王永忠

(上海良信電器股份有限公司，上海 201206)

一款自復式剩余電流保護斷路器的研制

王永忠

(上海良信電器股份有限公司，上海 201206)

提出一種基于自動重合閘的帶剩余電流保護塑殼斷路器。設計了過欠壓檢測保護電路、實時漏電檢測、電機驅動、負載端接地電阻和位置檢測電路，同時，兼?zhèn)潆娏魅问奖Ｗo功能。設計的自動重合閘功能提高了用電系統(tǒng)故障保護能力，故障排除后能自動恢復上電，保證了向用戶供電連續(xù)性和供電的質量。設計采用32位微處理器實現(xiàn)自動控制，以可靠的電動操作，取代了人工操作。產(chǎn)品可廣泛應用于農(nóng)網(wǎng)改造、智能電網(wǎng)用戶端、智能工業(yè)、智能安防、智能家居等場合，也適用于分布式電源并網(wǎng)側應用。

自動重合閘;塑殼斷路器;三段保護;微控制器;H型橋型驅動

0 引 言

圖1 NDM2EL 產(chǎn)品外觀

針對傳統(tǒng)斷路器需要繁瑣的人工操作，研制出替代此操作的全新智能電操機構。智能電操通過手柄帶動斷路器實現(xiàn)分合閘操作，以高效可靠的自動化控制，取代了以往低效不便的人工操作，尤其是當故障排除后無需人工檢測及到達(斷路器)現(xiàn)場即能自動完成合閘操作。得以實現(xiàn)降低維護成本并提高了連續(xù)供電的質量。設計了一種與斷路器本體構成一體化的、基于塑殼斷路器的自動重合閘檢測和操控單元，通過檢測控制并驅動電機,帶動塑殼斷路器的接通與分閘，實現(xiàn)主回路電流電壓恢復正常后的重合閘功能。

本設計NDM2EL 系列自動重合閘塑殼斷路器是一款漏電或過欠壓故障脫扣后，能通過對系統(tǒng)電壓或絕緣強度的恢復自動監(jiān)測，當正常時執(zhí)行自動合閘的智能斷路器?？山鉀Q因雷雨天氣、電網(wǎng)沖擊不穩(wěn)定等瞬間性故障而造成開關跳閘、設備停電后不能自動恢復供電的問題。本斷路器的應用，為提供穩(wěn)定、可靠的供電、延長用電設備壽命、降低維護成本、提高供電連續(xù)性、安全性具有重要的意義[1-4]。NDM2EL系列自動重合閘塑殼漏電斷路器的外觀如圖1所示，其基本參數(shù)見表1。

表1 NDM2EL-250基本參數(shù)

限于篇幅，本文僅對NDM2EL-250做了介紹。

1 自復式剩余電流保護斷路器工作原理

1.1 工作原理

1.1.1功能單元的組成

自復式剩余電流保護斷路器(自動重合閘)工作原理框圖見圖2所示，NDM2EL自復式剩余電流保護器除了斷路器及其三段保護的基本單元外，還包含了電源電路、實時漏電及過欠壓檢測、接地故障及缺相檢測、斷路器分合閘狀態(tài)檢測、電操驅動(驅動電路、直流電機、傳動機構)、微處理器控制電路、液晶顯示、通信接口等八個單元組成。

1.1.2工作程序

電源電路輸入端為電源進線端，經(jīng)開關電路輸出直流12～15 V可調(diào)電源，為驅動電路、直流電機供電，此開關電源另一路經(jīng)DC-DC 轉換成5 V，為微處理器(MCU)、漏電采樣電路、分合閘位置檢測電路、(合閘前)接地電阻檢測電路提供電源。實時漏電采樣電路輸入端為零序互感器的感應電流信號，經(jīng)過信號處理電路輸出電壓信號進入微處理器。微處理器根據(jù)采集到的電壓信號與設定值比較，判斷是否超過漏電閾值,如果判定為漏電，此時斷路器在合閘位置，則NDM2EL 保護器控制單元輸出脫扣信號驅動磁通脫扣器單元使斷路器跳閘。作為可靠性設計的冗余，若脫扣器有故障或損壞，則程序設定由直流電機進行分閘。若因漏電故障脫扣后，實時采集到的漏電值恢復正常，且斷路器又在分閘位置，則再檢測負載端與地之間的電阻值，若接地電阻超過設定值，即認為漏電小于設定閾值，則啟動合閘指令，驅動電機轉動合閘，即斷路器完成自動重合。

