新型塑壳断路器智能脱扣装置设计与分析

ｓｎｅｊｉ　ｖｕ　Ｆｅｎｘ・！　量坌堑銎　新型塑壳断路器智能脱扣装置设计与分析　范文凯　（上海人民企业（集团）有限公司，浙江温州３２５６０３）　摘要：对新型塑壳断路器智能脱扣器的研制工作进行了详细分析与说明，从功能需求以及设计要求的角度人手，构建了一种基于微　处理器、可实现三段式电流保护的新型智能脱扣装置，可靠的硬软件设计方案确保了其在精度方面完全符合设计要求，且具有较高的应用　价值。　关键词：塑壳断路器；智能脱扣装置；总体结构；硬件；软件；设计　Ｏ引言　在传统技术条件支持下，塑壳断路器脱扣装置多表现为２　种基本类型：热脱扣器和分励式脱扣器。这２种类型的脱扣装　置存在的主要缺陷在于：控制误差较大，动作分散量较大。而　新一代智能脱扣装置建立在微处理器基础之上，集多种保护功　能于一身，应用的广泛性与可靠性大大提高。不但如此，它还　能将保护功能提升至三段式标准。同时，应用智能脱扣装置的　新型塑壳断路器可通过与ＰＬＣ集中控制系统以及工业控制机　等的通信连接，确保面向整个系统提供运行状态、电压、功率参　数、有功功率、无功功率、三相电流等指标数据。为此，本文试　提出一种新型塑壳断路器智能脱扣器的研制方案，以供相关人　士参考。　１　总体结构设计分析　对于新一代塑壳断路器而言，智能脱扣装置应当实现的功　能主要包括以下几个方面：　（１）可面向塑壳断路器设备提供三段式电流保护。三段式　保护可进一步划分为以下３个方面：１）对瞬时性动作的保护；　２）对短路短延时动作的保护；３）对过载长延时动作的保护。　其中，短路短延时动作保护又可进一步划分为反时限保护以及　定时限保护。　（２）可面向塑壳断路器设备提供可靠的接地故障保护。即　若塑壳断路器表现为三相三线运行状态，则可支持完成相应的　过载预报警功能；若塑壳断路器表现为三相四线运行状态，则　可支持完成相应的接地故障保护功能。　（３）具有自供电系统及相关功能。具体而言，在正常运行　状态下，智能脱扣装置可剔除对于外加电源的依赖性。　（４）具备良好的人机交互功能。在实际应用的过程中，设　备操作人员可以自主整定电流大小及时间等关键性参数。与　此同时，智能脱扣装置还可对修改之后的整定参数进行动态的　刷新处理，以确保整个智能脱扣装置反映的系统运行状态准确　与有效。　（５）在塑壳断路器所对应的智能脱扣器中，需要预留Ｉ／０　通信接口。即为了确保脱扣器自身信息化的转型，还需要面向　中央控制单元下属的通信模块展开进一步的开发与研究。　基于上述分析，结合实践，整个智能脱扣器的总体结构设　计方案应如图１所示。结合图１中的相关结构组成关系不难　发现：在智能脱扣器的运行过程中，电流互感器装置首先需要　吸取来自于供电线路中的一定能量，并向脱扣器进行电源的供　给。与此同时，电流互感器还能够将负载电流转化为同比例的　电压信号，在检测调理的基础之上，电压信号被传递至中央处　理单元中，进行进一步的运算。同时，此电压信号还能够与整　定电流以及所设定的动作时间整定数值进行综合对比，不但能　够判定系统是否存在运行故障，还可对应具体的故障类型。基　于此，在对整个脱扣器体系结构进行设计的过程中，采取了基　于单ＣＰＵ的单芯片结构模式。　图１　智能脱扣器总体结构示意图　２硬件电路设计分析　硬件电路可以说是整个智能脱扣器结构设计的基础与核　心所在。硬件电路设计的合理与否会对整个智能脱口器的运　行性能产生直接影响。具体而言，在设计过程中，需要重点关　注以下２个方面的问题：　２．１　电源模块　结合实践工作经验来看，在低压电气系统运行过程中，电　源系统所采取的供电方式多表现为电流互感器配合专用电源　以及蓄电池供电，本文所展开的设计中亦采用该供电方案。本　设计需要通过硬件系统与软件系统相互配合的方式，实现能量　泄放的协同性目的。简单来说，就是在供电电流相对较小的情　况下，仅将硬件放电模块作为唯一性的电流源能量泄放途径；　反之，在供电电流相对较大的情况下，可自动切人软件放电模　式。