智能脱扣器设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上1低压断路器及智能化脱扣器概述1.1 低压断路器随着电力技术的高速发展和供电规模的日益扩大, 系统的网络结构和运行方式日趋复杂, 对电源的可靠性、安全性及供电质量也都提出了更高的要求,相应地对系统设备的操作简便性和安全性以及可靠性也提出了新的要求。低压断路器作为电力供配电系统中广泛使用的主要控制电器, 除了要能正常分合相关系统额定电流外, 还要在相关系统故障时能快速有选择性地可靠分断相关系统短路故障电流,且不能出现越级跳闸或拒动现象。 特别是随着电力系统控制方式数字化进程的发展应用以及电力系统综合自动化的广泛应用, 对系统可视化、自动化、网络化、实时化、精确化的要求越

2、来越高, 相应地对应用面积广、网络结构复杂、操作较频繁、故障率高的低压断路器也就提出了更高的要求, 传统断路器根本无法满足现代电力系统综合自动化的需要。智能化技术的应用于是成了低压断路器的一个重要发展应用方向。12 脱扣器的发展过程脱扣器是能使断路器在电气设备遭受过载，短路，欠电压，过电压等故障时实施各种保护功能的机构。早起的脱扣器是空气断路器采用的电磁式过电流脱扣器，该脱扣器只能实现瞬时保护功能。随着断路器的发展，其额定工作电压，电流以及分段能哭和保护功能不断发展，脱扣器也随之发展起来。在采用油阻尼，空气阻尼，钟表结构等作为延时元件后，脱扣器实现了过载延时和短路延时等功能。采用热双金属片的热

3、式脱扣器也逐步出现，到20世纪60年代初，由于电子技术的普及和应用，出现了半导体脱扣器。现用的脱扣器出来热式脱扣器，电磁式脱扣器外，还有半导体是脱扣器。进入20世纪90年代初依赖，低压断路器的保护紧跟国际发展趋势，由电子式向数字智能化方向发展，脱扣器的过流脱扣系统由微处理器控制。它除了保持了电子式脱扣器的各种优点外，还具有保护精度高，调节范围广，操作方便等特点。特脱扣器是能使断路器在电气设备遭受过载，短路，欠电压，过电压等故障时实施各种保护功能的机构。早起的脱扣器是空气断路器采用的电磁式过电流脱扣器，该随着电力技术的高速发展和供电规模的日益扩大, 系统的网络结构和运行方式日趋复杂, 对电源的可

4、靠性、安全性及供电质量也都提出了更高的要求,相应地对系统设备的操作简便性和安全性以及可靠性也提出了新的要求。低压断路器作为电力供配电系统中广泛使用的主要控制电器, 除了要能正常分合相关系统额定电流外, 还要在相关系统故障时能快速有选择性地可靠分断相关系统短路故障电流,且不能出现越级跳闸或拒动现象。 特别是随着电力系统控制方式数字化进程的发展应用以及电力系统综合自动化的广泛应用, 对系统可视化、自动化、网络化、实时化、精确化的要求越来越高, 相应地对应用面积广、网络结构复杂、操作较频繁、故障率高的低压断路器也就提出了更高的要求, 传统断路器根本无法满足现代电力系统综合自动化的需要。智能化技术的应

5、用于是成了低压断路器的一个重要发展应用方向。脱扣器是能使断路器在电气设备遭受过载，短路，欠电压，过电压等故障时实施各种保护功能的机构。早起的脱扣器是空气断路器采用的电磁式过电流脱扣器，脱扣器只能实现瞬时保护功能。随着断路器的发展，其额定工作电压，电流以及分段能哭和保护功能不断发展，脱扣器也随之发展起来。在采用油阻尼，空气阻尼，钟表结构等作为延时元件后，脱扣器实现了过载延时和短路延时等功能。采用热双金属片的热式脱扣器也逐步出现，到20世纪60年代初，由于电子技术的普及和应用，出现了半导体脱扣器。现用的脱扣器出来热式脱扣器，电磁式脱扣器外，还有半导体是脱扣器。进入20世纪90年代初依赖，低压断路器

6、的保护紧跟国际发展趋势，由电子式向数字智能化方向发展，脱扣器的过流脱扣系统由微处理器控制。它除了保持了电子式脱扣器的别是其人机对话功能是原来必须由制造厂整定后交付用户使用变成了使用单位可以根据线路中变化的过载情况或可能的短路故障随时自行调整整定值，断路器同样能达到高精度的保护要求。脱扣器的种类繁多，但按功能来划分，基本上可以分为过电流，漏电，分励和电压脱扣器；按照结构来划分可以分为普通脱扣器，电子式脱扣器和智能式脱扣器。下面将详细讨论智能化脱扣器。13智能化脱扣器及其关键技术智能化脱扣器在结构上大致可以分为监测和传感模块，信号处理模块，动作模块，即将电路参数检测，信号处理，执行单元分离开来，故

