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摘要: 从智能化脱扣器的结构出发，讨论了智能化脱扣器的关健技术:检测、微处理器及其接口技术、应用软件设计技术、可靠性技术等。
关键词：智能化脱扣器；传感技术；应用软件设计
引 言
低压断路器是用于接通、分断电力系统及对各种故障进行保护控制的一种开关电器，广泛用于各类电网的供配电系统中，一般具有过载、短路、漏电、接地等故障保护功能。传统断路器的检测和保护功能多由电磁元件完成，其动作时间长，保持精度低，整定困难。随着社会的发展和技术的进步，人们对供电系统自动化程度的要求越来越高，传统断路器的功能已不能满足供电系统自动化的需要，因此，人们对断路器提出了更高的要求。对于单台断路器，则要求其自动化、智能化、模块化，对于供电系统中的多台断路器，则要求能实现联网通信、集中监控等，即所谓的智能型断路器。
智能型断路器是采用了智能脱扣器的断路器，其主要特点是在传统的断路器基础上充分应用了微电子技术、计算机控制技术及网络通信等新技术，具有较高的性能和可靠性。若干个智能断路器通过互联网络可组成智能供配电系统，具有遥测、遥控、遥讯和遥调功能。
一、智能脱扣器的设计
1. 1设计原理
低压断路器在供配电系统中的主要作用是对线路中的过载、短路和接地等故障进行保护，它通过检测单元获取主线路的电流、电压信号，经脱扣器的逻辑控制单元分析判断后发出信号控制断路器的动作。断路器的动作与否和动作时间取决于脱扣器的控制信号。
智能脱扣器的设计也是基于这一原理，但其逻辑控制单元由高性能的单片机及其外围电子电路组成，检测单元由空心互感器和信号处理电路组成。其原理框图如图1所示。
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(1)故障记忆:脱扣器能记忆断路器分断时的故障电流和动作时间，并可随时供用户查询;
(2)MCR脱扣:若断路器在合闸时遇短路故障，则立即瞬时分闸，以减少故障造成的损失;
(3)热模拟:断路器在长延时或短延时故障分断后，提供触头冷却时间，长延时为1h,短延时为15 min，在此期间合闸，若再次发生过载，则延时时间自动缩短，以保护断路器;
(4)通信接口:脱扣器具有异步通信接口，能与计算机或其他智能断路器联网，相互间可传输数据，实现“四遥”和集中监控。
二、智能化脱扣器技术
智能化脱扣器的结构框图见图三。在一个脱扣器上可以集成过电流、电压和分励等功能:在硬件上，微处理器模块、辅助功能模块和执行单元都可以是相同的，对电流和电压信号处理、显示等的不同可以在软件设计里实现，过电流保护功能需配置过电流信号检测单元;而电压保护则需配置电源、整流滤波、稳压、欠压延时等单元;分励功能只需增加一个开关即可。
2 .1检测和传感技术
电压检测通常用电压传感器(电压互感器)，而电流检测常用电流传感器(电流互感器)，后者有实心和空心之分，两者各有利弊。采用实心电流互感器在小电流时线性度虽好，但大电流时铁心易于饱和，线性度差，测量范围小;采用空心电流互感器.线性度好，测量范围广，但在小电流时，信号较小，测量误差大。要提高小电流时的测量精度，必须改变互感器线圈匝数，增加互感器副边输出信号幅度但是小电流时，若副边输出信号过大，大电流时则信号难以采样，甚至破坏电路的正常工作。因此，如何提高小电流时的测量精度，同时兼顾电流的测量范围，实现全范围电流的精确测量，是断路器实现智能化的关键技术之一。为此，信号检测单元在采用适当的传感器后，还应采取各种信号放大器对电信号进行适当的放大，及采取噪声滤波器进行噪声滤波等。
此外，需要考虑的因素还有很多，如输入输出特性、灵敏度、频率响应、时间常数、温度系数、测量范围等。
ABB的新产品的检测元件就选择了高质量的空心电流互感器。
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图 三 智能脱扣器框图
2 .2微处理器及其接口技术
对微处理器的基本要求是具有硬件通用化、应用灵活化及记忆、计算、查表能力，指令系统应具有实时控制、执行速度快等一系列优点，因为这是断路器智能化的核心。目前微处理器已形成多系列、多品种局面。我国当前用得较多的是MCS-51系列，有10多种型号。
