石金保 張日取 吳玨珺 薛 鵬 李 倩

（1.華立科技股份有限公司，浙江 杭州 311122；2.賢沃科技股份有限公司，浙江 杭州 323000；3.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量中心，廣東 廣州 510062）

目前，塑殼斷路器具有多種規(guī)格，根據(jù)其工作性質(zhì)可以分為熱磁式塑殼斷路器和電子式塑殼斷路器，熱磁式塑殼斷路器的工作原理是利用電流熱、磁效應(yīng)控制電路通斷，當(dāng)電路發(fā)生短路或嚴(yán)重過(guò)載時(shí)，過(guò)電流脫扣器的銜鐵吸合，雙金屬熱變形差異實(shí)現(xiàn)保護(hù)脫扣，使自由脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作，主觸點(diǎn)斷開(kāi)主電路[1]。根據(jù)其原理，該類(lèi)產(chǎn)品只具備兩段式保護(hù)，無(wú)短路延時(shí)保護(hù)功能，難以滿(mǎn)足電網(wǎng)日新月異的發(fā)展需求[2-3]。

在這類(lèi)斷路器里內(nèi)置智能電子模塊，采集電路中電流信號(hào)后經(jīng)過(guò)微型單片機(jī)計(jì)算，判斷電流是否過(guò)載，當(dāng)滿(mǎn)足跳閘閾值時(shí)，輸出信號(hào)至脫扣裝置，脫扣裝置動(dòng)作后主電路斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)短路延時(shí)保護(hù)功能，該功能與熱磁式塑殼斷路器具有的兩段式保護(hù)形成互補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)斷路器三段式保護(hù)功能[4]，可以滿(mǎn)足斷路器在低壓配電網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)展要求，為電網(wǎng)安全、高效和節(jié)能運(yùn)行提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也為電網(wǎng)公司對(duì)后續(xù)的負(fù)荷管理、調(diào)節(jié)提供一種技術(shù)基礎(chǔ)。

1 三段式保護(hù)型熱磁式塑殼斷路器

熱磁式斷路器一般由觸頭系統(tǒng)、滅弧裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、雙金屬片熱脫扣器、基架和外殼等組成，當(dāng)電路發(fā)生短路、斷路器中流過(guò)正常的運(yùn)行電流時(shí)，斷路器中的保護(hù)測(cè)控裝置探測(cè)到的發(fā)熱量不大，未越過(guò)發(fā)熱量閾值（斷路器的保護(hù)整定值），斷路器不會(huì)執(zhí)行跳閘操作；反之，斷路器執(zhí)行跳閘操作。

在10/0.4 kV配電變壓器的低壓側(cè)，總進(jìn)線(xiàn)斷路器保護(hù)電流如何整定才能有效地保護(hù)變壓器，確保既不過(guò)載，又能充分利用變壓器容量，低壓總進(jìn)線(xiàn)斷路器通常具備三段式電流保護(hù)功能，即過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)以及短路瞬時(shí)保護(hù)功能。

1.1 過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)

根據(jù)相關(guān)電氣技術(shù)要求及實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，在低壓電網(wǎng)中，變壓器低壓側(cè)的負(fù)載總開(kāi)關(guān)的過(guò)載延時(shí)整定電流Izd1一般為負(fù)荷電流Ieb的1.1倍，即總進(jìn)線(xiàn)斷路器的過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)整定電流Izd1=K1×Ieb，（K1為可靠系數(shù)，K1=1.1，即過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)整定電流Izd為變壓器額定電流的1.1倍）。

1.2 短路短延時(shí)保護(hù)

在低壓電網(wǎng)中，包括但不限于負(fù)載總開(kāi)關(guān)的短路短延時(shí)整定電流一般為負(fù)荷電流的3倍，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)推薦，短路短延時(shí)整定電流Izd2=K2×Ieb（K2為可靠系數(shù)，取3.9～6.5）。