圖2 原理框圖

1.2 實時漏電采樣電路

圖3 漏電采樣電路

本設計采用零序電流互感器進行漏電實時采樣。如圖3所示為漏電的采樣電路，零序電流互感器副邊T1,T2感應的電流通過電阻R30產(chǎn)生電壓，經(jīng)過放大濾波后輸出電壓信號Uleak。再將Uleak信號送入微處理器的AD采樣輸入端，微處理器對該采集信號分析判斷，按程序既定要求做相應的動作。

1.3 操動斷路器的分合閘

本設計采用直流電機驅動齒輪傳動機構對塑殼斷路器執(zhí)行分斷或合閘操作。設計了H橋驅動電路，根據(jù)微處理器發(fā)出的驅動信號來控制電機的正轉和反轉。直流電機驅動電路如圖4所示。圖中，Q1,Q2為P-MOSFET管；Q3,Q4為N-MOSFET管。電路上電時，P1、P2、P3、P4均為低電平，Q3和Q4導通，Q1和Q2不導通，電機處于剎車狀態(tài)。當微處理器檢測到電壓欠壓或過壓時，輸出驅動控制信號使P1為高電平，P4為低電平，P3為高電平，P2為低電平，則Q1和Q4導通，Q2和Q3不導通，電機正轉，通過齒輪傳動機構使斷路器分閘。當微處理器檢測到電壓正常時，輸出驅動控制信號使P1為低電平，P4為高電平，P3為低電平，P2為高電平，則Q1和Q4不導通，Q2和Q3導通，電機反轉，通過齒輪傳動機構使斷路器合閘。因此，通過圖3的驅動電路可以實現(xiàn)電機的正反轉，從而再通過齒輪傳動機構實現(xiàn)塑殼斷路器的分閘和合閘操作。

圖4 直流電機驅動電路

1.4 斷路器分合狀態(tài)的判定

圖5 分合閘狀態(tài)檢測電路

由于要進行斷路器的分合閘操作，首先應判定目前斷路器的狀態(tài)，本設計采用2個微型點動開關來實現(xiàn)斷路器的分合位置檢測。如圖5所示，當斷路器在合閘狀態(tài)，通過內(nèi)部操作機構使微動點動開關S12 閉合，故在P11處產(chǎn)生5 V 電壓提供給MCU 控制器輸入接口，通過內(nèi)部相應的處理，面板顯示斷路器處于閉合位置。當斷路器在分閘狀態(tài)，也是通過操作機構使微動開關S11閉合，故在P12處產(chǎn)生5 V 電壓提供給MCU 控制器輸入接口，面板顯示斷路器處于閉合位置，S12自行打開，因此，通過此位置檢測電路可以識別斷路器目前工作所處的狀態(tài)。

1.5 自動重合前負載端接地電阻判定

圖6 重合前負載端接地電阻檢測

為了避免存在漏電的情況下再次合閘操作造成人員的觸電事故，本設計的自動重合閘保護器具有合閘前負載端接地電阻檢測功能，其原理圖如圖6所示。當檢測到接地電阻小于設定值時表示負載端的電網(wǎng)與地之間絕緣電阻小，存在漏電，不能重合閘。

當塑殼斷路器處于分閘位置時，開關S1閉合，進行接地電阻的測量。與MCU相連的T1引腳輸出高電平5V，通過運放U2輸出11V左右的測量電壓。Rx為負載與地之間的接地電阻與電阻R21并聯(lián)，不同的接地電阻在Utest上輸出不同的電壓值,故MCU對Utest進行采樣并計算得到接地電阻值，用于同設定值比較、判定是否需要重合。

1.6 遠程通信

具備標準的通信接口RS-485，并符合DL/T 634.510x《剩余電流動作保護器通信規(guī)約》要求；可實現(xiàn)遠程控制，能遠距離進行分閘、合閘及查詢運行狀況等智能化管理。也可以按無線通信接口特殊定制(如需要)。該模塊是采用專用射頻通信模塊，綜合考慮設計通信協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率和接收靈敏度等，使用單極子不平衡天線，其接口部分由阻容器件組成I/O 匹配電路，與50 Ω 的天線阻抗匹配，實現(xiàn)芯片的最優(yōu)傳輸性能，實現(xiàn)遠程通信[5-6]。

