（仪器科学与技术专业论文）低压智能断路器的关键技术研究.pdf

r e s e a r c hf o rk e yt e c h n o l o g i e so fl o w v o l t a g ei n t e l l i g e n tc i r c u i t b r e a k e r b y z h a n gh a i l u n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g i n s t r u m e n ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h uz h i j i e a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：涨渤钇 日期：们i _ i ! 年t 月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文7 。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：孑拦逾形易 刷帷锄寺强 日期： 加i1 年，月“日 醐。撕f 钳月7 日 低压智能断路器的关键技术研究 摘要 低压断路器是低压配电网中一种重要的控制与保护电器，用来关合、承载、 开断运行回路的正常工作电流、过载电流和短路电流。传统断路器的检测和保护 功能由电磁元件完成，其动作时间长，保护精度低，整定困难。 传统的电磁式断路器结构简单，保护特性差，已逐渐退出市场。第二代断路 器利用以分立电子器件为主的电子电路实现电路中的电流测量，保护特性有所提 高，但由于以分立电子器件为主的电子电路可靠性低，并且只能针对既定的测量 范围，使得产品适应性差。为了克服第二代产品弊端，第三代断路器提出了智能 化的要求，它是以微处理器为核心部件，综合应用现代传感、光电转换、数字控 制、微电子和信息处理等多种现代技术实现断路器的智能化。断路器的智能化即 为第三代断路器的关键技术，它包括电流检测原理、多种选择性保护的实现及电路 方案的确定等。在此基础上，增加现场总线通信功能的断路器正在开发与研究中， 且已有少量产品在投入使用，使之满足智能电网对相关设备的要求。( 有些专家认 为在第三代断路器的基础上增加了通信功能的断路器称为第四代断路器) 本文介绍了断路器的概念、发展及其国内外现状；提出采用r o g o w s k i 线圈 作为电流采样装置，以m c u 为核心，使用软件编程的方式构造多种不同的三段 保护曲线的方案；介绍了r o g o w s k i 线圈的工作原理和优势，对采用r o g o w s k i 线 圈作为电流采样装置时电流信号的采集、整流、计算等步骤进行详细分析。 依据以上设计思想的产品适应性强，无需改变硬件电路即可构造多种不同的 三段保护曲线，可靠性高指标大大提高而且节约了制造成本，同时更符合现代配 电、用电设备的要求。 本文对低压智能断路器的关键技术进行了详细分析讨论，对现场总线通信技 术具体应用于断路器也进行了较详细的研究与分析介绍。 关键词：低压断路器；r o g o w s k i 线圈；c a n 总线；m c u 控制；电子脱扣器 i l 硕士学位论文 a bs t r a c t l o w v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ri sa ni m p o r t a n tc o n t r o la n dp r o t e c t i o na p p a r a t u s f o r c l o s i n g ，c a r r y i n ga n db r e a k i n gt h en o r m a lo p e r a t i n gc u r r e n t ，o v e r l o a d c u r r e n ta n d s h o r tc i r c u i tc u r r e n ti nt h ef i e l do fl o wv o l t a g ed is t r i b u t i o nn e t w o r k c o n v e n t i o n a l b r e a k e ru s e st h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p o n e n t t oa c c o m p l i s ht h ed e t e c t i o na n d p r o t e c t i o nf u n c t i o n s t h em o v e m e n to ft