林 宜

（廈門士林電機(jī)有限公司，福建 廈門 361021）

諸如低壓斷路器、熱過載繼電器等過流保護(hù)電器，因其能及時(shí)分?jǐn)噙^載短路等故障電流，保護(hù)負(fù)載設(shè)備免受過電流危害，在低壓配電系統(tǒng)中起著非常重要的作用。

對(duì)于承受斷續(xù)過流能力較差的負(fù)載設(shè)備（如電動(dòng)機(jī)負(fù)載），要求過流保護(hù)電器要具有較好的過流合閘再脫扣能力，即脫扣后短時(shí)間再過流合閘時(shí)能在較短時(shí)間內(nèi)再脫扣的能力，防止負(fù)載設(shè)備頻繁斷續(xù)工作，如電動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)，出現(xiàn)燒損的現(xiàn)象。

熱磁式過流保護(hù)電器由于其雙金屬片結(jié)構(gòu)具有受熱逐漸彎曲冷卻逐漸恢復(fù)的特性，因此具有較好的過流合閘再脫扣能力，但電子式過流保護(hù)電器并無雙金屬片結(jié)構(gòu)，只能通過電子保護(hù)單元采用某些特定方式去模擬類似雙金屬片受熱彎曲冷卻恢復(fù)的特性，以使其也具備較好的過流合閘再脫扣能力。于是，電子式過流保護(hù)器的“熱記憶”功能便應(yīng)運(yùn)而生。

1 熱記憶功能

所謂的熱記憶功能是指電子式脫扣器通過軟硬件模擬過流保護(hù)設(shè)備或負(fù)載設(shè)備中通電導(dǎo)體熱量累積與消散的過程，同時(shí)存儲(chǔ)這些熱量值。熱記憶功能有脫扣前熱記憶與脫扣后熱記憶之分，本文所述的熱記憶功能為脫扣后的熱記憶功能，即電子式脫扣器存儲(chǔ)脫扣時(shí)的熱量，模擬熱量的消散。

脫扣后熱記憶又分為在線熱記憶與斷電熱記憶兩種。在線熱記憶是指過流保護(hù)電器脫扣后其電子保護(hù)單元不斷電工作實(shí)現(xiàn)熱記憶功能。斷電熱記憶則是指過流保護(hù)電器脫扣后其電子脫扣器斷電工作實(shí)現(xiàn)熱記憶功能。

由于動(dòng)作后電子脫扣器處于仍不斷電工作狀態(tài)，因此在線熱記憶實(shí)現(xiàn)方式較為容易，可通過軟件算法[2]在線模擬通電導(dǎo)體的熱量消散。

相比較在線熱記憶，由于脫扣后電子脫扣器已斷電，因此斷電熱記憶實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)困難，其如何存儲(chǔ)脫扣時(shí)的熱量及如何模擬熱量消散是其兩大難點(diǎn)。

本文將著重介紹斷電熱記憶的實(shí)現(xiàn)方式。

2 現(xiàn)有斷電熱記憶技術(shù)

2.1 現(xiàn)有技術(shù)

斷電熱記憶的現(xiàn)有處理方式為：電子脫扣器中的微控制器 MCU通過采樣線路上的各相極電流，并利用軟件熱模擬算法，將電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的熱量值，然后通過一定的方式輸送到外部器件進(jìn)行斷電保存，最后通過電容放電方式來模擬熱量的消散。

圖1 斷電熱記憶實(shí)施框圖

實(shí)際實(shí)施技術(shù)如圖1所示。當(dāng)采樣到過載電流時(shí)，微控制器輸出一定寬度的脈沖來控制充放電電路中的充電電容達(dá)到一定的電壓值，該電壓值為過載電流延時(shí)預(yù)設(shè)的一定時(shí)間要?jiǎng)幼骰蛎摽郏辞袛嗑€路）所積累的熱量值的比例值。脫扣后，微控制器斷電，充電電容開始慢慢放電。之后再合閘時(shí)，微控制器重新得電并開始采樣充電電容的剩余電壓，再將剩余電壓轉(zhuǎn)換成等比例的剩余熱量值。該熱量值將作為微控制器再次熱量累積的初始值。

2.2 技術(shù)不足

上述技術(shù)存在一個(gè)技術(shù)困難點(diǎn)：需要對(duì)充電電容的充電電壓進(jìn)行監(jiān)測以控制要達(dá)到的充電電壓，因此需要不斷閉環(huán)調(diào)整脈沖寬度，微控制器軟件處理較為復(fù)雜。

為減小軟件處理的復(fù)雜度，另有其它技術(shù)試圖通過硬件電路的方式來閉環(huán)調(diào)整充電電容的充電電壓，即微控制器通過內(nèi)置的 DA模塊或外加的 DA芯片輸出充電電容要達(dá)到的目標(biāo)電壓值，充電電容的充電利用該目標(biāo)電壓進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)調(diào)整。該處理技術(shù)雖減小了軟件處理復(fù)雜度，但增加了硬件開銷。

上述處理技術(shù)雖然通過犧牲硬件開銷方式解決了軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜的問題，但仍忽略另外一個(gè)關(guān)鍵問題：僅對(duì)各相極中最大累積熱量相極進(jìn)行熱記憶，未對(duì)各相極分開處理，這樣對(duì)于負(fù)載不平衡的線路，將可能導(dǎo)致過流保護(hù)電器“早跳”。

3 新型斷電熱記憶技術(shù)

