智能脱扣器的设计调研报告.doc

塑壳断路器智能脱扣器的设计 ——调研报告 一、 项目背景及意义1.1项目背景 在电能的产生、输送、使用过程中，配电是一个极其重要的环节低压断路器就是在低压配电系统中用来处理由于电网波动导致线路出现严重的过载、短路、过电压、欠电压、过电流、剩余电流等故障的一种电器它可以及时切断电路，隔离故障，起到保护配电网络、电气设备的作用脱扣器是断路器的核心部件，可以在电网发生故障情况时控制断路器分断电流1.2项目意义 低压塑壳式断路器是一种重要的开关电器，用于低压配电网及各种工业和民用用电设备的控制和保护为了适应各种不同的应用场合，断路器通常应具有不同的保护功能，每种功能的动作特性应能在现场就地设置传统的低压断路器完成这些功能需要不同的脱扣器配置，并在其二次电路中相应功能的继电器，所以二次控制电路元件多，体积大，可靠性较差，维护工作量较大，无法实现被监控和保护对象的分布式管理 智能断路器是断路器本体与智能脱扣器的集成，可配置被监控和保护对象需要的各种保护功能及每种功能不同的保护特性，操作人员根据现场工作要求，可以方便地通过人机交互面板进行设置，还可以与应用系统中的其他智能电器组成分布式通信网络，接受后台管理系统的监控和管理，实现真正的分布式监控和管理。

这些功能都是由智能脱扣器根据对现场参量的处理结果自动完成的，因此智能脱扣器实际就是智能断路器的监控器，其设计是智能低压断路器的核心二、 国内外现状及技术发展趋势2.1国内外的发展现状 早期的断路器保护功能是利用了某些物理效应，通过机械系统的动作来实现的，因而体积较大，效果也不理想为了防止用电设备发生故障时影晌整个供电线路，以及在供电网络出现异常时损坏用电设备，在传统断路器的基础上逐步开发出更可靠的和具有更多保护功能的断路器例如，具有短路保护、热保护、漏电保护、缺相保护等功能的断路器早期的脱扣器是电磁式过电流脱扣器，该脱扣器功能简单，只能完成瞬时保护，在此基础上又逐步出现了带有过载延时、短路延时功能的脱扣器70年代开始出现了电子式脱扣器，随着微型计算机技术的发展，电器开关的智能化成为了可能智能化装置的特性应包括信号检测的随机性、灵敏性和精确性；信号的处理、逻辑思维及正确的判断性；有效、灵敏的执行功能及信息的可通讯性对于智能化的电器开关，不仅能够提供普通断路器的各种保护功能，还能实时显示电路中的各种参数，各种保护功能的动作参数也可以监视、设定和修改，保护电路动作时的故障值也可以存储在非易失存储器中以便查询。

具有了这些优点，智能脱扣器的功能日益强大，现已在低压配电系统中得到广泛的应用 目前具有代表性的国外产品有梅兰日兰的M系列，ABB的F2系列，三菱的AE系列，西门子的3WN系列，其中WN系列产品的脱扣器中还有一种可选功能，就是脱扣前导信号，当3WN断路器过载时，过载脱扣前200ms时它会给出报警信号，在某些场合如晶闸管变流系统中这个功能是很有用的 图1 ABB公司F系列图2 西门子公司3WN6系列我国的低压断路器可分为三代第一代以DWl0、DZl0等系列产品为代表，其性能水平相当于国外50年代水平，市场占有率为20％—30％第二代产品包括自行开发产品和技术引进产品，自行开发产品以DWl5、DZ20为代表，共56个系列，技术引进产品则以ME、T0、TG、3TB、B系列为代表，共34个系列，性能水平相当子国外70年代末至80年代初水平，市场占有率为50％一60％第三代产品以最近开发的DW45、S等系列产品为主，其性能水平相当于国外90年代初水平，市场占有率为5％--10％目前国内低压断路器的额定工作电压为交流380V，交流额定电流为630A—5000A，极限分断能力为50KA--120KA，一般都具有3极(可分断A、B、C相)和4极(可分断A、B、C、N相)两种类型。

图3 DZ20透明塑壳断路器 图4 DW45系列 因为智能型断路器具有许多传统断路器所无法比拟的优点，所以其研制受到国内外的普遍重视自1985年出现第一台以微处理器为基础的智能型断路器以来，法国梅兰日兰(MG)公司、日本寺崎公司和美国西屋公司等相继开发了带微处理器的智能断路器 微处理器引入到断路器，使中央计算机、前级和后级断路器之间进行双向通信成为可能90年代，国外许多公司相继开发出智能断路器的集中控制和检测系统，包括有多种平台和相应软件支持的中央计算机控制系统、智能化断路器的对话模块、低压配电装置的监控系统等国内在微机保护和监控系统的研制方面起步较晚，主要从引进技术和自行开发两个方面进行，产品的主要性能跟国外相比还存在差距而且研究主要集中在变电站综合自动化系统，而以断路器为控制对象的智能化产品则很少，直到l996年才有针对单个断路器的测控单元出现，且其功能与国外相比基本上处于配制开发阶段因此，开发高性能的智能断路器是国内电器行业迫切实现的课题，它在国内具有广阔的发展前景和用户市场工业的发展对配电系统的要求越来越高。