h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p o n e n t c o s t sl o n g t i m e i t sp r o t e c t i o nf u n c t i o nh a sl o wp r e c i s i o na n dd i f f i c u l tt os e tu p t h es t r u c t u r eo ft r a d i t i o ne l e c t r o m a g n e t i cc i r c u i tb r e a k e r i s s i m p l e i t s p r o t e c t i o nf e a t u r ei sp o o r t h i sb r e a k e rh a sb e e ne x c l u d e df r o mt h em a r k e t t h e s e c o n dg e n e r a t i o no fc i r c u i tb r e a k e ru s e se l e c t r o n i cc i r c u i t s b a s e do ns e p a r a t e d e l e c t r o n i cd e v i c e st oa c c o m p l i s ht h ec u r r e n tm e a s u r e m e n t i t sp r o t e c t i o nf e a t u r ei s i m p r o v e d b u td u et ol o wr e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i c c i r c u i t sc o m p o s e do fs e p a r a t e d e l e c t r o n i cd e v i c e sa n dc a no n l yb eu s e di nm e a s u r e m e n to fe s t a b l i s h e dr a n g e ，t h e s e c o n dg e n e r a t i o no fc i r c u i tb r e a k e rh a sp o o ra d a p t a b i l i t y t o o v e r c o m et h e d r a w b a c k so ft h es e c o n dg e n e r a t i o n ，t h i r dg e n e r a t i o no fc i r c u i t b r e a k e rn e e d s i n t e l l i g e n tf e a t u r e ，w h i c hi sc o m p o s e do fam i c r o p r o c e s s o ra sac o r ea n di n t e g r a t e d w i t hm o r d e na p p l i c a t i o no fm o d e r nt e c h n o l o g i e ss u c h a s s e n s o r ，p h o t o e l e c t r i c c o n v e r s i o n ，d i g i t a lc o n t r o l ，m i c r o e l e c t r o n i c sa n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n ds o o n i n t e l l i g e n ti st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h et h i r dg e n e r a t i o no fc i r c u i tb r e a k e r ，w h i c h i n c l u d e st h ep r i n c i p l eo fc u r r e n td e t e c t i o n ，t h er e a l i z a t i o no fav a r i e t yo fs e l e c t i v e p r o t e c t i o na n dt h ed e s i g no fc i r c u i ts c h e m e f u r t h e r m o r e ，t h e c i r c u i tb r e a k e rw i