率。波特率可以任意修改，且修改后即時生效，無需重啟脫扣器。極大地提供了通信的便捷性與可靠性。

脫扣器通信聯(lián)網示意如圖9所示。

脫扣器采用了MAX3485作為通信芯片。Modbus通信電路原理如圖10所示。

2 脫扣器的軟件設計

2.1 主程序設計

本電子脫扣器軟件由主程序與中斷處理程序兩部分組成。其中主程序完成初始化后，進入任務處理狀態(tài)循環(huán);而中斷處理程序負責產生任務。如AD中斷采樣電流信號后，產生有效值計算任務;串口中斷產生通信任務;定時器中斷負責產生時間片任務。

主程序流程如圖11所示。其中電流有效值是采用傅里葉變換FFT［6］來計算的。

式中： xk——第k次采樣值;

Xn——第n次諧波的有效值;

N——每20 ms周期內電流有效采樣點數(shù)，取32。

電力系統(tǒng)的諧波主要為奇次諧波［7］，而且次數(shù)越高，幅值越低。根據(jù)經驗，諧波電流有效值Xrms，只需要計算1～7次諧波即可。

式中： X1——1次諧波幅值;

X3——3次諧波幅值;

X5——5次諧波幅值;

X7——7次諧波幅值。

2.2 通信中斷處理程序

由于MAX3485是半雙工通信芯片，故需要避免發(fā)送信號與接收信號同步進行。本脫扣器在軟件上設置了安全間隔：當前幀的最后一個字節(jié)發(fā)送結束時，啟用安全間隔，之后再轉為信號接收狀態(tài);反之亦然。串口通信中斷處理程序流程如圖12所示。

2.3 AD采樣中斷處理程序

AD采樣中斷處理程序流程如圖13所示。為了保證采樣精度，每個20 ms周期采樣96點，其中每3個連續(xù)采樣點排序后取中值作為有效采樣值，故每周期實際有32個有效采樣點。

3 結 語

本文設計的電子脫扣器采用雙心互感器（鐵心和空心互感器）。鐵心互感器提供能量，并輔以整流、濾波、Buck降壓和LDO電路，為脫扣器提供穩(wěn)定的電源電壓;空心互感器提供采樣信號，經過積分移相、差分放大后，送入單片機ADC端口進行采樣處理。軟件設計上分為前臺主程序和后臺中斷處理程序，既實現(xiàn)了所需的功能，又保證了系統(tǒng)的實時性。

實踐表明，本文設計的電子脫扣器較現(xiàn)有脫扣器具有更高的采樣精度，保護種類更加齊全，保護曲線可以由安裝人員現(xiàn)場修改。此外，還具備顯示、通信、接地故障、電流不平衡保護、輔助輸入輸出、區(qū)域連鎖、脫扣器自診斷等現(xiàn)有脫扣器不具備的功能。在塑殼斷路器模塊化、智能化的方向探索上有一定的借鑒意義。

【參 考 文 獻】

［1］ 肖林，蔣顧平.塑殼斷路器電子脫扣器的設計與實現(xiàn)［J］.電器與能效管理技術，2022（8）：61-66.

［2］ 高輝.塑殼斷路器電子脫扣器的設計與實現(xiàn)［J］.電器與能效管理技術，2016（11）：54-61.

［3］ 何瑞文，王奕，蔡澤祥，等.空心線圈電流互感器傳變特性實驗研究和分析［J］.電工電能新技術，2014（33）：52-57.

［4］ 周云紅，黃飛，王玉瑩.物聯(lián)塑殼斷路器的拓撲識別模塊設計［J］.電器與能效管理技術，2022（12）：38-45.

［5］ 華成英，童詩白.模擬電子技術基礎［M］.5版.北京：高等教育出版社，2005.

［6］ 江和.Proteus仿真在諧波檢測器設計中的應用［J］.低壓電器，2011（15）：59-63.

［7］ 周雪峰.基于FFT算法的電網諧波檢測方法［J］.工礦自動化，2012（3）：15-20.