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1、STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL INSULATION AND POWER EQUIPMENTINSULATION AND POWER EQUIPMENT 断路器智能脱扣器的原 理与设计 断路器智能脱扣器的原 理与设计 STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL INSULATION AND POWER EQUIPMENTINSULATION AND POWER EQUIPMENT ? 脱扣器发
2、展脱扣器发展 ? 传统型脱扣器保护类型传统型脱扣器保护类型 ? 传统型断路器保护功能介绍传统型断路器保护功能介绍 ? 传统型脱扣器功能介绍传统型脱扣器功能介绍 ? 智能型脱扣器保护类型智能型脱扣器保护类型 ? 电源模块设计电源模块设计 ? 信号采集与处理信号采集与处理 ? 电压保护电压保护 ? 电流保护电流保护 ? 过载反时延保护过载反时延保护 ? 其它功能其它功能 STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL INSULATION AND POWER EQUIPMENTINSULATION AND
3、POWER EQUIPMENT 脱扣器发展脱扣器发展 STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL INSULATION AND POWER EQUIPMENTINSULATION AND POWER EQUIPMENT 脱扣器发展脱扣器发展 STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL INSULATION AND POWER EQUIPMENTINSULATION AND POWER EQUIPMENT
4、传统型脱扣器保护类型传统型脱扣器保护类型 短路保护短路保护 过载保护过载保护 STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL INSULATION AND POWER EQUIPMENTINSULATION AND POWER EQUIPMENT 传统型断路器保护功能介绍传统型断路器保护功能介绍 国际电工委员会的IEC标准和我国国家标准按使用类别把断路器分为A类和B类 两种。其中A类断路器在短路情况下，无明确指明具有选择性保护功能。而B类断路 器则明确指明具有选择性保护功能。为了获得选择性保护，B类断路
5、器具有三段保 护特性，即过载、短路短延时和短路瞬动保护。 t I 支 路 1 支 路 2 支 路 3 B A I1 B A I1Icw 瞬时 短延时 （a）两种断路器的安装位置（b）上下级断路器保护特性配合曲线 图1 选择性保护的特性配合 STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL INSULATION AND POWER EQUIPMENTINSULATION AND POWER EQUIPMENT 传统型脱扣器功能介绍传统型脱扣器功能介绍 短路保护短路保护：对于A类断路器，一般通过电磁脱扣来进行
6、短路瞬时保 护。即当流过断路器电流超过短时耐受电流 Icw时，该电流产生的电磁 力直接作用于机构，导致脱扣。对于B类断路器，一般同时含有电子式 短路脱扣和电磁脱扣。其中电子式脱扣进行短路短延时和瞬时保护，而 电磁脱扣作为短路瞬动的后备保护，有利于提高保护速度和可靠性。 图2 拍合式电磁脱扣器 STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL INSULATION AND POWER EQUIPMENTINSULATION AND POWER EQUIPMENT 传统型脱扣器功能介绍传统型脱扣器功能介绍 过
7、载保护过载保护：对于A类断路器，一般通过双金属片来进行过载长延时 保护。其工作原理如图3所示，主要利用双金属片的受热弯曲特性，双 金属片中2层或多层热膨胀系数各不相同的金属受热时，会发生弯曲。 对于B类断路器，一般通过电子式脱扣来完成过载长延时保护。 材料A 材料B 图3 直片式单支梁双金属片 图4 断路器中双金属片的位置 STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL INSULATION AND POWER EQUIPMENTINSULATION AND POWER EQUIPMENT 随着科技的不
8、断发展，脱扣器的发展方向为：随着科技的不断发展，脱扣器的发展方向为：可通信、高性能、 高可靠性、小型化、模块化、组合化、电子化和智能化。 可通信、高性能、 高可靠性、小型化、模块化、组合化、电子化和智能化。我国在 这一研究领域还有很多工作需要去做。 我国在 这一研究领域还有很多工作需要去做。 ?传统装有电磁式脱扣器的断路器在电力系统中发挥着巨大作用，但 其检测和执行装置均为机械结构，导致性能指标低、耗材、耗能、保护 特性单一、反时限拟合效果差； ?以模拟电路和数字电路为基础的电子式脱扣器弥补了上述不足，但 模拟式电子脱扣器一般只反映故障电流峰值，易造成断路器在高次谐波 的影响下发生误动作； ?