過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)整定電流Izd為變壓器負(fù)載電流的3.9～6.5倍，一般是變壓器額定電流的5倍，該值為經(jīng)驗(yàn)值，實(shí)際的整定電流是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的負(fù)荷實(shí)際進(jìn)行計(jì)算的。

1.3 瞬時(shí)保護(hù)

根據(jù)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，一般斷路器的瞬時(shí)脫扣時(shí)間在20 ms以?xún)?nèi)，而電機(jī)啟動(dòng)電流的非周期分量的衰減時(shí)間約為30 ms，因此短路瞬時(shí)保護(hù)整定值須濾除電機(jī)啟動(dòng)電流的非周期分量。短路瞬時(shí)整定電流Izd3取值大于或等于過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)整定電流值Izd1的10倍。

綜上所述，由于熱磁式塑殼斷路器的自身屬性，因此其在電路保護(hù)的電流整定值滿(mǎn)足過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)及瞬時(shí)保護(hù)，不滿(mǎn)足短路短延時(shí)的電流整定。

2 熱磁式塑殼斷路器雙段式保護(hù)特性

熱磁式斷路器在運(yùn)行過(guò)程中主觸頭處于閉合狀態(tài)，脫扣機(jī)構(gòu)將主觸頭鎖定在閉合位置，脫扣器進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。電流經(jīng)過(guò)脫扣器時(shí)熱元件發(fā)熱，當(dāng)雙金屬片受熱變形至一定程度時(shí)，推動(dòng)牽引桿旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作切斷電路，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)載保護(hù)功能；當(dāng)發(fā)生過(guò)載時(shí)，電流較小，使用磁脫扣器無(wú)法脫扣，熱脫扣器（雙金屬片）基于電流的熱效應(yīng)，其受熱膨脹后體積變化不一致，雙金屬片會(huì)向膨脹系數(shù)低的一方彎曲，利用彎曲度推動(dòng)脫扣桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行脫扣跳閘動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)。

對(duì)基于雙金屬片熱膨脹系數(shù)不同的塑殼斷路器來(lái)說(shuō)，由于雙金屬片膨脹系數(shù)不同會(huì)彎曲變形，該特性與環(huán)境溫度、電流負(fù)載等強(qiáng)相關(guān)，且根據(jù)其自身材料特性，因此這類(lèi)塑殼斷路器只具備過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)及瞬時(shí)保護(hù)特性，不具備過(guò)載短延時(shí)保護(hù)功能[5]。

3 短路延時(shí)設(shè)計(jì)

在原有熱磁式塑殼斷路器基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)電子模塊并將其內(nèi)置于塑殼斷路器中。熱磁式塑殼斷路器本體控制塑殼斷路器本體所在的回路電流接通或斷開(kāi)，當(dāng)回路的電流過(guò)載或短路時(shí)，還可以利用電流熱效應(yīng)或磁效應(yīng)控制電路接通或斷開(kāi)。

3.1 整體方案

通過(guò)傳感器采集電路中的電流、電壓、頻率以及相位等電氣參數(shù)信號(hào)，判斷采集電路中的電流信號(hào)，判斷電流是否過(guò)載及過(guò)載系數(shù)，電流達(dá)到閾值后輸出信號(hào)至脫扣裝置，實(shí)現(xiàn)熱磁式塑殼斷路器的短路短延時(shí)保護(hù)功能，當(dāng)電路中出現(xiàn)1.5In～20.0In（In為額定電流）過(guò)載時(shí)實(shí)現(xiàn)短路短延時(shí)保護(hù)功能，且延時(shí)時(shí)間可以設(shè)置為0 ms～1 000 ms，整體方案如圖1所示。

圖1 短路延時(shí)設(shè)計(jì)方案框圖

使用模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換等技術(shù)，通過(guò)接口輸出或驅(qū)動(dòng)顯示器，以顯示電路的電參量和或者電能量，通過(guò)電子模塊可以實(shí)現(xiàn)包括且不限于載波、RS 485、藍(lán)牙以及CAN等通信功能。