7、只要在参数检测和信号处理单元进行相应的设计和修改，一个字脱扣器可以实现传统意义上的几个脱扣器的功能。智能化脱扣器采用了微处理芯片，从而可使其配备应用软件，在硬件不变的情况下具备较大的适应性和升级能力。智能化的另一个较大的功能是可以实现通信化。课通信化是在脱扣器产品中加入相关通信芯片或电路，是脱扣器的各种状态和工作参数能通过各种传输媒质（如现场总线，串行接口线等）与线路上的其他电气设备交流，适应了当前电气设备智能化及网络化的趋势。国际上的名牌企业都有各自的智能化产品，如美国西屋公司的SPB系列（2505000A）和C系列（1501600A）塑壳式断路请，德国西门子公司的3WN系列产品，日本寺崎电

8、气公司的AT系列（6303200A）万能式和XH系列塑壳式断路器以及法国Merlin Gerin公司的Masterpact系列万能式断路器，没过通用电气公司退出的带数字化固态脱扣系统的多功能塑壳式断路器等。ABB公司的SACE Megamax F系列产品中的SACE PR1脱扣器和ISOMAX S系列产品中的PR2I²脱扣器，这两种脱扣器能通过网络对断路器进行运行参数设置和操作，通过简单的扩展便可以实现能源集中管理。智能化脱扣器的结构见下图。在一个脱扣器上可以集成过电流，电压，分励等功能。在硬件上，微处理器模块，辅助功能模块和执行单元都可以是相同的，对电流和电压信号处理，现实等的不同

9、都可以在设计软件里实现，过电流保护功能需配置过电流信号检测单元；而电压保护则需要配置电源，整流滤波，稳压，欠压延时等单元；分励功能只需要增加一个开关即可。1.4 监测和传感技术电压检测通常用电压传感器（电压互感器），而电流检测常用电流传感器（电流互感器），后者有实心和空心之分，两者各有利弊。采用实心电流互感器在小电流时线性度好，但大电流时铁心易于饱和，线性度差，测量范围小；采用空心电流互感器，线性度好，测量范围广，但小电流时，信号较小，测量误差大。要提高小电流时的测量精度，必须改变互感器线圈匝数，增加互感器副边输出信号幅度。点小电流时，若副边输出信号过大，大电流时则信号难以采样，甚至破坏电路的

10、正常工作。因此，如何提高小电流时的测量精度，实现全范围电流的精度测量，是断路器实现智能化的关键技术之一。为此，信号检测单元在采用适当的传感器后，还应该采取各种信号放大器进行适当的放大，及采取噪声滤波器进行噪声滤波等。此外，需要考虑的因素还有很多，如输入输出特性，灵敏度，频率响应，时间常数，温度系数，测量范围等。ABB的新产品的检测元件就选择了高质量的空心电流互感器。1.5 微处理器及其接口技术对位处理器的基本要求是具有硬件通用化，应用灵活化及记忆，计算，查表能力，指令系统应具有实时控制，执行速度快等一系列有点，因为这是断路器智能化的核心。目前微处理器已形成多系列，多品种局面。我国当前使用的较多

11、的是MCS-51系列，有10多种型号。接口技术是微处理器与外围设备之间的技术，既包括硬件技术，也包括软件技术。接口电路有多钟，常用的有：微处理器通用接口，键盘，显示器接口，打印机接口，A/D（模/数转换）接口，D/A（数/模转换0接口等。1.6 应用软件设计技术可以说软件是智能脱扣器的灵魂，微处理器与数字电路的本质区别就是在于它具有软件系统，很多硬件电路能实现的，软件也能做到，因此在电路设计时，有时可以考虑用软件来部分或全部实现硬件的功能。从软件的功能来看可以分为两大类，一类是执行软件，要能完成各种实质性的功能，如实时采样，数据处理，现实，打印，输出控制，通讯，人工智能，优化技术等。另一类是监

12、控软件，这是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度的软件。这两了软件的设计方法各有特色，执行软件的设计偏重于算法效率，与硬件关系密切，千变万化；监控软件着眼全局，逻辑严密。当前重点放在前者上，由于脱扣器的工作特点，快速反映对其工作性能的作用不言而喻，在加强传感器技术研究的前提下，采用先进的算法也是很有必要的。ABB新的断路器所采用的算法在几百s内就能检测出增大的短路电流，此段时间包含了相电流的A/D转换时间，噪声滤波器的动作时间，信号处理以及发出开断指令所需要的时间。在最佳短路参数条件下（短路发生在接近90°相位时），此算法能够在小于200s内检测到短路电流。