此种方式即便在电流较大的情况下，也可确保智能脱扣装　置相关器件运行的可靠与安全。具体的电源模块结构设计如　图２所示。　图２电源模块结构设计示意图　机电信息２０１３年第３Ｏ期总第３８４期１１９　主坌堑　ｓｎｅｉｉ　ｖｕ　Ｆｅｎｘ　２－２中央处理模块　结合图３来看，在智能脱扣器的软件结构中，依照电流采　在智能脱扣器中，中央处理模块的工作原理是：在经过电　力线路中所对应设置的电流互感器后，电流信号经信号检测调　理回路处理，以中央处理器下属Ａ／Ｄ接口作为载体，进行输　入。输人完成后，通过Ａ／Ｄ内部转化的方式变为数字量信号，　进而通过对拨码开关输入量的判定，达到评估电力线路是否存　在运行故障的目的。一旦判定存在故障，则指令单片机发出相　应的脱扣信号。基于上述工作原理以及要求，在设计过程中选　取了ＰＩＣ１６Ｆ８７７Ａ作为中央处理器。该处理器所对应的计数　样数值作出针对性的保护判断是整个程序设计与应用的最关　键部分。塑壳断路器三段式电流保护的特性曲线如图４所示。　器达１３位宽，可支持复杂的程序处理，同时确保编程在线调　试、运行的可靠，也可面向ＬＥＤ装置进行直接驱动。　３软件系统设计分析　结合上述分析不难发现，对于新型塑壳断路器而言，其所　对应的智能脱扣装置软件系统需要具备以下２个方面的功能：　（１）定时启动ＣＰＵ以及处理与转换Ａ／Ｄ信号。智能脱扣装置　软件系统需要通过对电流模拟信号与数字信号的合理转换，获　取相应的采样数值，并在对采样数值进行处理的基础之上，判　定整个电力系统是否存在运行故障，同时结合所判定的故障类　型，发出与之相对应的脱扣信号。（２）及时刷新整定值，同时有　效控制ＬＥＤ装置来指示电流运行状态。按照上述思路，整个　塑壳断路器智能脱扣装置所对应的软件结构如图３所示。　图３软件结构设计示意图　１２０　Ｉ　ｌ　Ｉｎ　８ｊ　Ｌ　Ｉ　Ｉ｝　图４三段式电流保护的特性曲线示意图　其中，过载长延时保护所采取的配合特性表现为反时限动　作特性，而短路短延时保护动作所采取的配合特性则表现为反　时限与定时限相互结合的动作特性，瞬时性保护所采取的算法　则为三取二方式。结合图４中运行曲线来看，在智能脱扣器检　测到某一通道电流高于瞬时动作电流设定限值的情况下，若对　应的Ａ／Ｄ采样证实通道电流只有一次所测定的采样值表现高　于整定值，则可判定为供电系统故障，且故障类型为瞬动式故　障。因此，中央处理模块可立即指定单片机发出相应的脱扣操　作指令。　４结语　塑壳断路器作为开关电器的一种表现形式，在低压电气运　行系统中有着极为广泛的应用，且需求量极大。因此，为了确　保塑壳断路器自身所具备的电流保护功能得到有效发挥，就需　要通过配置脱扣器的方式，实现对相关分段操作的合理控制。　为此，本文研究了一种新型塑壳断路器智能脱扣装置，并对其　总体结构、硬件设计以及软件设计中的相关问题展开了详细分　析与说明，希望能将整套设计方案引入实践工作中。　［参考文献］　Ｅｌｉ崔芮华，张孝薇，耿丽恺，等．基于微控制器的智能脱扣器数据　采集系统硬件设计口］．低压电器，２０１Ｇ（１９）　１７￣２１　Ｅ２］刘剑，王安．基于ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机的智能脱扣器设计ＥＪ］．　测控技术，２００６（２）：７５￣７８　［３］吴浩伟，周棵，杨勇，等．基于ＤＳＰ的舰船电网智能脱扣器设计　［Ｊ］．舰船科学技术，２０１１（８）：１５２￣１５４，１６４　［４］王浩，黄学，施金武，等．基于ＤＳＰ的舰用断路器智能脱扣器的　设计ＥＪ］．低压电器，２０１２（１４）：ｌ１～１５　［５］张华，王震洲，刘教民，等．数字信号处理器ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２在　智能脱扣器设计中的应用Ｉ－Ｊ］．河北科技大学学报，２００６（２）：　】６５～】６８　收稿日期：２０１３—０６—１９　作者简介：范文凯（１９６６），男，甘肃天水人，工程师，研究方　向：低压智能断路器。