郭云微，馬 琪，高 軍

(1.杭州電子科技大學(xué)微電子CAD研究所，浙江杭州310018;2.杭州國家集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)化基地有限公司，浙江杭州310053)

0 引言

塑殼斷路器是低壓斷路器的一種主要結(jié)構(gòu)形式，一般應(yīng)用于交流50Hz、額定電壓690V以下、額定電流125A至6 300A的線路中。它可以作為配電系統(tǒng)的輸入和輸出開關(guān)，也可以用于變壓器、電動機(jī)等大功率設(shè)備的保護(hù)［1、2］，廣泛應(yīng)用于低壓配電和保護(hù)線路中。本文設(shè)計的塑殼斷路器除了可為線路有效地提供過載、短路、欠壓、過壓、接地等不正常狀態(tài)的保護(hù)外，還具有測量數(shù)據(jù)顯示、故障數(shù)據(jù)保存、網(wǎng)絡(luò)通信、遠(yuǎn)程遙控等功能。

1 塑殼斷路器的整體設(shè)計

塑殼斷路器的整體設(shè)計可分為電源模塊設(shè)計、信號采集模塊設(shè)計、微控制器模塊設(shè)計、顯示模塊設(shè)計、通信模塊設(shè)計、脫扣器電路設(shè)計等部分。電壓互感器和電流互感器分別檢測線路中的電壓和電流信號，通過信號處理模塊將模擬信號轉(zhuǎn)化為微控制器可處理的數(shù)字信號，微控制器根據(jù)不同的控制模式對輸入信號進(jìn)行分析處理后輸出脫扣器的控制信號，同時可將當(dāng)前線路狀態(tài)在顯示模塊中顯示。

在塑殼斷路器的設(shè)計中，目前普遍使用速飽和鐵心互感器采集電路中的電流信號。一方面，線路大電流時，速飽和電流互感器的輸出電壓與輸入電流之間具有良好的線性關(guān)系，使得斷路器的信號處理過程簡化;另一方面，當(dāng)電路中的三相電流達(dá)到額定電流的0.4倍及以上或者電路處于短路狀態(tài)較大時，速飽和鐵心互感器就可以直接從三相電流中獲取能量［3、4］，為斷路器控制器提供穩(wěn)定的電源。但速飽和鐵心電流互感器體積較大，價格高，且在斷路器處于非運(yùn)行狀態(tài)或較小電流運(yùn)行狀態(tài)時，速飽和鐵心互感器不足以從三相電流中獲取能量，需要外加輔助電源。同時電流互感器既要采集數(shù)據(jù)信號又要產(chǎn)生自生電源，需防止兩者之間的串?dāng)_及電磁干擾等問題，增加了電路軟硬件設(shè)計成本。

本文討論的塑殼斷路器設(shè)計中，對傳統(tǒng)斷路器的設(shè)計方法進(jìn)行了改進(jìn)，信號采集模塊使用微型電流互感器取代速飽和電流互感器，針對微型互感器大電流易飽和的特點(diǎn)，硬件上采用分流方法，軟件上提出了微型互感器輸出電壓自校正方案?？刂破鞯碾娫床糠衷O(shè)計采用三相電壓直接降壓供電的單電源方式，同時采用電容儲能方法為三相線路短路時不能提供電源的問題提出了解決方案。

2 微型互感器的分流應(yīng)用方法

微型電流互感器體積小、成本低，在小型斷路器的設(shè)計中有廣泛的應(yīng)用，但其線性范圍較小，大電流通過時易飽和，故現(xiàn)常適用于小電流感應(yīng)的場合。塑殼短路器的額定電流一般在幾十到幾千安培，將微型電流互感器直接用于感應(yīng)塑殼斷路器的電流顯然是不合理的?？梢圆扇》至鞣椒▽崿F(xiàn)大電流的比例化縮小，這樣就可以在塑殼斷路器中應(yīng)用額定電流能力較小的微型電流互感器。

塑殼斷路器內(nèi)部使用均勻介質(zhì)的銅板連接線路，可在銅板面上并聯(lián)一個與兩連接點(diǎn)之間銅板的電阻R成比例的等效電阻R1，R1主要作用是分流，當(dāng)R1=(k-1)R時，流經(jīng)R1的電流為線路總電流的1/k?？赏ㄟ^調(diào)整R與R1的值，使流經(jīng)R1的電流滿足微型互感器的額定電流要求。

由熱量公式Q=I2Rt，產(chǎn)生的熱量于正比于電流的平方，斷路器正常工作時電流較大，溫度較高，而電阻在不同溫度下存在電阻溫漂。實驗表明所有純金屬的電阻率都隨溫度的升高而增大。而一般而言，不同材料的電阻溫度系數(shù)不同。為最大程度的克服電阻溫漂帶來的誤差，并聯(lián)線路應(yīng)盡量選用與所并母體相近的材料，并使用點(diǎn)焊方式連接。

3 微型互感器輸出電壓的自校正

在塑殼斷路器設(shè)計中控制器的主要功能就是根據(jù)輸入電流的特征來確定智能控制器去執(zhí)行長延時、短延時、瞬時中的一種特性動作，并輸出信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，所以對電流檢測電路設(shè)計是塑殼斷路器設(shè)計關(guān)鍵［5］。