13、此算法能够区分短路和噪声脉冲，且速度相当快（总检测时间1ms）。而且，为了能够早期检测增加的短路电流值，仅检测现在的电流指示不够的，必须能够预测电流的变化趋势。可以同该观察相电流的一阶或多阶导数di（t）/dt获得，即可对所预测的情况的实际电流i（t）和它的导数之间的联系进行跟踪。这也是需要现金复杂的算法。此外，断路器不仅要早短路故障发生时开断电路，而且当系统正常运行时保持闭合状态。若是由于误报警导致停电，会造成极大浪费，要设法避免。这样是要采取相关的算法。1.7 抗干扰技术电子电器的干扰来自各个方面，有电气干扰，还有环境温度变化以及电压，振动，时间等各种因素造成的干扰，其中电气干扰是各类干扰

14、中的主要因素。干扰通过各种线路侵入微处理器系统。也可以以场的形式从空间侵入微机系统，供电线路是电网中各种浪涌电压入侵的主要途径。有的断路器工作环境恶劣，干扰因素多，他常常工作在大电流（几KA，短路时可达50KA以上）。以场的形式入侵时干扰传播的主要途径，表现为通过静电感应，电磁感应灯方式在微处理器系统中形成干扰，引起断路器误动作。抗干扰的措施有硬件抗干扰，软件抗干扰，也有软硬件结合的措施。分析干扰源及干扰波的传播途径，合理选择抗干扰措施是低压断路器实现智能化的重要内容。1.8可靠性技术电子产品的可靠性设计的范围很广，诸如元器件的可靠性，技术设计，工艺水平和技术管理等共同性决定了电子产品的可靠性

15、指标。提高产品的可靠性，必须掌握产品失效规律，只有对产品的失效规律有全面的了解，才能采取有效的措施去提高产品的可靠性。2 系统功能与硬件设计智能脱扣器的主要原理框图如图1所示。主要由电源模块、电流检测调理单元、P89LPc938单片机、脱扣器检测和脱扣控制电路、I²C总线和通讯模块六大部分组成。工作时，电流互感器(空心线圈)采集三相电流和地线电流，送入整流电桥，通过采样电阻将电流信号转换为电压信号，输出两路信号。一路是通过整流电桥对输入的交流信号进行滤波、转换，变成+15V直流电压，再通过7805电路和7103电路，对产生的直流电进行电压变换，产生+5V和+3V直流电源，分别给单片机

16、和脱扣器检测电路供电。一路是从直流部分取样，通过LM324电路进行放大，并对放大信号进行取样和计算。从LM324电路放大后的取样信号，又输出两路信号。一路送往P89LPC938单片机的AD转换器接口，单片机对信号进行数字转换、计算和判断；另一路送往Hc00和LM358电路组成的模拟脱扣检测电路，单片机将检测到的电流信号与整定值比较，判断是否脱扣，若脱扣则确定动作时间并发出控制信号及报警信号，将直接驱动脱扣电路发出跳闸信号。通过I² C总线8位远程IO扩展口芯片扩展了键盘接口，扩大了脱扣器整定量程，可以更大限度地对脱扣器的各种保护特性的参数进行设置和检验。提供标准RS485接口，实现与

17、上位PC机通讯。智能脱扣器框图图1图22.1 电源模块智能控制器采用双电源供电，一路为自生电源，用电流互感器从主电路感应出电流，经过三相整流、滤波、稳压，输出+3V、+5 V、+15V电压，分别供单片机、电流电压采样电路及脱扣驱动机构工作，当线路电流不低于04倍额定电流值时，即可保证控制器的正常工作；另一路为辅助电源，选用宽电源输入的开关电源模块，不仅在主电源不能工作时提供电源，还可在断路器断开的情况下使智能脱扣器继续工作，如参数整定、状态显示和通信。同时在系统断电的情况下，我们用电池来维持单片机的低功耗状态。2.2 电流检测调理单元 电流检测调理单元由采样电阻、整流滤波、放大电路组成。其主要

