低压断路器智能脱扣器的设计与实现

HUANG Shao- ping, LI Yong- jian (Hunan Institute of Engineering, 411101)
Abstr act: Intellectualized switchgear is a new generation switchgears, which syncretizes microcomputer technology , digi2 tal processing technology, and communication technology. In this paper, a design project and the implement methods for the in2 tellectualized release of low voltage circuit br eaker are introduced. This kind of intellectualized r elease have some functions, such as measurement , protection, communication and on- line monitor ing for the status of cir cuit breaker. The principle of its hardware system and the detailed circuits ar e explained, and the design points of software are offered.
智能脱扣 器也 叫 做智 能控 制 器或 智 能控 制/ 保护单元, 它一般具有以下功能:
a. 保护 包括电流三段保护( 长延时过电流、 短延时过电流、瞬时短路) 、单相接地故障保护、欠
) 8)
压保护等, 而且保护参数可设定; b1 测量 可测量电流、电压、频率、有功功率、
无功功率、功率因数、电能等各种电量, 并可以显 示;
图 1 智能脱扣器硬件系统原理框图
智能脱 扣器工作时, 检 测来自电 流互感器 (TA) 和电压互感器(TV) 的电流、电压信号, 并将 其 进 行 滤 波 和 采 样 处 理, 由 单 片 机 芯 片 ( 87C196KC) 内部的模数转换器( ADC) 转化为数字 信号。CPU 对采集到数据进行运算和逻辑判断, 测量值由液晶显示器( LCD) 进行显示; 若判断到主 电路发生故障, 则根据相应的保护特性, 发出跳闸 脉冲, 由执行电路驱动断路器动作。输入 CPU 的 开关量主要是断路器的辅助接点状态, 以此判断 断路器是断开的还是闭合的, 开关量经过光电隔 离可以很方便地输入 CPU 中。串行通信接口采用 RS- 485 标准, 它可以与上位机连接和通信。 1. 2 单片机基本系统
图 2 断路器脱扣执行电路
图 2 中, 当低压线路正常运行时, CPU 来的信 号为高电平, 比较器 N1、N2 和 N3 输出均为低电 平, 单稳电路处于稳态, 复合管 VT 截止, 执行元件 线圈 Q 无电流通过。当 CPU 发出断路器跳闸脉冲 ( 负脉冲) 后, N1 输出正的方波脉冲, N2 也应该输 出正的脉冲, 但由于 N2 输出端接有电容 C , 所以 N2 给电容 C 充电, 电容上电压逐渐升高, 充电时 间约 2ms。因此, 来自 CPU 的跳闸脉冲宽度应大 于 2ms( 实际取为 4ms) 。N2 输出端接的 R7、C 起 抗干扰作用, 当有很窄的干扰正脉冲到来时, 因 C 充电需要一定的时间, 干扰脉冲就不起作用。当 接到比较器 N3 的同相端( + ) 的电容 C 上的电压 超过反相端( - ) 电压时, N3 输出高电平, 触发单稳 电路, 单稳电路输出 3~ 6ms 宽的正脉冲, 加到复 合管 VT 上, VT 导通, 有电流流过线圈 Q, 断路器 跳闸。 1. 5 电源
1. 6 通信接口 采用 RS- 485 串行通信方式, 其最大通信距
离为 1200m, 此时的数据传输速率为 100kbps; 如果 通信距离为 120m, 则数据传输速率可达到 1Mbps。 为了简化通信机制, 采用只有 2 条信号线的最简 型连接, 单片机输出的 TTL 逻辑电平通过光电隔 离后, 由 MAX485 芯片转换为 RS- 485 电平。其 具体电路与实现方法参考文献[2] 。 1. 7 抗干扰设计
了引进 技术 的智能 型低 压断 路器, 如 M 系列、 DW45 系列、DW48 系列等。
本文设计了一种低 压断路器 智能 脱扣器。以 下对其硬件系统、具体电路和软件设计进行介绍。
1 硬件系统的设计与实现方法
1. 1 总体结构与工作原理 本文所设计的智能 脱扣器由 单片机基 本系统
单元、模拟 信 号检 测单 元、开关 量 输入 单 元、执行 电路、通信接口、人机接口、电源等部分组成, 其原 理框图如图 1 所示。
2764A( 8KB) EPROM 程序存储器。另外扩展 1 片
串行 EEPROM 存储器 X25043 芯片, 其内部集成了