3.2 短路電流電路采樣電路設(shè)計(jì)

3.2.1 短路延時(shí)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

短路延時(shí)電流采樣電路設(shè)計(jì)如圖2所示。因?yàn)椴捎萌鄬?duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，所以以A相為例進(jìn)行說(shuō)明，B相、C相基于相同原理完成電路的功能設(shè)計(jì)任務(wù)。

圖2 短路延時(shí)電流采樣電路原理圖

A相電流信號(hào)經(jīng)過(guò)互感器采樣后從PC-JP4第一管腳流出后進(jìn)入B1（MB6S），信號(hào)流經(jīng)R66、R37后與Net.OPBase標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，在經(jīng)過(guò)TP2434進(jìn)行信號(hào)放大且AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)入主控芯片，根據(jù)第3.4節(jié)設(shè)計(jì)的短路延時(shí)功能程序運(yùn)行，當(dāng)程序檢測(cè)到電流信號(hào)且滿(mǎn)足跳閘條件時(shí)，程序綜合判斷分閘條件，當(dāng)滿(mǎn)足跳閘條件時(shí)，斷路器執(zhí)行跳閘并開(kāi)始進(jìn)行分合閘事件的記錄處理和數(shù)據(jù)備份；為了避免形成震蕩，保持電路穩(wěn)定，R38為反饋電路，輸入運(yùn)放TP2434的信號(hào)為穩(wěn)定信號(hào)。

3.2.2 采樣電路電源

采樣芯片工作電壓為（5±10%）V，因此采樣模塊電源選用5 V。

3.2.3 電壓電流采樣計(jì)算

采樣芯片采用銳能微的RN8209C芯片，具有2路電流和1路電壓采樣通道，在8000∶1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，有效值誤差小于0.1%。芯片采用完全差分輸入方式采樣電壓、電流信號(hào)，正常工作最大輸入Vpp（峰峰值）為±1 000 mV。

3.2.4 與MCU信息交互

采樣芯片RN8209C通過(guò)UART口與MCU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，波特率為4 800。

芯片UART輸入端RX，同時(shí)也是復(fù)位引腳，當(dāng)輸入信號(hào)低電平超過(guò)20 ms時(shí)，采樣芯片RN8209C認(rèn)為是復(fù)位有效的。采樣芯片RN8209C內(nèi)部復(fù)位電路與UART通信電路完全獨(dú)立，該管腳復(fù)位功能與獨(dú)立的管腳復(fù)位相同。

3.2.5 采樣芯片外圍電路設(shè)計(jì)

采樣芯片RN8209C采用3.579 545 MHz的外部時(shí)鐘晶體；在ADC參考電壓輸出及數(shù)字電壓輸出并聯(lián)0.1 μF和10.0 μF電容防止輸出電壓受干擾。

3.2.5.1 RC濾波設(shè)計(jì)

抗混疊RC設(shè)計(jì)如下：混疊指ADC（交直流采樣，即ADC）輸入信號(hào)中的頻率成分（大于ADC采樣速率的1/2）出現(xiàn)在頻率低于采樣速率一半的采樣信號(hào)中，為了衰減高頻噪聲并防止目標(biāo)頻段出現(xiàn)失真，必須引入低通濾波器，對(duì)傳統(tǒng)電流傳感器來(lái)說(shuō)，建議使用一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率為5 kHz的RC（阻容）濾波器。

3.2.5.2 浪涌抗擾度設(shè)計(jì)

在日常運(yùn)行電路中，由于存在各類(lèi)例如浪涌等抗擾度對(duì)采樣電阻的精度影響，因此須對(duì)采樣電阻的可靠性進(jìn)行設(shè)計(jì)，采樣電阻的阻值如公式（1）所示。