對電流的檢測主要通過電流互感器來完成，微型電流互感器是一個具有鐵芯的非線性元件，可利用一次電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)在二次線圈中產(chǎn)生二次電流。當(dāng)鐵芯不飽和時，勵磁阻抗的數(shù)值很大且基本不變，因此勵磁電流很小，可認(rèn)為一次電流和二次電流成正比而且誤差很小。當(dāng)接有互感器的主回路有很大電流通過，互感器鐵芯就可能發(fā)生嚴(yán)重飽和，導(dǎo)致互感器勵磁阻抗下降，一次電流大部分向勵磁電流轉(zhuǎn)化，因而一次電流和二次電流不再是簡單的正比關(guān)系，需要對互感器的輸出電壓與一次電流的關(guān)系做軟件校正。普通微型互感器在分流比200，匹配電阻100Ω時所測輸出電壓U與輸入電流I的對應(yīng)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 輸入電流I/輸出電壓U(100Ω)

利用MATLAB提供的CFTOOL數(shù)學(xué)工具箱，對測得的電壓/電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分段曲線擬合［6］，可以得到擬合函數(shù):當(dāng)0≤I〈400A 時，U=(3.036e-006)×I2+(6.427e-005)×I，當(dāng)400≤I〈1 600A 時，U=(1.966e-003)×I-0.251，當(dāng)1 600≤I〈7 000A 時，U =0.054 28 ×-(2.158e-004)×I+1.076 。

由實驗數(shù)據(jù)可以得到輸出電壓和輸入電流總體呈現(xiàn)單調(diào)性。根據(jù)上述解析函數(shù)，要得到線路電流只需檢測電流互感器的輸出電壓即可。由于輸出電壓與輸入(線路)電流之間的函數(shù)關(guān)系相對復(fù)雜，是一個分段函數(shù)，而且涉及到乘方開方運(yùn)算，為提高控制器的工作效率，在自校正程序設(shè)計中，將電流互感器輸入(線路)電流與輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系函數(shù)上的若干取樣點(diǎn)的電流/電壓值，制成表格存于非易失性存儲器中以便查詢，同時將兩相鄰取樣點(diǎn)之間區(qū)域內(nèi)的電壓與電流關(guān)系近似看成線性關(guān)系，斜率為兩取樣點(diǎn)間線段的斜率值。當(dāng)測得互感器的輸出電壓值時，自校正程序會判斷在哪兩個取樣點(diǎn)之間，然后根據(jù)兩點(diǎn)之間的斜率計算其對應(yīng)的線路電流值。使用這種計算方法，取樣點(diǎn)數(shù)越多，越逼近非線性曲線，從而達(dá)到高精度的目的。自校正應(yīng)在出廠檢驗前，為了保證其安全，可以通過串口監(jiān)控界面來啟動自校正。

4 儲能電容在電源模塊設(shè)計中的應(yīng)用

塑殼斷路器電路有3種供電方式:電壓源降壓供電、外部電源供電和電流速飽和互感器供電，其中電流速飽和互感器供電也稱為自供電。采用電壓源供電方式的可靠性較好，但是當(dāng)發(fā)生近端短路故障并造成電網(wǎng)電壓跌落嚴(yán)重時，控制器和脫扣器將不能得到有效供電以保證斷路器可靠脫扣。在應(yīng)用微型互感器的塑殼斷路器設(shè)計中，采用三相電壓直接降壓供電的方式為控制器提供穩(wěn)定電源。

為克服電路短路時可能存在的無法提供電源的情況，在電源模塊輸出部分增加儲能電容。電路正常工作時儲能電容對高頻紋波具有濾波功能，可對電源轉(zhuǎn)換電路輸出起到平滑作用。同時電容兩端具有相對穩(wěn)定的電壓差，可存儲一定的能量，當(dāng)線路短路時儲能電容可將自身存儲的能量轉(zhuǎn)化為控制器芯片和脫扣器電路驅(qū)動所需的瞬間的高能量，以保障線路短路時控制器能夠正常工作至輸出脫扣器斷路信號。應(yīng)用電容儲能方式解決故障時的脫扣，結(jié)構(gòu)簡單，使得在電路發(fā)生短路故障沒有電能供給時也可以可靠的脫扣。

斷路器電源模塊正常工作時儲能電容兩端電壓U1，儲能電容容量為C，脫扣器動作所需時間為t。當(dāng)輸入電源掉電后，儲能電容開始放電，經(jīng)過時間t后電容兩端電壓變?yōu)閁2?？刂破髡９ぷ麟妷簽閁3，正常工作電流為I3。脫扣器正常動作時所需動作電壓為U4，動作電流為I4，根據(jù)能量守恒定律，在脫扣器動作所需的t時間段內(nèi)電容釋放的能量等于維持控制器正常工作所需能量與脫扣器動作需能量總和，即)t，推導(dǎo)可得電容容量

5 結(jié)束語

在塑殼斷路器設(shè)計中使用微型互感器，并配合三相直接降壓供電的單電源方式，簡化了斷路器的硬件設(shè)計，減小塑殼斷路器的體積，節(jié)省了成本。提出的互感器自校正的軟件實現(xiàn)方法，克服了微型互感器線性度較差的不足。電源模塊設(shè)計中采用三相直接降壓供電的單電源方式，增加電容儲能方式的設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，保證了電路發(fā)生故障沒有電能供給時可靠的脫扣。

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［2］ Marcelo Valdes，Cindy Cline，Steve Hansen，et al.Selectivity Analysis in Low Voltage Power Distribution Systems with Fuses ＆ Circuit Breakers［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2010，46(2):593-602.

［3］ 邱杏飛.低壓斷路器智能控制器的研制［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.

［4］ 高平，汪泰宇，肖磊，等.智能式斷路器智能型控制器的發(fā)展及技術(shù)研究綜述［J］. 電氣制造，2007，(3):28-31.

［5］ 傅啟國.低壓斷路器智能控制器設(shè)計與研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2008.

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