1.7 軟件設計

本設計軟件開發(fā)分為五大子函數(shù)，本文采用C 語言設計，首先對系統(tǒng)進行了初始化設置、I/O端口初始狀態(tài)設置，其次重點編制和調(diào)試完善了采樣信號處理子函數(shù)，數(shù)據(jù)平滑處理子函數(shù)，脫扣和分閘處理子函數(shù)，分析判定及自動合閘處理子函數(shù)，面板顯示子函數(shù)。如圖7所示為本文主程序框圖。

圖7 主程序圖

2 產(chǎn)品可靠性驗證

對于電子電路部分進行了快速脈沖群、浪涌、靜電測試等EMC方面測試，同時驗證了在環(huán)境試驗中的適用性，包括高低溫，濕熱試驗等嚴酷試驗。對機械機構部分，我們做了機械壽命和重合閘操作壽命驗證，試驗項目及結果見表2。

表2 測試數(shù)據(jù)

3 結束語

本研究設計的基于塑殼斷路器的自復式剩余電流保護斷路器，采用塑殼斷路器進行電網(wǎng)的分斷與接通，具有較高的分斷能力和過流保護能力。以前我們通過使用斷路器來提供用電安全保護，但傳統(tǒng)斷路器功能單一，不具備聯(lián)網(wǎng)功能，跳閘后需要人工手動合閘，對斷路器狀態(tài)只能通過人工現(xiàn)場查看和檢測。隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展進程加快，傳統(tǒng)斷路器已不能滿足對用電管理的需求，無論在電力行業(yè)、通信行業(yè)、工控行業(yè)甚至是家庭用電，都希望斷路器更具無人值守、智能控制、記憶故障類別等功能，本產(chǎn)品的推出為市場應用提供了更多的選擇！

[1] 全國低壓電器標準化技術委員會.低壓開關設備和控制設備.第1部分:總則:GB 14048.1-2012[S].北京：中國標準出版社，2013.

[2] 全國低壓電器標準化技術委員會.低壓開關設備和控制設備.第2部分:斷路器:GB 14048.2-2008[S].北京：中國標準出版社，2009.

[3] 國家電網(wǎng)公司.農(nóng)村低壓電網(wǎng)剩余電流動作保護器配置導則:Q/GDW 11020-2013[S].北京：中國電力出版社，2014.

[4] 國家電網(wǎng)公司.剩余電流動作保護器選型技術原則和檢測技術規(guī)范:Q/GDW 11196-2014[S]. 北京：中國電力出版社，2015.

[5] 全國電力系統(tǒng)控制及其通信標準化技術委員會.遠動設備及系統(tǒng) 第5-101部分：傳輸規(guī)約 基本遠動任務配套標準:DL/T 634.5101-2002[S].北京:中華人民共和國電力出版社，2003.

[6] 全國電力系統(tǒng)管理和信息交換標準化技術委員會.遠動設備及系統(tǒng) 第5-104部分：傳輸規(guī)約 采用標準傳輸協(xié)議子集的IEC60870-5-101網(wǎng)絡訪問:DL/T 634.5104-2009[S].北京:中華人民共和國電力出版社，2009.

Research on a Self-recovery Residual Current Protection Circuit Breaker

Wang Yongzhong

(Shanghai Liangxin Electrical Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

This paper proposes a molded case circuit breaker with residual current protection based on the automatic reclosing lock. It designs the over and under-voltage detection and protection circuit, real-time leakage detection, motor drive, load side ground resistance and position detection circuit. Three-section current protection is provided in addition. The automatic reclosing lock designed in this paper improves the failsafe capability of the power system to enable power self-recovery after troubleshooting, thus ensuring the continuity and quality of power supply to the users. A 32-bit microprocessor is adopted to realize automatic control, and manual operation is replaced by reliable electric operation. This product is applicable not only to the upgrading of rural power grids, user side of intelligent power grids, intelligent industry, intelligent safeguard system and smart home, but also to the grid connection for distributed power supply.

automatic reclosing lock; molded case circuit breaker; three-section protection; micro-controller; H type bridge type drive

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.021

TM712

A

1000-3886(2017)04-0071-03

定稿日期: 2017-04-10

王永忠(1970-)，男，甘肅天水人，高級工程師 ，上海良信電器股份有限公司，主要從事低壓電器和智能電器的產(chǎn)品研制工作。