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文提出了一種處理簡單、實(shí)現(xiàn)容易的新型熱記憶技術(shù)，通過鐵電存儲(chǔ)器等非易失存儲(chǔ)器來“記憶”各相極累積的熱量值，采用電容放電來模擬熱量的消散，并根據(jù)電容剩余電壓值來換算成各相極的剩余熱量值，從而實(shí)現(xiàn)熱記憶。

3.1 電路原理

本文提出的新型熱記憶電路如圖2所示。

圖2 新型斷電熱記憶電路

電路中，通過電阻 R1與 R2分壓采樣實(shí)時(shí)判斷電子脫扣器是否脫扣斷電；由二極管VD1、電容C1、電容C2及低壓差線性穩(wěn)壓器LDO構(gòu)成儲(chǔ)能電路，該儲(chǔ)能電路作用是保證過流保護(hù)電器脫扣后其電子脫扣器仍有足夠的時(shí)間進(jìn)行熱量存儲(chǔ)；電阻R3、三極管Q1、電容C3及電阻R4則構(gòu)成電容充放電控制電路，通過該控制電路，達(dá)到利用電容放電模擬通電導(dǎo)體熱量消散過程的目的；通過運(yùn)放 U1A、電阻R5和電容C4構(gòu)成了電容C3電壓檢測電路，實(shí)現(xiàn)再合閘時(shí)放電電容剩余電壓的檢測；其中非易失存儲(chǔ)器（如上文提到的鐵電存儲(chǔ)器）是用來存儲(chǔ)脫扣時(shí)的熱量。

3.2 實(shí)現(xiàn)過程

正常運(yùn)行時(shí)，電子式脫扣器通過內(nèi)部的電流電壓轉(zhuǎn)換電路輸出供電電壓VCC1；VCC1向電容C1、C2充電完成蓄電工作，同時(shí)經(jīng)過低壓差線性穩(wěn)壓器LDO輸出微處理器MCU及其外圍電路的工作電壓VCC2；微處理器MCU通過電流互感器檢測線路中的電流，并換算成熱量值，同時(shí)控制電容C3持續(xù)充電在滿額電壓狀態(tài)；當(dāng)脫扣斷電時(shí)，供電電壓VCC1消失，微處理器可通過斷電判斷電路立即檢測到電子脫扣器斷電，同時(shí)儲(chǔ)能電容C1、C2開始向低壓差線性穩(wěn)壓器LDO供電，保證了微處理器MCU及其外圍電路可以短暫地續(xù)能工作；微處理器 MCU在蓄電工作期間將當(dāng)前的各相極的熱量值保存至非易失存儲(chǔ)器中，并停止對(duì)電容 C3充電；之后，電容 C3通過電阻R4開始放電，模擬熱量的消散；當(dāng)再合閘時(shí)，供電電壓 VCC1、VCC2重新上電，電子式脫扣器也重新得電工作，此時(shí)微處理器MCU采樣電容C3上的剩余電壓，同時(shí)讀取存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器內(nèi)脫扣時(shí)的熱量；最后依剩余電壓值與滿額電壓值的比例，根據(jù)電容放電公式與電壓熱量轉(zhuǎn)換公式，推算得出再合閘時(shí)各相極的剩余熱量值，完成熱記憶。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

本文將該熱記憶技術(shù)運(yùn)用于本公司的電子式塑殼斷路器產(chǎn)品，并對(duì)其熱記憶功能進(jìn)行測試，得到2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表1、表2所示。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：當(dāng)熱記憶功能開啟時(shí)，斷路器脫扣再合閘的間隔時(shí)間越短，其過載再脫扣用時(shí)就越短，這也說明了該電子式塑殼斷路器具有過流合閘再脫扣能力較好。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

表2 試驗(yàn)結(jié)果

3.4 技術(shù)優(yōu)勢

相比較現(xiàn)有斷電熱記憶技術(shù)，本文提出的斷電熱記憶技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）通過鐵電存儲(chǔ)器等非易失存儲(chǔ)器記憶脫扣時(shí)的累積熱量，無需要根據(jù)電流值實(shí)時(shí)閉環(huán)調(diào)整充放電電容的充電電壓，減小軟硬件處理的復(fù)雜度。

2）同時(shí)對(duì)各相極累積的熱量進(jìn)行熱記憶處理，保護(hù)更合理，對(duì)于負(fù)載不均勻的線路，可避免“早跳”現(xiàn)象。

3）無需對(duì)充電電容的預(yù)設(shè)充電電壓進(jìn)行判斷與控制，只需將其充至滿額電壓，控制較為容易。

4）斷電判斷電路不僅能檢測到脫扣斷電，而且還能檢測到其他非脫扣時(shí)的斷電，因此本文提出的熱記憶處理同樣適用于其他情況下的斷電熱記憶。

5）無需計(jì)算電容放電的時(shí)間，只需根據(jù)電容放電公式來換算熱量的剩余值，程序處理簡單。

4 結(jié)論

本文針對(duì)過流保護(hù)電器現(xiàn)有斷電熱記憶技術(shù)存在的問題點(diǎn)，提出一種新型的熱記憶處理設(shè)計(jì)方案，具有保護(hù)合理，結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，并已應(yīng)用于本公司的電子式塑殼斷路器及電子式熱繼電器產(chǎn)品上，性能優(yōu)越，保護(hù)準(zhǔn)確可靠。

[1]Schneider電氣. Compact NSX產(chǎn)品型錄，2008.

[2]曲弋. 電動(dòng)機(jī)熱特性研究及單片機(jī)電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)器的研制[D]. 沈陽工業(yè)大學(xué), 2002.