t h f i e l d b u sc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o ni sp r o p o s e da n ds o m ep r o d u c t sh a v eb e e np u ti n t o u s et of u l f i lt h er e q u i r e m e n t so fi n t e l l i g e n tp o w e rg r i do nr e l a t e dd e v i c e s ( s o m e e x p e r t st h i n kt h et h i r dg e n e r a t i o no fc i r c u i tb r e a k e rw i t hf i e l d b u sc o m m u n i c a t i o n f u n c t i o nc a nb ec a l l e dt h ef o u r t hg e n e r a t i o n ) t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p t i o n ，d e v e l o p m e n to ft h ec i r c u i tb r e a k e ra n di t s r e s e s r c hi nc h i n aa n do na b r o a d ；ap r o p o s a li sp r e s e n t e d ，w h i c hu s e sr o g o w s k ic o i l a sc u r r e n ts a m p l i n gd e v i c ew i t hm c ua st h ec o r ea n du s e st h es o f t w a r ep r o g r a m m i n g t oc o n s t r u c td i f f e r e n tt h r e es e c t i o np r o t e c t i o nc u r v e s ；i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo f r o g o w s k ic o i la n di t sa d v a n t a g e s t h ec u r r e n ts i g n a la c q u i s i t i o n ，r e c t i f i c a t i o n a n d c a l c u l a t i o ns t e p sw h i l eu s i n gr o g o w s k ic o i la sac u r r e n ts a m p l i n gd e v i c ea r eg i v e n o u ti nd e t a i l t h ep r o d u c tb a s e do nt h ed e s i g np r e s e n t e da b o v eh a sg o o da d a p t a b i l i t y i tc a n i i i 低压智能断路器的关键技术研冗 c o n s t r u e td i f i f e r e n tt h r e es e c t i o np r o t e c t i o n c u r v e sw i t h o u tc h a n g i n gt h eh a r d w a r e c i r e u i t t h er e l i a b i l i t yi sg r e a t l yi m p r o v e da n d t h ec o s to fm a n u f a c t u r ei ss a v e d m e a n w h i l ei t i sm o r es u i t a b l ef o rm o d e r n p o w e rd i s t r i b u t i o n a n de l e c t r i c a l e q u i p m e n t s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ek e yt e c h n o l o g yo fl o w v o l t a g ei n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e r i nd e t a i l a n da l s op r