摘 要：

隨著我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，電子式脫扣器的應(yīng)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(shè)計(jì)了一種可以連續(xù)調(diào)整保護(hù)參數(shù)的電子脫扣器。實(shí)踐表明，所設(shè)計(jì)的脫扣器保護(hù)精度高、保護(hù)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(wǎng)對(duì)斷路器的智能化要求。

關(guān)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(hào)： TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 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(hù)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(jīng)濟(jì)性和長(zhǎng)期服役潛力［1］，電子脫扣器的發(fā)展旨在補(bǔ)充并突破現(xiàn)有技術(shù)限制，以提供更為精準(zhǔn)和多功能的電路保護(hù)方案，更好地適應(yīng)電氣系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的性能需求。以往的一些電子脫扣器在電路保護(hù)領(lǐng)域雖已實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)熱磁脫扣器向數(shù)字化的轉(zhuǎn)變，但仍存在一些局限性。具體來(lái)說(shuō)，早期的電子脫扣器主要表現(xiàn)出以下幾個(gè)不足：

（1） 缺乏直觀顯示界面，用戶無(wú)法直接從設(shè)備上讀取實(shí)時(shí)電流、電壓等重要運(yùn)行參數(shù)，也無(wú)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(fù)雜度和維護(hù)成本。

（2） 設(shè)定值調(diào)節(jié)離散且不夠靈活，很多電子脫扣器的保護(hù)參數(shù)設(shè)定依靠物理?yè)艽a開關(guān)。設(shè)定值往往是固定的幾個(gè)擋位［2］，無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié)。這種離散的設(shè)定方式限制了保護(hù)策略的精確度和適應(yīng)性，難以滿足復(fù)雜多變的負(fù)載條件和個(gè)性化的保護(hù)需求。

（3） 通信功能缺失，大多脫扣器未內(nèi)置通信模塊，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)中其他智能組件的數(shù)據(jù)交換，難以符合我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的要求。

因此，本文提出一種電子脫扣器設(shè)計(jì)方案，旨在針對(duì)性地解決上述局限性，更貼合智能電網(wǎng)對(duì)于脫扣器高性能與智能化的要求。

1 脫扣器的硬件設(shè)計(jì)

1.1 脫扣器的總體設(shè)計(jì)

采用模塊化功能設(shè)計(jì)電子脫扣器，其主要由電流互感器、電源處理、信號(hào)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(shè)計(jì)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(duì)主回路電流的感應(yīng)信號(hào)，此為差分電壓信號(hào)。

STM32F103V8T6單片機(jī)資源豐富，內(nèi)置32位硬件乘法器，可以大幅提升脫扣器的計(jì)算性能與響應(yīng)時(shí)間，而且其性價(jià)比高。鑒于此，所設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

1.2.1 電源原理

電子脫扣器從鐵心線圈獲取感應(yīng)電流，再經(jīng)過(guò)整流、儲(chǔ)能濾波后轉(zhuǎn)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(jīng)過(guò)DC-DC Buck降壓電路/LDO電路轉(zhuǎn)換為5 V/3.3 V，給微處理器以及板級(jí)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(guò)壓泄流保護(hù)電路如圖3所示。圖3中，J1連接了鐵心線圈輸出電流信號(hào)，VD2、VD3、VD4、VD5與C1、C2構(gòu)成整流儲(chǔ)能及濾波電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)UPP。

1.2.3 過(guò)壓保護(hù)電路

鐵心線圈二次側(cè)感應(yīng)電流與主回路電流呈正相關(guān)關(guān)系。為了防止主回路電流過(guò)大時(shí)，UPP電壓過(guò)高而燒毀后級(jí)電路與磁通線圈，故需要對(duì)UPP進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，設(shè)計(jì)中采用遲滯比較器的方式。

圖3中，IC1A、R1、R3、R4構(gòu)成遲滯比較器電路，R2、R5從UPP獲取分壓UT，經(jīng)過(guò)R3輸入比較器正端，VZ1產(chǎn)生2.5 V電壓基準(zhǔn)UR，經(jīng)過(guò)R4輸入到比較器負(fù)端。雖然理想比較器輸入內(nèi)阻RS為無(wú)窮大，但是實(shí)際中該值一般為幾兆歐，此處取值10 MΩ，根據(jù)式（1）計(jì)算，比較器負(fù)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(jì)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(jì)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(shí)，導(dǎo)通MOS管VT1，泄放多余能量;低于UPP-時(shí)，關(guān)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(hào)UT在門限值附近出現(xiàn)微小干擾時(shí)，輸出信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的抖動(dòng)，而這種抖動(dòng)帶來(lái)的后果是MOS管VT1頻繁開關(guān)，發(fā)熱嚴(yán)重而導(dǎo)致燒毀，本設(shè)計(jì)中采用遲滯比較器較好地克服了這一問(wèn)題。

1.2.4 Buck降壓電路與LDO電路

基于MC34063設(shè)計(jì)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(jīng)IC1、L1、C4輸出+5 V，給板級(jí)芯片供電。為了減少噪聲和EMI問(wèn)題，采用LDO芯片IC2、C6輸出+3.3 V，給MCU供電。

為了減少儲(chǔ)能電容頻繁充放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱損耗，C1、C4均選用低ESR系列。為了進(jìn)一步提高抗干擾能力，根據(jù)電流方向，設(shè)計(jì)單點(diǎn)接地。C2、C3、VD6等高頻小信號(hào)依據(jù)回路最短原則形成一個(gè)地，并單點(diǎn)接入C4的地，最后單點(diǎn)接入C1的地。