新型的低压断路器既要具有传统功能，又要满足配电系统(尤其是环网系统)级间精确性的选择性要求的有区域联防、远方控制、能量监视和记录、事故记忆、调试等功能，集保护、测量、监控于一体现今，我国电力工业的发展和用电量猛增，随着发电容量和用户数量的日益扩大，低压电网对配电型断路器的要求也越来越高不仅要求它具备很大的短路电流分断能力，实现选择性保护和供电安全，同时对电业管理提出能在断路器上显示对电流的监视、自行调节、测量、试验、自诊断甚至可通讯等智能化功能的需求智能型断路器应运而生2.2智能脱扣器的发展趋势◆ 产品化将智能监控单元做成相对断路器独立的通用性的产品，使其使用范围不限于某种断路器，而且检测和维修也会相对筒单以前断路器产品的测试必须在断路器整个设备装配完成后才能进行，而智能监控单元产品化以后其测试可以独立于断路器进行，这使得整个断路器的测试程序大为简化，测试时间也大为减少◆ 智能化和可通信化 智能化就是采用了微处理器技术，从而具有应用软件，这样在硬件不变的情况下具备较大的适用性和升级能力可通信化是在产品中加入相关的检测、判断和通信等芯片或电路，使监控单元的各种状态和工作参数能较好地通过传输媒质(如现场总线、串口线等)与线路上的其它电气设备交流，适应当前电气设备智能化及网络化的趋势。

就我国的实际情况而言可通信化的具体要求可体现为“四遥"——遥测、遥信、遥控和遥调，这距离网络化能力还有很大的差距，但比较符合我国科研水平和经济水平◆ 模块化和通用性 模块结构给产品设计、制造及市场适应能力带来了许多好处，诸如降低产品设计、制造和新产品开发的复杂性，功能扩展与维护方便，产品的市场应变能力强等模块化设计及尺寸、零件等应当具有通用性，这一点无论在生产者的设计、制造和技术继承等方面，还是在用户使用、维修方面，其作用及重要性当前都已为多数人所认识 另外，产品高可靠性、高稳定性、操作方便与安全等方面也应当是不断追求的目标对我国的产品，在材料和加工工艺、产品的外观和整体布局方面还有待进一步的提高以上的这些特点，一方面可以使一台断路器实现多种功能，使单一的动作特性有可能做到一种保护功能多种动作特性，另一方面可以使断路器实现与中央控制计算机双向通讯，构成智能化的监控、保护、信息网络系统，使断路器从基本保护功能发展到智能化、网络化的保护功能三、 项目目标及主要工作内容3.1 目标1）开发一种作为智能型脱扣器它具有过载长延时、短路瞬时等保护功能2）相关的整定调整由按键与显示装置配合完成。

3）能够直观给出脱扣器的工作状态4）可控制实际断路器完成脱扣功能3.2 主要工作内容1）项目准备阶段：初期资料的查找与分工2）项目设计阶段：项目目标的确定及初步设计思路3）项目实施阶段：根据分工及时间表进行开发设计4）项目调试阶段：根据开发时的具体问题进行调试与修改5）项目验收阶段：进行项目验收与考核四、初步设计方案4.1 设计思路（1）从一次电流互感器实时采样主电路电流，并将其转换为处理器件可以接收和处理的数字量2）处理器件采用合适的算法对采样结果进行处理3）根据处理结果、现场（人机交互操作面板）或后台管理系统发来的指令，完成对被监控断路器的操作控制，并显示工作状态4.2硬件 典型的智能脱扣器硬件包括：电流信号调理模块、中央控制模块、电源模块、输出驱动模块、人机交互模块 图5 智能脱扣器的总体结构图 图6 电流信号调理模块电路原理图 图7 输出驱动模块电路原理图4.3 软件1）初始化模块完成对整个硬件系统的初始化工作，包括对PIC单片机各输入输出端口的配置和定时器工作的设置。

2）采样定时中断处理模块A/D采样、执行瞬动保护，如果瞬动保护功能开放，则每次采样完成后，程序计算当前采样点和前两个采样点电流采样值的平方和，结果与瞬动保护的整定值比较，大于则说明线路发生短路，单片机发出脱扣指令，否则退出中断程序，等待下一次中断3）A/D转换结果处理模块计算并存储A/D采样结果；4）故障判断处理模块根据累计热效应算法，将当前计算结果与整定值比较，判断和处理故障 图7 程序流程图五、进度安排1 周 教师介绍项目，并分组2-4 周 调研5 周 调研成果汇报6-7 周 方案设计与讨论8-14 周 具体设计工作展开15-16 周 总结，报告6、 参考文献【1】王汝文. 电器智能化原理及应用[M]. 电子工业出版社, 2009【2】周晓伟. 智能断路器用脱扣器设计的研究[D]. 中国计量学院:周晓伟, 2013.【3】张自峰. 低压断路器智能化的发展趋势[J]. 电力应用, 2010, (1): 23-23。