18、功能包括对信号进行低通滤波、跟随、放大、带通滤波4个环节，这样能够去掉大部分干扰信号。采样信号通过LM324电路进行放大，然后对放大信号进行取样和计算。最后，将取样电流信号送到单片机AD采样通道口，以使系统进行数据AD转换。2.3 微处理器单元单片机以其高性价比和可靠性成为智能化断路器智能控制系统的首选。微处理器单元由高性能的自带A/D 转换、看门狗监视器、I2C 串行总线和高速输入输出通道、通讯接口和标准的JTAG 程序烧写口的单片机及其外围电子电路组成。配以优化的软件, 组成的单片机控制系统所需外围元件少, 使得设计简单, 布线方便, 而且在稳定性和抗干扰能力上都有极大的提高。各交流量分别

19、经信号输入回路、低通滤波器送到CPU 控制的多路开关, 经模数转换后, 由DB 数据总线送到数据存储器（ RAM） 。 CPU 通过调用程序存储器（ EPROM） 中的程序对采集的数据进行计算, 其计算结果与存放在电可擦存储器（ E2PROM）中的整定值进行比较, 作出相应的故障判断处理。再通过输入输出端口（ I/O） 将处理信号送到相应外设（ 信号与出口） 发出报警信号, 或执行跳闸。微处理单元除了要完成整个系统的测量、保护、逻辑等功能外, 还具有自我故障诊断和监察的能力,当断路器本身发生故障或环境温度超过允许范围时, 能发出相应的信号显示或报警, 同时重新起动。自诊断的项目主要有EPROM

20、出错、A/D 转换出错、环境超温、CT 断线、跳闸线圈断线、断路器拒动及触头维护。微处理单元的自诊断功能不仅大大提高了断路器的运行可靠性, 更给后期维修、故障判断工作提供了极大的方便。24 脱扣器检测和脱扣控制电路主要任务是实时检测和显示三相电路的电流、电压等参数，同时判断电流是否大于所设定的故障电流值而决定是否发出脱扣控制信号，并实时处理过载、短路、接地故障等故障信号，按保护特性要求延时或瞬时控制执行元件分断断路器，从而达到保护的目的。本设计采用过载长延时(反时限)、短路短延时(反时限+定时限)、短路瞬动三段保护，各种故障保护的电流整定值和动作时间可通过键盘设定，并存储在单片机的EEPROM

21、中。单片机将检测到的电流值与这些整定值相比较，判断阈值是否脱扣，在AD中断模块的每一个中断中执行瞬动保护子程序，若超过设定的瞬动阈值，即脱扣；若未超过阈值，则继续采样。若脱扣，则先确定动作时间，再发出控制信号，同时显示故障电流、故障类型和动作时间；否则，刷新显示。为保证断路器的可靠动作，还提供模拟脱扣方式，当故障信号超过规定值时，不经过单片机的检测而直接使断路器脱扣。2.5 显示和键盘单元在智能化设备中, 不仅要实现自动控制, 还要能把相关信息传递给操作运行人员, 还要能够接受外部输入并做出响应。良好的用户界面是人机对话所不可缺少的, 灵活的键盘管理及直观的信息显示给用户提供了极大的便利。通过

22、液晶屏或发光管能够适时显示各种状态和负载的参数值及故障电流、故障类型和保护动作、试验整定情况, 结合按键还可以进行保护的整定、预警值的设定、开关的试验和各种功能的检测。26 通信模块通过RS一485RS一422收发器模块MAx3082E，脱扣器能与上位PC机进行Rs485通信，将脱扣器设置的参数、检测的电流情况、记录的重要事件等传送到上位PC机。同时，上位PC机可通过RS485通信对断路器进行遥控(断路器分、合闸)、遥测、遥调(调整保护整定值)、遥信的“四遥”功能。3 系统软件设计3.1 软件设计过程软件设计主要分为两个部分, 主程序和中断程序。主程序包括故障处理、键盘处理、显示处理、通信处理

23、等子程序; 中断程序包括定时器中断、键盘中断、通讯中断等。 单片机对工频电流信号进行采样, 利用一种基于小波分析和FFT 的改进算法计算电流的有效值,可以提高采样的精度, 满足系统对延时保护高精度的要求。小波算法在采样过程中检测到可疑信号点后, 由FFT 算法进行有效值判断, 如果没有超过门槛值, 则可疑信号点无效, 回到小波算法中继续寻找采样可疑点; 如果有效值超过门槛值, 则认为可疑点有效, 根据各保护条件输出相应信号。 多功能脱扣器实时控制采用定时器中断方式,判断瞬时故障为最优先中断; 判断短延时、长延时和接地故障为次优先级中断, 按键操作为低级中断。每一相电流依次采样, 分别与前一次保存的数据比较, 保存较大的数据。接着计算出最大相电流,与瞬时整定电流值比较, 判断是否瞬时故障。按键闭合时产生中断请求, I/0 响应中断, 执行中断服务程序扫描按键,