接口技术是微处理器与外围设备之间联系的技术，既包括硬件技术，也包括软件技术。接口电路有多种，常用的有:微处理器通用接口、键盘、显示器接口、打印机接口、A/D(模/数转换)接口、D/A(数/模转换)接口等。
2 .3应用软件设计技术
可以说软件是智能脱扣器的灵魂，微处理器与数字电路的本质区别就在于它具有软件系统，很多硬件电路能实现的，软件也能做到，因此在电路设计时，有时可以考虑用软件来部分或全部实现硬件的功能。从软件的功能来看可分为两大类，一类是执行软件，要能完成各种实质性的功能，如实时采样、数据处理、显示、打印、输出控制、通讯、人工智能、优化技术等。另一类是监控软件，这是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织调度角色的软件。这两类软件的设计方法各有特色，执行软件的设计偏重算法效率，与硬件关系密切，千变万化;监控软件着眼全局，逻辑严密。
当前重点放在前者上。由于脱扣器的工作特点，快速反映对其工作性能的作用不言而喻，在加强传感器技术研究的前提下，采用先进的算法也是很有必要的。ABB新的断路器所采用的算法在几百μs内就能检测出增大的短路电流，此段时间包含了相电流的A/D转换时间、噪声滤波器的动作时间、信号处理以及发出开断指令所需时间。在最佳短路参数条件下(短路发生在接近900相位时)，此算法能够在小于200μs内检测到短路电流。此算法能够区分短路和噪声脉冲，且速度相当快(总检测时间<1ms)。
而且，为了能够早期检测增加的短路电流值，仅检测现在的电流值是不够的，必须能够预测电流的变化趋势。可以通过观察相电流的一阶或多阶导数di(t)/dt获得，即对所预测情况的实际电流i(t)和它导数之间的联系进行跟踪。这也需要先进复杂的算法。
此外，断路器不仅要在短路故障发生时开断电路，而且当系统正常运行时保持闭合状态。若是由于误报警导致停电，会造成极大的浪费，要设法避免。这也要采取相关的算法。
2 .4抗干扰技术
电子电器的干扰来自各个方面，有电气干扰，还有环境温度变化以及气压、振动、时间等各种因素造成的干扰，其中电气干扰是各类干扰中的主要因素。干扰通过各种线路侵人微处理器系统，也可以场的形式从空间侵人微机系统，供电线路是电网中各种浪涌电压人侵的主要途径。有的断路器工作环境恶劣，干扰因素多，它常常工作在大电流(几kA,短路时可达5OkA以上)。以场的形式人侵是干扰传播的主要途径，表现为通过静电感应、电磁感应等方式在微处理器系统中形成干扰，引起断路器误动作。抗干扰的措施有硬件抗干扰、软件扰干扰，也有软硬件相结合的措施。分析干扰源及干扰波的传播途径，合理选择抗干扰措施是低压断路器实现智能化的重要内容。
2.5可靠性技术
电子产品的可靠性涉及的范围很广，诸如元器件的可靠性、技术设计、工艺水平和技术管理等共同决定了电子产品的可靠性指标。提高产品的可靠性，必须掌握产品失效规律，只有对产品的失效规律有全面的了解，才能采取有效的措施去提高产品的可靠性。
三、结语
智能型脱扣器是智能化低压断路器的核心,智能型断路器是采用了智能脱扣器的断路器,其主要特点是在断路器基础上充分应用了微电子技术、计算机控制技术及网络通信等新技术,具有较高的性能和可靠性。若干个智能断路器通过互联网络可组成智能供配电系统,具有遥测、遥控、遥讯和遥调功能。
参考文献:
[1]浅析低压断路器智能化脱扣器[J]. 胡如兵,高圆秋. 黑龙江科技信息. 2007(16)
[2]一种新型智能脱扣器的设计及实现[J]. 李国朝,韩九强,吴彩玲. 计算机测量与控制. 2007(03)
[3]低压断路器智能脱扣器的设计与实现[J]. 黄绍平,李永坚. 工矿自动化. 2004(02)
[4]用于低压断路器的智能脱扣器的设计[J]. 夏天伟,任继武,李海波. 电工技术. 2001(04)
论文作者:欧耀荣
论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/14
标签：断路器论文; 电流论文; 微处理器论文; 技术论文; 智能论文; 干扰论文; 可靠性论文; 《防护工程》2018年第23期论文;