e s e n t st h er e s e a r c ha n da n a l y s i so ff i e l d b u s c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yu s i n gi nt h ec i r c u i tb r e a k e r k e vw o r d s ：l o w v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r ；r o g o w s k ic o i l ；c a n b u s ；m c u c o n t r o l ； e l e c t r o n i ct r i p p i n gd e v i c e i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t j i i i 第1 章绪论l 1 1 研究背景1 1 2 低压断路器的主要技术参数2 1 3 低压断路器的现状及发展趋势3 1 3 1 低压断路器的现状3 1 3 2 我国断路器的发展趋势4 1 4 本文的主要研究工作5 第2 章r o g o w s k i 线圈电流测量原理6 2 1r o g o w s k i 线圈的特点6 2 2r o g o w s k i 线圈的电流检测原理8 2 3 本章小结10 第3 章断路器保护特性曲线1 l 3 1 第一代断路器保护特性曲线1 1 3 2 第二代断路器保护特性曲线1 2 3 3 智能断路器三段保护曲线及其构建1 3 3 4 本章小结1 7 第4 章电子脱扣器设计方案1 8 4 1 交流电流的测量：18 4 1 1r o g o w s k i 线圈电流测量1 9 4 1 2 程控放大1 9 4 1 3 精密线性整流2 0 4 1 4 双积分a d 转换2 2 4 2 电子脱扣器设计方案2 5 4 3m c u 芯片选型2 6 4 3 1s t m 3 2 f 1 0 3 r 8 特性介绍一2 6 4 3 2s t m 3 2 f 1 0 3 r 8 内部主要资源2 6 4 4c a n 通信节点硬件设计2 7 4 5 电源电路设计2 8 4 6 脱扣电路设计3 0 4 7 复位电路设计3 1 v 低压智能断路器的关键技术研究 4 8 人机接口设计3 2 4 9 本章小结3 4 第5 章电子脱扣器软件设计3 5 5 1 系统软件模块划分3 5 5 2 三段保护模块程序3 6 5 3 系统时钟设置3 7 5 4c a n 通信程序设计4 0 5 4 1c a n 初始化4 l 5 4 2c a n 通信发送流程一4 3 5 4 3c a n 通信接收流程4 5 5 5 看门狗程序4 6 5 6 温度检测程序4 9 5 7 键盘操作程序一5 0 5 8 液晶显示程序5 2 5 9 本章小结：5 4 总结与展望5 5 参考文献5 7 致 射6 0 附录a 攻读学位期间发表的论文6 1 附录b 电路图6 2 v l 硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 低压断路器作为一种应用面极广的配电电器，是低压配电系统中的重要电器 元件，在配电和保护线路中起着重要的作用。它在供配电系统中主要实现控制正 常供电、切断故障电流、从而实现保护电网和用电设备安全的功能。 低压断路器具备很大的短路电流分断能力，能够实现选择性保护。它不仅能 在正常工作情况下接通或断开负载电流，而且要求在故障情况下( 过电流、短路、 欠电压等) 自动切断电路，从而保护用电设备、电缆和导线等；故障排除后，可迅 速恢复供电l i j 。 断路器自动分断之前，要对所在电路的电流进行检测，传统断路器分别由电 磁式电流互感器与热敏双金属片实现短路电流与过载电流的检测，根据整定值来 判断是否跳闸，一旦检测到的电流大于整定值则在规定的时限内自动跳闸。 随着电力系统的传输容量越来越大，应用电磁式与热敏原理检测电流的断路 器因其传感机理而出现不可克服的弊端：在较大故障电流下铁芯易饱和，二次电 流波形失真严重，产生不能容许的测量误差；绝缘结构日趋复杂，体积大，造价 高；热敏双金属片对环境温度依赖程度高，而且测量精度低，选择性保护的整定 值往往出现较大误差【2 j 。 为此，必须研究利用新原理的装置来克服上述弊端。 2 0 世纪8 0 年代中期开发的断路器为了克服热敏双金属片选择性保护整定值 误差大的弊端，采用电子电路与电磁式电流互感器相结合的方案，使得整定值精 度有所提高。它将电磁式电流互感器的二次电流转换成信号电压，利用比较器的 原理甄别选择性保护范围，实现了三段保护功能。