智能断路器用脱扣器设计的研究

【摘要】智能脱扣器的基本工作原理可以描述如下：电流互感器从供电线路中吸取能量供给脱扣器的电源系统，同时将被测电流转换为与之成比例的电压信号。电压信号经过信号调理电路后送入中央处理单元进行运算和处理，与整定电流和动作时间的整定值进行比较。当发生过载、短路以及瞬动故障时单片机发出脱扣信号并控制断路器分断电路。

【关键词】智能断路器；设计研究；脱扣器

引言

近几年，随着电力系统和配电自动化的不断发展，电力系统保护装置经历了电磁式保护、晶体管保护和微机保护。电磁式保护装置是基于电磁和电磁感应原理的有接点继电器组成，具有原理简单、价格便宜等优点，但能耗高、动作速度慢、抗震性差，可靠性和灵敏度难以得到保障。而晶体管保护装置虽然具有体积小、重量轻、消耗功率小、灵敏度高、动作迅速、不怕震动、无磨损等一系列优点，但是晶体管保护装置也有抗干扰能力差、装置本身的性能不是很稳定等明显的缺点。随着用电系统的规模和等级不断扩大，系统的网络结构和运行方式日趋复杂，传统的控制器已越来越难满足系统的可靠性、准确性和实时性的要求。

1 智能脱扣器简介

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构建。它实质上就是只能断路器的监控器。

早期的脱扣器是空气式断路器所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，其额定工作电压和电流保护功能不断发展，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原件后，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。现用的脱扣器有热式脱扣器，电磁式脱扣器外，还有半导体脱扣器。进入20世纪90年代初以来，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。它除了保持电子式脱扣器的各种有点歪，还具有保护精度高，调节范围广，操作方便等特点。

2 智能脱扣器涉及的主要部件及技术：

2.1单片机及其应用技术

单片机以其紧凑的结构、丰富的功能而受到广泛的应用，并成为智能化仪表的核心部件。目前，在研制高性能、高精度、多功能测量控制仪表时，几乎无一例外地都考虑采用微处理器和单片机。在测试控制仪表中采用单片机技术使之成为智能仪表后，能够解决许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还能够简化控制仪表电路，提高系统的可靠性，降低整机的成本以及加快新产品的开发速度。单片机作为智能型控制器的核心，它的发展将制约着智能型断路器的发展与改进。随着集成电路制造技术的不断提高，单片机的体积越来越小，而功能越来越丰富。新一代的单片机产品，已经将程序存储器ROM、定时/计数器、串行通讯接口、A/D 转换器、PWM 转换输出、波形发生器、watchdog 监视器、I 2C总线接口、更多的I/O 内部RAM 集成在一起，从而能够适应更加广泛的用途。另一方面，功能简单的单片机则向低功耗和小型化方向发展。采用串行总线的单片机，其外部引脚只有8 个。另外对通信部分的设计也可以实现断路器的联网通信，对各个断路器可以用主机对其进行操作和控制，从而实现遥控、遥测、遥调、遥讯的功能。

2.2专用集成电路

智能化电气开关经常涉及到一些特殊的和复杂的功能。这些功能如果完全由计算机来完成，无疑会加重CPU 的负担，其效果也未必理想。事实上在智能化电气开关出现以前，己经开发出了许多行之有效的专用集成电路，例如漏电保护专用集成电路。采用专用集成电路，不仅能够减轻CPU 负荷，还能够在CPU 万一出现故障时保证可靠的动作，在一定程度上也能够提高系统的响应速度。专用集成电路分为两类：一类是实现某种专用功能的电路，例如漏电保护集成电路、电源专用集成电路、缺相保护集成电路等；另外一类是运算电路，主要是用于电流保护运算（对数、反对数运算）、功率因数运算等。

2.3智能化集成传感器

随着用电保护技术的不断完善，各种保护装置的功能和技术要求也不断地提高。一般情况下，低压断路器要求具有以下的保护功能：①过电压和欠电压保护功能；②三段电流保护功能；③漏电保护功能；④缺相保护功能；⑤其他异常保护功能（瞬时尖峰脉冲、瞬时断电等）。要完成这些保护功能，就要有相应的各种传感器。这些传感器性能的好坏，直接关系到智能化电气开关的性能。另一方面，传感器要有较高的精度、较宽的动态范围及检测范围，同时又要有较小的体积，输出信号还要便于与智能控制电路接口。这在目前还是较难做到的。受微电子技术的影响，传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。如果能够利用最新的技术开发一种集成化的传感器，即将各种电量传感器集成在一起，将能够大大提高其使用性能。甚至，还可以将微处理器与传感器集成于一体。这可以使智能化电气开关的整体性能提高一个档次。

2.4电源技术

智能化电气开关的电路可以有三种供电方式：专用电源供电、蓄电池供电和电流互感器供电，后者也称为自供电。这三种供电方式可以单独使用，也可以配合使用，形成冗余供电系统。前两种供电方式在技术上与一般的微机应用系统没有什么区别。电流互感器供电是断路器所特有的一种供电方式，单独使用时可以省去其他供电电路，而且可以随着电网的接通自动开始工作，是一种理想的供电方式。但电流互感器供电有以下几个问题需要妥善处理：1）由于电源能量来源于电流互感器，因此电网电路中电流较小时不足以供电。2）当电网电路的电流缓慢上升时，自供电电源的电压也是缓慢上升的。这对于模拟电路不会有问题，而对一于微处理器和数字电路，应该有一个可靠的复位电路，才能使其启动并正常工作。3）由于电流互感器既要作为电流信号，又要提供电源能量，两者之间必然会产生交叉影响，即智能化电路的工作电流会影响对电网电路电流的检测结果。因此，要有一套补偿与修正的方法。使用多种供电方式的冗余供电，可以增加系统的电源可靠性。但冗余供电方式需要有一个切换装置。由于智能化电路的工作电流通常都较小，因此切换电路在技术上不难实现。可以直接由微处理器配合专用电源检测电路进行切换控制。

2.5系统集成化技术

智能化脱扣器是以微处理器为核心的机电一体化产品。它包括供电部分（常规供电、电池供电、电流互感器自供电）、传感器、控制部分、调整部分、执行机构以及开关本体。各个组成部分之间相互关联，又相互影响。如何协调与处理好各个组成部分之间的关系，使其既能满足所有的功能要求，又不超出现有技术条件所允许的范围（体积、功耗、可靠性、电磁兼容性等），就是系统集成化技术的主要内容。智能化脱扣器是一类具有较高技术含量的产品。实践表明，产品的技术含量越高，系统集成化技术对其影响和作用也越大。特别是在生产实践中，由于牵涉面大，往往一个部件的问题而影响整机的性能与质量。在现代工业中，系统集成化技术集中体现了基础工业的整体水平。

3 结语

随着科技的发展和不断创新，目前新型的智能断路器已取代老式断路器。随着电力系统可靠性、灵活性、智能性的进入，用电质量的提高，智能型断路器的投入，已经成为一种必然的选择。

【参考文献】

[1]方鸿发.低压电器[M].北京机械工业出版社，1982.

[2]夏天伟.用于低压断路器的智能脱扣器的设计.电工技术 ，2001（5）.