式中：R為電阻；U為電壓。

一般情況下，采樣芯片的電壓采樣增益為1，要求在電壓U=1.2Un（Un為額定電壓）狀態(tài)下電壓采樣的信號(hào)準(zhǔn)確，計(jì)算得到R＞746kΩ，該電路設(shè)計(jì)時(shí)使用3顆300 kΩ和3顆100 kΩ的電阻串聯(lián)，即3×（300+100）=1200kΩ＞746kΩ，滿(mǎn)足要求。

當(dāng)工作電壓為1.2Un時(shí)，求得輸入信號(hào)峰值為0.26V＜0.50V，正常工作電壓380.00 V時(shí)求得輸入信號(hào)峰值為0.45V＜1.00V，滿(mǎn)足要求。采樣電路電阻的功率要求能抗4 kV浪涌抗擾度要求，那么理論上300 kΩ電阻功率、100 kΩ電阻功率分別如公式（2）、公式（3）所示。

根據(jù)公式（2）、公式（3）的計(jì)算結(jié)果可知，電壓采樣電路的采樣電阻選擇3顆封裝為1206-1/4W-3003-F（電阻型號(hào)）的電阻和封裝為3顆封裝為1206-1/4W-1503-F的電阻，滿(mǎn)足電路中的浪涌抗擾度要求，可以提高斷路器的使用壽命和可靠性。

3.3 短路延時(shí)主控模塊設(shè)計(jì)

3.3.1 主控模塊設(shè)計(jì)方案

該方案采用STM32G070RBT6專(zhuān)用MCU芯片作為主控芯片，由于該方案的設(shè)計(jì)須具備顯示、保護(hù)以及測(cè)量等功能，因此程序容量預(yù)計(jì)有50 k，滿(mǎn)足該芯片內(nèi)置128K Flash、4+1KBRAM的要求，配置集成LCD、帶溫補(bǔ)的RTC、ADC以及UART、I2C、SPI和7816等通用外設(shè)接口，滿(mǎn)足短路延時(shí)保護(hù)、顯示各電氣參數(shù)輸出以及電流、相位和電壓等相關(guān)保護(hù)參數(shù)。采樣芯片采用銳能微RN8209C，三相采樣共使用3塊計(jì)量芯片，每塊芯片能提供3路ADC，誤差為8000∶1，動(dòng)態(tài)范圍＜0.1%。采樣芯片將ABC三相的電流、電壓以及相位等電參數(shù)單獨(dú)測(cè)量；MCU通過(guò)IIC接口與存儲(chǔ)芯片通信，并將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器中，MCU能控制繼電器接通或者斷開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，其設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

3.3.2 主控芯片MCU電源設(shè)計(jì)

由于該方案沒(méi)有時(shí)鐘功能，因此不需掉電供電電池；核心電源VDD和電池電源VBAT接到+5 V電源，外接0.1 μF電容。LDO外接電容引腳接0.1 μF和10.0 μF電容，PLL端口外接電容引腳接10 nF電容，引腳電源接0.1 μF和10.0 μF電容。

3.3.3 晶振設(shè)計(jì)

該款芯片系統(tǒng)時(shí)鐘支持外部32.768 kHz晶體諧振器和內(nèi)部125.000 kHz RC振蕩器。該設(shè)計(jì)選用（32.768±20%）kHz的12.5 pF晶振。

匹配電容：晶振負(fù)載電容為12.5 pF，需要在外部增加2顆負(fù)載電容CX1、CX2，CS為板間寄生電容，取5 pF，根據(jù)計(jì)算出CX1=CX2≈15pF。該設(shè)計(jì)選用15 pF的電容。

