关键词：单片机；断路器；模块化；物联网；智能化
引言
小型断路器(MiniatureCircuitBreaker，MCB)属于保护类电器，主要应用于家用及工业建筑物和配电线路终端，其可靠性的高低直接影响到建筑物能否正常供电和配电线路上的设备是否能安全运行。传统MCB的检测和保护功能是通过机械系统的动作来实现，大多由电磁元件完成。目前，传统MCB的功能已不能满足供电系统自动化的需要。因此，在传统MCB的基础上要求其自动化、智能化、模块化，更可靠和具有更多保护功能。智能化已是低压MCB的一个重要发展方向。为了满足市场需求及提高产品竞争力，需设计出性能优良、价格合理、保护功能完善的智能化控制器。
1控制模块的整体结构
智能MCB控制模块的总体设计思路是:通过电压互感器、电流互感器以及温度传感器采集线路电压、电流、系统频率及环境温度信号，并通过信号调理模块将传感器输出信号转换成0～5V的电压信号，送入A/D转换器模拟量输入端口，经过A/D转换器将模拟量信号转换为数字量信号并送至单片机内部，由单片机内的软件进行运算和处理，并将数据送至液晶显示模块显示。同时，运算结果与事先设置好的保护设定值进行比较，一旦符合故障或不正常运行状态的条件，智能控制单元输出相应的逻辑电平信号，这些信号经放大后可以直接驱动断路器的动作执行单元，使断路器动作或发出声、光信号。
2智能小型断路器控制模块关键技术
2.1互感器的选择
信号采集模块就是将线路中的模拟电压、电流信号，通过电压互感器、电流互感器将线路中一次侧的大电压、大电流线性的转换为模拟电路能够处理的低电平信号。采样信号的准确度影响着控制器的显示和保护精度，只有线性度较好的信号，才能使得微处理器的计算和处理能够准确。在本设计中，考虑到小型断路器体积的限制，故不能使用传统的电流互感器、电压互感器。随着电子技术的迅速发展，目前微型互感器技术已经相对比较成熟，微型互感器的应用在很多测量系统、仪器仪表系统都有着较为广泛的应用。在线路中，电压的变化范围并不是很大，而电流的波动范围是很大的，从正常工作时的十几安培到发生特大短路故障时的上千安培。所以，经过了对不同产品的对比，以及结合了小型断路器自身的体积，最终，电压互感器选用性价比较高的TV14微型电压互感器。电流互感器的选用是本课题的一大难题，为了能准确地测量线路中的电流，这就要求所选用的电流互感器具有很宽的线性范围。因为，线路在正常工作的情况下，电流只有几安培，而在线路发生短路故障时，线路中的短路电流可能达到几十安培甚至上千安培。若想精确的测量这么宽范围的电流，只由一个普通的空芯电流互感器是很难完成的，又考虑到小型断路器尺寸体积的限制，就更加难以实现。因为小型断路器一般工作在线路的终端，很多都是家庭使用，所以据此可以估计，当额定电流为几十安培的小型断路器通过上百安培的电流时，那么一定是发生了较大的短路故障，所以在这种情况下应该由模拟脱扣电路立即切断电路，防止损失的进一步扩大。综上所述，本设计中选用了测量范围相对较宽的霍尔电流传感器。
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2.2电压采样电路
与电流采样一样，电压采样一般采用电压互感器，其精度好、安装方便，可直接焊接在电路板上，但是因为体积的原因，本次设计未采用电压互感器，而是直接采用电阻分压的电压采样方式，将强电压信号通过电阻分压的方式，降低到计量芯片的采样范围内，直接将电压信号送到计量芯片进行电压计量，为了保证精度电阻，采用薄膜高精度贴片电阻。
2.3信号调理电路的设计
信号调理电路是将来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、显示读出和其他目的的数字信号。信号调理电路技术包括信号的放大、衰减、隔离、滤波等。本设计中的滤波电路是由单个运放构成的压控电压源二阶带通滤波电路。为了较彻底地滤去杂波，本设计中用了两个压控电压源二阶带通滤波电路。经过滤波的信号还不能直接作为单片机的采样信号，因为单片机只能识别0～5V的电压信号，而经过滤波之后的信号为正弦信号，负半周信号不能被单片机识别。
2.4模块供电电源
智能化开关的电路可以有3种供电方式:专用电源供电、蓄电池供电和电流互感器供电(自供电)。这3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。电流互感器供电是MCB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，且随着电网的接通自动开始，是一种理想的供电方式。因此，在智能控制模块中采用三相电流互感器供电方式。当MCB闭合，且运行电流超过设定值时，即使在短路情况下，互感器感应出的能量也可保证脱扣器可靠工作，故采用快速饱和互感器从三相电源感应获得能量供控制器工作。该电源与通过母线的电流有关，要求三相运行电流从0．4In到极限短路分断能力之间的电流范围内，或在电路短路故障状态时均能保证供给控制器正常工作电源。
2.5电源电路的设计
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。本课题的电源供电路分电路的设计中，选用的就是一种自供电的方式。但是并不是只采用了电流互感器单独供电的方式，而是采用了电流互感器供能与电压互感器供能相结合的方式，在这种电压互感器与电流互感器结合的供电方式中，以电压互感器供电为主，以电流互感器供电为辅。之所以采用电压互感器供电为主，电流互感器供电的辅的供电方式来作为本设计的供电方式是因为，单独只采用电压互感器供电，或者电流互感器供电的方式会存在着很多不确定性和不稳定性因素，而系统的电源部分又是设计中其他电路的工作的前提保证，所以，当供电电源不够稳定可靠时，系统的设计的总体可靠性就会变得很低。虽然在电网系统中，电压的波动范围并不是很大，相比于运行过程中的电流波动来说是比较小的，出于这样的考虑，在一些高压端电源的设计中，可以选用这种供电方式，也就出现了应用电容分压器从母线取电能的形式，但是这种供电方式存在着一些不能让人满意的地方。一方面是电路的电气隔离问题，即怎样确保取能电路和后面的工作电路之间能有效的电气隔离;另一方面是供电功率的问题，这种供电方式所能提供的功率是很有限的，虽然可以通过利用较大的电容器的方式来从母线获取更大的电压，从而也就获得了较大的功率，但是选用较大的电容器会带来其他的一些问题，而这些问题的解决又是很复杂的。
结语
本文通过对智能MCB控制模块深入的研究，分析了各种采样电路的优缺点，提出了采用锰铜分流片串联于小断主回路中进行采样的技术，在保证采样精度、采样范围的前提下，满足小型断路器的尺寸要求，并分析了小型断路器的智能保护功能，提出了动作阀值的设定及计算公式。
参考文献
[1]程浩峰，苏秀苹.小型断路器可靠性试验方案的分析[J].电器与能效管理技术，2018，（18）：41-46，78.
[2]张贤，迟长春.基于STM32的小型断路器智能脱扣器设计[J].机电信息，2018，（24）：129，131.
论文作者:耿丽恺 张春香
论文发表刊物:《建筑实践》2019年16期
论文发表时间:2019/11/20
标签：断路器论文; 信号论文; 电路论文; 电压互感器论文; 安培论文; 电压论文; 方式论文; 《建筑实践》2019年16期论文;