1.3 脫扣器的信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)

1.3.1 信號(hào)采樣原理

由空心互感器特性可知，二次側(cè)輸出電壓是對(duì)一次側(cè)主回路電流的微分，即二次側(cè)電壓滯后主回路電流90°相位［3］。電網(wǎng)中存在很多高次諧波，而這個(gè)相位差的存在會(huì)導(dǎo)致二次側(cè)輸出信號(hào)與一次側(cè)電流波形有較大異變?；诖?，需要設(shè)計(jì)移相電路來(lái)還原相位。

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

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(gòu)成了積分移相電路，移相角度計(jì)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(jì)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(jì)算，積分電路的增益Gain為0.157，即信號(hào)幅值縮小約6倍。

電子脫扣器空心線圈的感應(yīng)比例為20 mV/100 A，即主回路通額定電流1 600 A時(shí)，二次側(cè)輸出有效值為320 mV，經(jīng)過(guò)積分電路后，信號(hào)幅值就僅有50 mV，故需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。

采用2級(jí)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(gòu)成了大量程放大電路，根據(jù)式（7）計(jì)算，放大倍數(shù)GainL為1.5。

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

當(dāng)主回路電流較小時(shí)，脫扣器采樣信號(hào)經(jīng)小量程放大電路輸出信號(hào);當(dāng)主回路電流較大時(shí)，脫扣器采樣信號(hào)經(jīng)大量程放大電路輸出信號(hào)。脫扣器會(huì)通過(guò)軟件算法自動(dòng)選取適當(dāng)?shù)牧砍?，從而保證全量程范圍內(nèi)信號(hào)的采樣精度。

1.4 脫扣器的勵(lì)磁脫扣電路設(shè)計(jì)

勵(lì)磁脫扣電路如圖7所示。當(dāng)微處理器端口Do_Trip輸出高電平時(shí)，VT3導(dǎo)通，VT2關(guān)斷，VT1導(dǎo)通，磁通線圈從UPP得電勵(lì)磁，推動(dòng)脫扣器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)斷路器分閘;反之當(dāng)Do_Trip輸出低電平時(shí)，VT3關(guān)斷，VT2導(dǎo)通，VT1關(guān)斷，磁通線圈失電。

圖7中，R3、R8、R4構(gòu)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(nèi)阻約18～20 Ω，在VT1關(guān)斷時(shí)，DI_Trip-Volt.處可以獲取約0.7 V分壓。若微處理器檢測(cè)到DI_Trip-Volt.處電壓值為0時(shí)，則說(shuō)明磁通線圈斷電。VT1關(guān)斷時(shí)，R3、R8回路電流非常微小，可以忽略不計(jì);VT1導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)管VT1內(nèi)阻約為毫歐級(jí)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(huì)對(duì)磁通脫扣功能產(chǎn)生影響。

1.5 脫扣器的顯示與按鍵電路設(shè)計(jì)

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

顯示部分采用128×32點(diǎn)陣的STN型液晶屏，特性如下：① 工作電壓為2.7～5.5 V;② 運(yùn)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(shè)計(jì)

為滿足智能電網(wǎng)對(duì)于塑殼斷路器的數(shù)據(jù)性交互要求，為電子脫扣器設(shè)計(jì)了通信功能，支持Modbus-RTU協(xié)議。考慮到兼容性，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(jī)所支持的通信波特率。波特率可以任意修改，且修改后即時(shí)生效，無(wú)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(wǎng)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(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

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(jìn)入任務(wù)處理狀態(tài)循環(huán);而中斷處理程序負(fù)責(zé)產(chǎn)生任務(wù)。如AD中斷采樣電流信號(hào)后，產(chǎn)生有效值計(jì)算任務(wù);串口中斷產(chǎn)生通信任務(wù);定時(shí)器中斷負(fù)責(zé)產(chǎn)生時(shí)間片任務(wù)。

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(lái)計(jì)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(nèi)電流有效采樣點(diǎn)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(jīng)驗(yàn)，諧波電流有效值Xrms，只需要計(jì)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(hào)與接收信號(hào)同步進(jìn)行。本脫扣器在軟件上設(shè)置了安全間隔：當(dāng)前幀的最后一個(gè)字節(jié)發(fā)送結(jié)束時(shí)，啟用安全間隔，之后再轉(zhuǎn)為信號(hào)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(gè)20 ms周期采樣96點(diǎn)，其中每3個(gè)連續(xù)采樣點(diǎn)排序后取中值作為有效采樣值，故每周期實(shí)際有32個(gè)有效采樣點(diǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)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(hào)，經(jīng)過(guò)積分移相、差分放大后，送入單片機(jī)ADC端口進(jìn)行采樣處理。軟件設(shè)計(jì)上分為前臺(tái)主程序和后臺(tái)中斷處理程序，既實(shí)現(xiàn)了所需的功能，又保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

實(shí)踐表明，本文設(shè)計(jì)的電子脫扣器較現(xiàn)有脫扣器具有更高的采樣精度，保護(hù)種類更加齊全，保護(hù)曲線可以由安裝人員現(xiàn)場(chǎng)修改。此外，還具備顯示、通信、接地故障、電流不平衡保護(hù)、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。

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