但由于只能针对既定的测量范 围，如果使用条件改变，则需要重新设计电路，以满足新的测量范围；而且需要 大量的分立元件组成测量电路，电路结构复杂，可靠性低1 3 j 。 智能电网提出了获取运行中设备状态信息的需求，断路器作为智能电网中的 设备显然要具备现场总线通信功能才能满足智能电网管理的要求1 4 j 。 传统的电磁式断路器结构简单，选择性保护差，已逐渐退出市场。第二代断 路器利用以分立电子器件为主的电子电路实现电路中的电流测量，选择性保护特 性有所提高，但由于以分立电子器件为主的电子电路可靠性低，并且只能针对既 定的测量范围，使用产品适应性差。为了克服第二代产品弊端，第三代断路器提 出了智能化的要求，它是以微处理机为核心部件，综合应用现代传感、光电转换、 低压智能断路器的关键技术研究 数字控制、微电子和信息处理等多种现代技术，实现断路器的智能化。断路器的 智能化即为第三代断路器的关键技术。它包括电流检测原理、多种选择性保护的 实现及电路方案的确定等。在此基础上，增加了现场总线通信功能的断路器正在 开发与研究中，且已有少量产品在投入使用，使之满足智能电网对相关设备的要 求。( 有些专家认为在第三代断路器的基础上增加了通信功能的断路器称为第四代 断路器) 1 2 低压断路器的主要技术参数 断路器是配电系统中主要的保护电器之一，也是功能最完善的保护电器，作 为短路、过载、接地故障、失压以及欠电压保护的重要装置。根据不同需要，断 路器可配备不同的脱扣器。脱扣器是断路器总体的一个组成部分，低压断路器由 脱扣器和断路器动作执行机构配合共同实现保护功能。断路器的智能化关键就在 于脱扣器中电流检测原理、多种选择性保护的实现及电路方案的确定等。或者说 低压智能断路器的关键技术就是其电子脱扣器实现智能化1 5 】。 低压断路器特性主要有以下参数： 1 断路器的额定电流与额定电压 断路器有关电流的指标包括断路器壳架额定电流与断路器额定电流。 断路器壳架额定电流主要反映框架机构耐受短路电流产生的电动力的能力， 标明断路器的框架通流能力，它也决定了所能安装的脱扣器的最大额定电流值。 在选择断路器时，此参数不可缺少。 断路器的额定电流i n ，是指脱扣器能长期通过的电流，也就是脱扣器额定电 流。对带可调式脱扣器的断路器则为脱扣器可长期通过的最大电流。 断路器的额定工作电压是使断路器正常工作的电压值，一般指相问电压值。 断路器的额定绝缘电压是指设计断路器的电压值，电气间隙和爬电距离应参 照这些值而定。除非型号产品技术文件另有规定，额定绝缘电压是断路器的最大 额定工作电压。在任何情况下，最大额定工作电压不超过绝缘电压。 2 脱扣型式与过电流脱扣器的电流参数 断路器的脱扣型式有过电流脱扣、欠电压脱扣、分励脱扣等。过电流脱扣又 分为短路瞬时脱扣与过载脱扣，过载脱扣有长延时、短延时脱扣之分。 过电流脱扣器其动作电流整定值可以是固定的或是可调的，调节时通常利用 旋钮或是调节杠杆。电磁式过流脱扣器既可以是固定的，也可以是可调的，而电 子式过流脱扣器通常是可调的。 过电流脱扣器的电流有以下几个参数： 长延时过载脱扣器动作电流整定值i r ，固定式脱扣器其i r = 1 0 5 i n ，当负荷电 2 硕士学位论文 流值小于i r 时，不允许跳闸，当负荷电流值为i r 时，规定在2 h 内不允许跳闸， 可调式脱扣器其i r 为脱扣器额定电流i n 的倍数，如i r = 0 4 1x l n 。 短延时电磁脱扣器动作电流整定值i m ，为过载脱扣器动作电流整定值i r 的 倍数，倍数固定或可调，如i m = 2 - - - 1 0 x l r 。对不可调式可在其中选择一适当的整 定值。 瞬时电磁脱扣器动作电流额定值i m ，为脱扣器额定电流i n 的倍数，倍数固 定或可调，如i m = 1 5 1 1x l n 。对不可调式可在其中选择一适当的整定值。 3 极限分断能力i 。u 极限分断能力表征了断路器能够正常分断故障短路电流的能力。极限分断能 力主要由动、静触头的材料、结构、接触压力、电流检测原理等因素决定。 4 电寿命指标 表征在被保护的线路中有电流的情况下，断路器能够正常分断、闭合的次数。 1 3 低压断路器的现状及发展趋势 1 3 1 低压断路器的现状 根据承载电流的大小不同低压断路器分为框架式( 行业中也称为万能式) 与 塑壳式两种。框架式承载电流大，用在配电变压器次级输出端口或者低压网络的 主干线以及有较大电流的支干线上，塑壳断路器一般用在相对较小电流的分支线 及对终端用电设备的控制1 6 j 。 低压断路器性能关键指标有极限分断能力，保护电流范围与选择性保护特性， 电寿命等。极限分断能力主要由动、静触头的材料、结构、接触压力、电流检测 原理等因素决定；保护电流范围与选择性保护特性主要由电流检测原理及其组成 的方案决定。 