5、电子式脱扣器原理与设计

STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT断路器智能脱扣器的原理与设计STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT‹脱扣器发展‹传统型脱扣器保护类型‹传统型断路器保护功能介绍‹传统型脱扣器功能介绍‹智能型脱扣器保护类型‹电源模块设计‹信号采集与处理‹电压保护‹电流保护‹过载反时延保护‹其它功能STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT脱扣器发展STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT脱扣器发展STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT传统型脱扣器保护类型短路保护过载保护STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT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类断路器具有三段保护特性，即过载、短路短延时和短路瞬动保护。tI支路1支路2支路3BAI1BAI1Icw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STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT传统型脱扣器功能介绍短路保护：对于A类断路器，一般通过电磁脱扣来进行短路瞬时保护。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STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT传统型脱扣器功能介绍过载保护：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STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT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。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；‹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。STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT智能型脱扣器保护类型电压保护电流保护其他保护STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT硬件结构框图STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT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5V基准电压。STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTR6信号采集—+-5V+5VIaR1C1R3C2R5C3CH1R2R4CH2—+-5V+5VR9R11CH3R10—+-5V+5VR6图6交流信号采集电路图6以Ia为例进行说明，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Ia、Ib和Ic。其中R1和C1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CH1输出；中间为7倍的反向比例放大电路，通过CH2输出；下面为经49倍的反向比例放大，最后由CH3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。STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT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。信号处理STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT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）∑∞=+=000]cossin[)(nnntnwbtnwatxnanbtdtnwtxTaTTn∫−=220sin)(2tdtnwtxTbTTn022cos)(2∫−=1=ntwbtwatx01011cossin)(+=)cossinsincos(2)sincoscos(sin)sin(01101101011011twxtwXtwtwxtwxxmmααααα+=+=+=STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT对照式（4）和式（5），可知，则有（6）对于其他各次谐波分量的求法与基波分量的方法完全类似，可见傅里叶级数算法求某次谐波分量的有效值时，关键是求出该次谐波分量的实部和虚部的系数。上式是在连续域中采用的傅氏算法求取基波或某次谐波的分量的方法，在微机保护中，得到的是经过采样和A/D转换后的数字信号，在用微机处理时，式（2）和式（3）经傅里叶变换方法求得：（7）（8）1111sin2,cos2ααXbXa==221212Xba=+22121baX+=kNkxNaNnπ2sin)(2101∑−==kNkxNbNnπ2cos)(2101∑−==STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT式中工频每周期采样点在本系统中，考虑系统要求的反应速度，在此取采样频率为600Hz，则对于基波，一个周期内取12个点，则式（7）和（8）如下所示。（9）（10）则对应的和如表一所示−Nkkxann∑===11016sin)(61πkkxbnn6cos)(611101π∑===kNπ2sinkNπ2cosk0123456789101100.510.50-0.5-1-0.510.50-0.5-1-0.500.56sinπk6cosπk23232323−23−23−23−23STATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALINSULATIONANDPOWEREQUIPMENTINSULATIONANDPOWEREQUIPMENT在微机保护中，采样频率取600Hz时，对应的正弦函数和余弦函数离散化后的系数仅有三组值，即、和1，因此由式（9）和式（10）的采样值计算公式如下：kNπ2sinkNπ2cos5.023)](2)(3)[(1219310842117511xxxxxxxxxxa−+−−++−−+=)](2)(3)[(1216075111108421xxxxxxxxxxb−+−−+++−−=式中…分别表示k=0,1,2，…，N时刻的采样值。由和，按式（6）即可求出基波的幅值。,,,210xxx12,x1a1bSTATEKEYLABORATORYOFELECTRICALSTATE