Watchdog 定时器、上电复位控制器和 512B 容量的
EEPROM , 其 EEPROM 用于存储保护整定值等运
行参数, 可以重新写入。
1. 3 模拟信号检测单元
模拟信号 包括 低压 电 网的 电 流、电 压和 接地
c1 断路器状态在线监测 例如: ¹ 断路器操 作次数统计 ) ) ) 监测断路器是否达到规定机械寿 命次数或达到需要进行维修的次数; º 开断电流 加权值 ) ) ) 间接监测断路器触头的电磨损, 预测 其剩余电寿命;
d1 通信 智能脱扣器与配电自动化系统的主 控计算机( 上位机) 进行通信, 一方面, 上传电参数 测量值、断路器工作状态( 断开还是闭合) 、故障信 号、断路器自诊断信息等; 另一方面, 上位机可对 断路器进行遥控( 断路器分、合闸) 、遥测、遥调( 调 整保护整定值) 、遥信的/ 四遥0 功能。目前, 世界 上各 大开关电器制 造商均推出了 智能型低压断路
输出信号小, 使得采样和 A/ D 转换误差大, 测量精
度低, 因此采用铁芯互感器对电参数进行测量。
保护 信号和测量信 号来自不同的 电流互感器就兼
顾了电流的检测精度和范围。
接地故障电流信号的取得, 可在低压线路中
性线上接一个铁芯互感器测得中性线电流 IN, 则
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
接地电流 I G 为:
IG= I A+ IB + I C- I N
单片机基本系统由 CPU 及扩展的存储器组 成。CPU 选用高性能的 Intel 87C196KC 芯片[ 1] 。 87C196KC 是 16 位的单片机, 其运算速度快( 主频 可运行到 20MHz) , 片内有 512B 数据存储器 RAM 和 16KB 程序存储器。后者可用于固化应用程序, 具有 4 个高速输入通道( HSI) 和 4 个高速输出通 道( HSO) , 可用于开关量的输入与输出, 而且 HSO 能产生和输出宽度与周期均可调的 PWM( 脉宽调 制) 信号, 片内有 8 个模拟量输入通道( P0: ACH0
~ ACH7) 以及多路转换器、采样保持器和 1 个 10
位 A/ D 转换器。
本系统在 CPU 外扩 1 片 6264A( 8KB) RAM, 用
于记 录 故 障 发 生 前 后 电 流 波 形 数 据。 尽 管
87C196KC 片内有 16KB 的程序存储器, 但由于应
用程序较大, 16KB 容量不敷使用, 所以外扩 1 片
智能脱扣 器实 时检 测 和处 理 过负 荷、短 路和 接地等故障信号, 按预先设计好的保护特性要求, 控制执行元件分断断路器, 达到保护的目的。
执行元件采用带永磁保持的电磁铁, 正常工 作时由永磁体保持吸合状态。动作时, 执行电路 接收 CPU 发出的脉冲控制信号, 脉冲电流流过线 圈产生反向磁通, 抵消永磁体磁通, 由执行元件中 的反力弹簧推动动铁芯, 带动断路器分断。其脱 扣执行电路如图 2 所示。
机床电器 2004. 3
研究# 开发 ) ) ) 低压断路器智能脱扣器的设计与实现
低压断路器智能脱扣器的设计与实现
黄绍平, 李永坚 ( 湖南工程学院, 411101)
摘要: 智能化开关设备是在传统开关设备中引入计算机技 术、数 字处理技 术和通 信技术 而形成 的新一代 开关设
备。本文介绍了低压断路器智能 脱扣器的设计方案和具体实现方法, 这种智能脱扣器 具有测量、保 护、通 信和断路器
器来获得, 即大电流信号从空心互感器得到, 小电
流信号从铁芯互感器得到。空心互感器( Rogowski
线圈) 直接套在低压线路上, 由于没有铁芯, 所以
在电流较大时不会出现磁饱和, 测量范围大, 在几
十安到几万安的电流范围内, 都能保持良好的线
性度, 所以它作为过负荷电流和短路电流的检测
是很合适的。但是, 空心互感器在测量小电流时
本设计方案中采用双电源供电方式, 只要其 中任何一路电源正常工作, 即可可靠给智能脱扣 器供电。一路电源为自生电源, 用速饱和铁芯电 流互感器从主电路感应获得电源。但是, 该电源 在主电路电流较小 时不能工 作。另一路电 源为辅
) 10 )
研究# 开发 ) ) ) 低压断路器智能脱扣器的设计与实现
助电源, 由外部提供, 它不仅在主电源不能工作时 提供电源, 还可在断路器断开( 主电路停电) 的情 况下, 使智能脱扣器继续工作, 如参数整定、状态 显示、通信。
( 1)
当 I G 不为零时, 说明发生了接地。接地电流
较小, 需要将信号放大。要说明的是, 不能根据 IN
是否为零来判断是否发生了接地故障, 因为当三
相电流不平衡时也有中性线电流。
电压信号由电压互感器获得, 作为测量和欠
压、失压保护。
) 9)
机床电器 2004. 3
以上 信号 经过 模拟 滤波 后 进入 87C196KC CPU 内的模/ 数转换单元, 87C196KC 芯片内置有 多路电子开关、采样保持器和一个 10 位的 8 通道 ADC, 由 ADC 转换为数字信号。 1. 4 执行电路