目前框架式低压断路器的额定电流为6 3 0 a 6 3 0 0 a ，极限分断能力已从3 0 k a 大幅度提高到了1 0 0 k a 甚至更高( 国外有些产品指标已达到2 0 0 k a ) 。显然，低 压断路器正在向额定电流值更大、极限分断能力更高的要求发展。同时，在选择 性保护方面要求更灵活、而且具备要求现场总线通信功能。 全球电力与控制技术领先企业法国施耐德公司在m 系列基础上推出了 m t 、m v v 、m t e 系列框架断路器。其产品外形缩小、保护功能齐全、智能控制 器在原保护功能基础上，增加电压、频率和功率的测量、谐波和基波的计算、精 确分析电网质量，能与多种总线连接等。 西门子公司推出了它的新一代产品s e n t r o n w l v l 断路器系列， s e n t r o n w l 万能式断路器额定电流为6 3 0 - - 6 3 0 0 a ，s e n t r o n v l 塑壳断路器 3 低压智能断路器的关键技术研究 额定电流为l6 0 - 1 6 0 0 a ，虽然功能不尽相同，接入网络的途径也不完全一样，但 使用同一通信规约和设备描述。 我国也相继开发与引进生产了不同系列的低压智能断路器。代表性企业与产 品分别有：上海电器科学研究所与精益电器厂联合研制开发的d w 4 5 智能型断路 器、华东电气有限公司e a w l 型智能型断路器、遵义长征九厂m a 4 0 型 智能型断路器、常熟开关厂c w 系列智能型断路器等。 电子脱扣器是断路器实现智能化的关键部件。目前，我国智能断路器的电子 脱扣器可以显示设备或电网的工作电流、工作电压( 带电压显示型) ，并根据负载 电流的大小实现各种保护，使线路和电源设备免受过载、短路、接地等故障的危 害，按约定的保护方式断开供电回路。精度高、可靠性好，还有负载监控、故障 报警、故障查询、在线试验、现场编程、密码设置等辅助功能i7 1 。 1 3 2 我国断路器的发展趋势 我国在经历了几十年的断路器开发与制造过程后，制造水平有了很大的提高， 特别是d w 4 5 系列智能型万能式断路器的开发成功，标志着我国断路器设计已达 到国际先进水平，断路器正朝着高短路分断能力、智能化、体积小、操作可靠方 向发展。根据国情，我国急待发展以下特色的断路器产品1 5 , 9 】。 1 经济型断路器 我国幅员辽阔，贫富差距很大，有很多地区至今仍使用第一或第二代万能式 断路器，因此开发技术指标高、价格低廉的产品一一经济型万能式断路器，这是 适合我国国情的。 2 发展小容量断路器 我国最新开发的万能式断路器额定电流都在2 0 0 0 a 以上，世界上各知名公司 断路器新产品其电流等级也都在1 6 0 0 a 或2 0 0 0 a 及以上，均未推出8 0 0 a 及以下 小电流等级产品，但他们为了迎合中国市场的需要，将大电流等级的断路器简化 结构、降低指标和价格充当小容量等级推向我国市场1 0 一2 1 。 我国6 3 0 a 以下万能式断路器需要量大，每年可达2 0 万台。已使用多年的 d w l 5 6 3 0 万能式断路器由于无下进线，分断能力太低、保护功能单一、外形尺 寸大，已不能满足我国配电系统的需要，急需开发新型小容量框架式断路器满足 市场需要。新一代小容量断路器应紧跟国际动向，从高技术性能和高经济性能两 方面开发，一方面赶上国际先进水平，另一方面根据市场要求提供经济指标优良、 实用性很强的产品，提高与国外产品竞争力，并争取推向国际市场。国此我国已 着手开发两种小容量万能式断路器，一种是小容量、高分断、模块化、数字化、 智能型万能式断路器；另一种是小容量、高分断、通用型万能式断路器，来满足 4 硕士学位论文 我国市场的不同需求【l3 1 。 3 开发具备通信功能的智能型断路器 随着信息技术和计算机网络的发展，智能电网概念已经被人们推崇。智能电 网要求智能化电器与中央控制管理设备之间实现双向数据通信。这一要求促使断 路器具备通信接口，以达到通信、遥调、遥控的智能功能，从而实现网络管理。 1 4 本文的主要研究工作 本论文主要介绍了实现低压智能断路器的关键技术研究的成果。着重讨论使 用r o g o w s k i 线圈作为电流检测装置的原理，对电流信号的采集方案进行了详细 分析。提出使用m c u 为处理核心，通过软件编程实现电流参数的整定，拓宽测 量范围的电子脱扣器设计方案。对各个部分功能模块进行软硬件分析，以及对断 路器的通信进行较详细的介绍。论文的具体章节安排如下： 第l 章绪论介绍本课题的背景、低压断路器的主要技术参数、现状与发展 趋势以及低压智能断路器关键技术研究的内容和意义。 第2 章r o g o w s k i 线圈电流测量原理本章介绍了r o g o w s k i 线圈的特点，讨 论了r o g o w s k i 线圈电流原理，并给出相应输入输出表达式。 