9、由于脱扣器与断路器安装在一起，一般都处于工作环境较恶劣的地 方，环境中强烈的电磁场对脱扣器的正常工作带来干扰。因此，要求脱 扣器具备较高的EMC要求； ?随着计算机技术、智能化技术、通讯技术的进步和应用领域的不断 扩大，对电器产品提出了可通信要求，以实现各种电器元件与计算机之 间的双向通信联系，可通信已成为今后一段时间脱扣器的发展方向。 STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL INSULATION AND POWER EQUIPMENTINSULATION AND POWER EQUIPMENT
10、 智能型脱扣器保护类型智能型脱扣器保护类型 电压保护电压保护 电流保护电流保护 其他保护其他保护 STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL INSULATION AND POWER EQUIPMENTINSULATION AND POWER EQUIPMENT 硬件结构框图 STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL INSULATION AND POWER EQUIPMENTINSULATION AN
11、D POWER EQUIPMENT 电源模块设计电源模块设计 图5 主电源电路图 该电源采用变压器供电，变压器原边电压取自断路器进线侧的任意 两相间的线电压。变压器的副边电压经过整流桥整流、电容滤波和稳压 芯片线性稳压，产生脱扣器的工作电源。主电源点如图如图 该电源采用变压器供电，变压器原边电压取自断路器进线侧的任意 两相间的线电压。变压器的副边电压经过整流桥整流、电容滤波和稳压 芯片线性稳压，产生脱扣器的工作电源。主电源点如图如图5所示，由于 线性稳压电路和隔离电路输出电压的精度比较高，纹波比较小，所以该 电路的输出电压可以作为 所示，由于 线性稳压电路和隔离电路输出电压的精度比较高，纹波比
12、较小，所以该 电路的输出电压可以作为5V基准电压基准电压。 STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL INSULATION AND POWER EQUIPMENTINSULATION AND POWER EQUIPMENT R6 信号采集信号采集 + -5V +5V Ia R1 C1 R3 C2 R5 C3 CH1 R2 R4 CH2 + -5V +5V R9 R11 CH3 R10 + -5V +5V R6 图6 交流信号采集电路 图图6以以Ia为例进行说明，其 他信号完全相同。 为例进行说明，
13、其 他信号完全相同。Ia通过空心电 磁电流传感器套在供电线路中， 输出为交流小电流信号 通过空心电 磁电流传感器套在供电线路中， 输出为交流小电流信号Ia、Ib和和 Ic。其中。其中R1和和C1为为Ia信号输入的 滤波部分。紧接其后的为一跟随 器，然后通过三路通道输出。最 上为经过带通滤波电路然后通过 信号输入的 滤波部分。紧接其后的为一跟随 器，然后通过三路通道输出。最 上为经过带通滤波电路然后通过 CH1输出；中间为输出；中间为7倍的反向比 例放大电路，通过 倍的反向比 例放大电路，通过CH2输出；下 面为经 输出；下 面为经49倍的反向比例放大，最 后由 倍的反向比例放大，最 后由CH3
14、输出。 由于需要测量额定电流、 过载电流和故障电流信号，故设 置了三路信号处理通道。将这三 路经过不同放大倍数的信号再送 入随后的 输出。 由于需要测量额定电流、 过载电流和故障电流信号，故设 置了三路信号处理通道。将这三 路经过不同放大倍数的信号再送 入随后的A/D转换端口，再经数 据总线送入单片机进行分析处 理。 转换端口，再经数 据总线送入单片机进行分析处 理。 STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL INSULATION AND POWER EQUIPMENTINSULATION AND
15、 POWER EQUIPMENT 在微机保护的研究过程中，算法所研究的主要问题有两 点：一为算法的计算精度，主要指用离散的采样点计算出结果 与信号的实际值的逼近程度，其影响计算结果的准确度；二是 算法的数据窗，指该算法采用故障后的多少采样点 才能计算出 正确的结果，其影响保护动作的速度。 最初，假设电压、电流为纯正正弦信号，提出了许多基于 正弦信号的算法，有半周期积分算法、一阶导数算法、二阶导 数算法等，这些算法都是基于被采样信号为正弦信号的算法， 需要先对信号进行滤波。在实际供电线路中常含有各次非周期 分量和谐波分量，本设计中选用全周傅里叶算法，该算法提取 基波分量容易，且其算法也比较简单。
16、 信号处理信号处理 STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL STATE KEY LABORATORY OF ELECTRICAL INSULATION AND POWER EQUIPMENTINSULATION AND POWER EQUIPMENT 假定被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，除基波外还含有不衰减的 直流分量和各次谐波，则可表示为： （1） 在（1）式中，、分别为直流、基波和各次谐波的正弦项与余弦项的振 幅； （2） （3） 对于基波分量，取，则可得： （4） 可将正弦基波信号表示为另一种形式 （5） = += 0 00 cossin)( n nn tnwbtnwatx n a n b tdtnwtx T a T T n = 2 2 0 sin)( 2 tdtnwtx T b T T n0 2 2 cos)( 2 = 1=ntwbtwatx 01011 cossin)(+= )cossinsincos(2)sincoscos(sin )sin( 0110110101