根據(jù)該芯片的推薦典型電路（詳見(jiàn)STM32G0系列微處理器數(shù)據(jù)手冊(cè)），通過(guò)設(shè)計(jì)外圍采樣硬件電路，通過(guò)模擬或數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換采集的電流信號(hào)，將電流信號(hào)引入芯片內(nèi)部寄存器，主控芯片通過(guò)預(yù)制程序處理采集的信號(hào)并判定是否需要分閘，如果滿(mǎn)足分閘條件，那么主控芯片通過(guò)預(yù)定的端口將分閘信號(hào)輸出至分閘電路，實(shí)現(xiàn)斷路器的拉閘保護(hù)功能。

3.4 短路延時(shí)程序設(shè)計(jì)

短路延時(shí)功能主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 短路延時(shí)功能主程序流程圖

程序開(kāi)始先檢查參數(shù)正確性，根據(jù)設(shè)置參數(shù)判斷采樣電流值，如果大于保護(hù)閾值，就記錄保護(hù)狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前各種保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行綜合研判，并根據(jù)研判結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作并記錄相應(yīng)的分合閘記錄。

短路延時(shí)功能實(shí)現(xiàn)部分程序設(shè)計(jì)如下。

該程序的主函數(shù)為短路短延時(shí)保護(hù)變量void processing_Isd（），設(shè)置時(shí)間數(shù)據(jù)值data_t valid_values，定義中間變量int pos和短路跳閘時(shí)間；當(dāng)產(chǎn)品上電時(shí)，程序開(kāi)始初始化，當(dāng)程序檢測(cè)硬件電路的檢測(cè)信號(hào)且滿(mǎn)足跳閘條件（即程序g_protect_parameter.Tsd == 0xffff運(yùn)行）時(shí)，程序綜合判斷分閘條件overall_judgment_clos（），開(kāi)始處理分合閘事件。

假設(shè)設(shè)置短路延時(shí)分閘電流為1 250 A，分閘時(shí)間為200 ms，當(dāng)前采集到B相電流為1 251 A，大于短路延時(shí)分閘電流，記錄B相短路延時(shí)保護(hù)狀態(tài)，如果沒(méi)有出現(xiàn)其他保護(hù)狀態(tài)，那么綜合判斷結(jié)果就是B相短路延時(shí)保護(hù)分閘，執(zhí)行脫扣分閘并記錄分閘事件記錄。如果當(dāng)前有按鍵合閘，那么綜合判斷結(jié)果仍然是B相短路延時(shí)分閘，執(zhí)行分閘操作并記錄事件。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，熱磁式斷路器在采集過(guò)電流信號(hào)為1.1In～10.0In時(shí)，設(shè)置程序分閘時(shí)間，可實(shí)時(shí)分閘，對(duì)斷路器進(jìn)行保護(hù)；一般設(shè)計(jì)根據(jù)斷路器反時(shí)限保護(hù)特性設(shè)置分閘電流和分閘時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)熱磁式斷路器的三段式保護(hù)功能。

4 結(jié)語(yǔ)

熱磁式塑殼斷路器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積標(biāo)準(zhǔn)以及成本低廉等優(yōu)勢(shì)，其本身具備雙段式保護(hù)功能、設(shè)備動(dòng)作簡(jiǎn)單可靠以及生命周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但是因自身設(shè)計(jì)原因不具備短路延時(shí)保護(hù)功能，該文基于熱磁式斷路器本體保護(hù)原理，在其基礎(chǔ)上增加電子模塊，實(shí)現(xiàn)短路延時(shí)保護(hù)功能，當(dāng)通過(guò)電流為1.1In～10.0In時(shí)，可以在程序內(nèi)設(shè)置分閘時(shí)間、分閘電流，以測(cè)試熱磁式斷路器的保護(hù)功能，使其運(yùn)行場(chǎng)景更廣闊，且該類(lèi)型斷路器具備擴(kuò)展測(cè)量、通信等功能，以滿(mǎn)足斷路器在低壓配電網(wǎng)絡(luò)中的不斷發(fā)展和智能化需求。