第3 章断路器保护特性曲线本章介绍了第一、二代断路器保护特性曲线， 提出了第三代智能断路器即智能断路器的保护特性曲线的要求及其三段保护曲线 的构建方法。 第4 章电子脱扣器设计方案本章详细介绍了低压智能断路器关键技术实现 方案，包括交流电流的测量，c p u 芯片的选型，c a n 通讯节点硬件设计，以及电 源电路，脱扣电路，复位电路等。 第5 章电子脱扣器软件设计本章首先介绍了整个程序模块划分，概述每个 模块实现的功能。然后详细阐述采样测量程序的流程。对系统本身的时钟设置、 通讯程序流程、看门狗设置、温度检测实现程序也进行了阐述。 最后，对本文的研究工作进行了总结和展望。 低压智能断路器的关键技术研究 第2 章r o g o w s k i 线圈电流测量原理 2 1 r o g o w s k i 线圈的特点 智能断路器的关键技术包括电流检测原理、多种选择性保护的实现及电路方 案的确定等。第一、二代的断路器所采用的电流测量元件主要是电流互感器，随 着用电需求增大，在出现短路故障的情况下，铁心容易出现饱和；在产品的选择 性保护范围内线性度差，不易整定；体积大，难于安装f h 】。 r o g o w s k i 线圈是导线均匀环绕在一个非磁性的骨架上的线圈，将载流导线穿 过线圈，则线圈中会产生感应电压，通过测量感应电压，就能获得相应的电流值。 r o g o w s k i 线圈相对于以往的电流互感器具有明显的优势【1 5 j ： 1 不存在磁饱和现象 由于r o g o w s k i 线圈不含铁心，电路中出现大电流时，不会出现磁饱和现象， 从而提高测量的准确性与测量范围。 2 响应速度快、线性度好 3 抗干扰能力强 r o g o w s k i 线圈不含铁心，不存在铁磁谐振的影响，使得抗电磁干扰能力强。 4 绝缘性能良好 r o g o w s k i 线圈由于本身是使用空心的绝缘材料环绕的，重量轻，绝缘性能好。 5 适应当今数字化技术发展的要求 r o g o w s k i 线圈往往与m c u 系统配合使用，采集到的数据通过m c u 进行处 理，断路器根据m c u 的指令执行脱扣动作，适应现代系统自动化的需求。 6 测量范围宽 由于r o g o w s k i 线圈不存在磁饱和现象，无畸变现象，线性度好，所以能够 测量几安到几万安的电流，具有很宽的测量范围。 7 经济效益好 r o g o w s k i 线圈由于不含铁心，大大地节约了制造成本。 对r o g o w s k i 线圈进行相关的使用测试，结果如表2 1 所示。 实现某一r o g o w s k i 线圈的一次电流与信号电压的关系曲线，如图2 1 所示。 由表2 1 和图2 1 看出，r o g o w s k i 线圈输出信号电压与一次侧的电流关系线 性度好【1 6 】。 6 硕士学位论文 表2 1r o g o w s k i 灵敏度测试结果 序号一次侧电流从 u 测量值v灵敏度s ( 1 0 3 ) 误差 l 1 0 0 08 0 5 0 8 0 52 1 l 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 5 0 0 0 5 5 0 0 6 0 0 0 6 5 0 0 7 0 0 0 1 2 1 5 1 6 3 0 2 0 3 0 2 4 2 5 2 8 1 5 3 2 2 0 3 6 1 0 4 0 3 0 4 4 2 5 4 8 0 7 5 2 0 0 5 6 0 0 0 8 1 0 0 8 1 7 o 8 1 5 0 8 1 0 0 8 0 8 0 8 0 5 0 8 0 8 0 8 0 l 0 8 0 5 o 8 1 0 0 8 0 4 0 8 0 2 1 47 5 0 0 6 0 0 0 0 8 0 1 1 9 6 1 8 3 1 5 4 1 3 7 1 2 6 0 9 5 1 2 1 1 0 9 0 7 9 0 8 l 0 7 8 o 7 7 0 7 3 15 8 0 0 06 4 0 0 0 8 0 00 7 2 与 田 删 咖 扭 j。 户 ， 厂 一| r 。 ， ， 10 0 02 0 0 0 3 0 0 04 0 0 05 0 0 06 0 0 0 7 0 0 08 0 0 0 一次侧电流触 图2 1一次电流与信号电压的关系曲线图 7 2 3 4 5 6 7 8 9 m n 抡 b 低压智能断路器的关键技术研究 2 2r o g o w s k i 线圈的电流检测原理 r o g o w s k i 线圈电流互感器的结构如图2 2 所示【17 1 。 图2 2r o g o w s k i 线圈结构示意图 r o g o w s k i 线圈均匀缠绕在一圆环形非磁性骨架上，载流导线穿过如图所示的 圆环。设该圆环半径为r ，骨架截面也为圆形且其半径为r ，则截面积s = ，t r 2 。可 以证明，测量线圈所交链的磁链与环形骨架内的被测电流i x 存在线性关系。 当r r 时，环形骨架单位长度d l 上的小线圈所交链的磁链却为 d e ：当s b l d l ( 2 1 ) 式中日磁感应强度在测量线圈轴线方向的切线分量 l 一环绕在骨架上的小线圈总匝数 整个空心线圈的小线圈所交链的总磁链为 = 篑b l d l = 等舭 亿2 ， 根据全电流定律，磁场强度h 沿任意封闭轮廓积分等于穿过这封闭轮廓所限 定面的电流，即 ( h d l = f 爿( 2 3 ) 则有 o ：塑丝q 幺 2 ，7 r ( 2 4 ) 整个线圈的感应电势 印) = 等= 一百n s u o 百d i x ( 2 5 ) 衍2 ，万击 、 当线圈骨架材料一定，尺寸一定，绕制线圈所用的导线线径一定，且r 、n 8 坝士学位论文 均为恒定值，感应电势e ( t ) 就正比于被测电流i x 的微分值。 为求得输出与i x 的直接线性关系，将线圈输出端与如图2 3 所示的积分器输 入端相连。 c 1 图2 3 积分器电路原理图 图中c l 与r 2 为一实际电容器的电容与绝缘电阻等效值，选择绝缘性能良好 的电容器其等效电阻r 2 的阻值很大。e ( t ) 作用在r l 上的电流等于在c l 及r 2 上的 电流之和，选择合适容量的电容器使得c l 上的容抗远小于电容器的绝缘电阻，即 r l 与c l 上流过的电流近似相等，这样，r 2 对积分器的影响可忽略不计。积分器 输出为 心) = 一去p ( ，) a t = 面n s l 丽a o i x ( 2 6 ) 式中：r 、c 分别为图2 3 中r l 、c i 的参数。积分器输出u ( x ) 与被测电流成 线性关系，只要准确地测量u ( x ) 就可以得出i x 值。线圈输出的电信号被积分，实 现与一次电流相同的波形输出。这样，线圈和积分器的组合就形成了一个系统， 其输出不存在传统电磁电流互感器非线性失真的影响，且有精确的相位响应。 用r o g o w s k i 线圈与积分器组成的系统进行电流测量有以下优点： ( 1 ) r o g o w s k i 线圈由于不含铁芯，不存在磁饱和与铁磁谐振，克服了电磁式 电流互感器频带窄和量程范围小的缺点，且在很宽的测量范围内都呈现良好的线 性，其输出幅值与计算机测量系统的a d 转换要求相匹配，能方便地与计算机接 口，实现数字化测量，大大改善了测量的准确度和稳定性。 ( 2 ) 传统的带铁芯的电流互感器测电流时，由于涡流造成功率损耗。而 r o g o w s k i 线圈是空心线圈，功率损耗极微，因而准确度高。 ( 3 ) 其输出不再是电流量而是电压量，而且没有二次侧不能开路的限制，极 大地提高了人身与设备的安全。 ( 4 ) 测量系统与待测电流完全隔离，不会因被测电流过大而受到损害。 ( 5 ) 积分后输出的电压信号波形，准确地表征了被测电流的波形。 ( 6 ) 因为只有在磁场变化时才会产生电动势，故r o g o w s k i 线圈从根本上克服 9 低压智能断路器的关键技术研究 了被测电流直流分量对测量的影响。 ( 7 ) 体积大大减小，重量大大减轻，十分有利于产品的绝缘化和小型化设计。 2 3 本章小结 本章介绍了r o g o w s k i 线圈的特点，讨论了r o g o w s k i 线圈电流原理，并给出 相应输入输出表达式。 l o 硕士学位论文 第3 章断路器保护特性曲线 3 1 第一代断路器保护特性曲线 1 短路瞬时动作保护 第一代断路器起初仅利用电磁感应原理对电路实现短路保护，后来发展到用 电磁感应与温度检测相结合的方案实现既有短路保护也有过载保护的功能。短路 保护实行瞬时动作，即一旦电流超过阀值，断路器即刻跳闸，如图3 1 所示，横 轴代表电流参量，是电路中的电流值与设备额定电流之比，纵轴代表对应电流参 量值的执行跳闸时间，瞬时动作一般为0 0 5 秒，它取决于跳闸机构的动作时间。 阀值点在1 2 至2 0 倍额定电流之间【硌】。 t o 。 i l 1 2 2 0 i i n 图3 1短路瞬时动作保护 2 温度检测实现过载保护 采用两种温度系数不同热敏元件构成温度检测元件，当有电流流过时，金属 片发热，由于温度系数不一致，两片金属发热产生形变不同，导致两片金属的弯 曲程度不同，通过金属弯曲导致脱扣器机构动作，从而断开电路。电流越大，金 属片的弯曲程度越厉害，在一定的过载电流范围内回路中的电流与分断时间呈反 时限特性曲线。图3 2 为短路与过载保护相结合的电流动作时间曲线图【l9 1 。 t ( s ) 图3 2 短路与过载保护 上图中的i n 是指额定电流，纵