智能断路器的技术及其发展【文献综述】.doc

1、1 毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 智能断路器的技术及其发展 摘要：简要 介绍了智能断路器的基本作用及其工作原理，重点叙述了关于智能断路器控制器单元、脱扣器系统、触头系统、灭弧系统等方面的内容，确切指出了智能断路器今后的发展趋势。 关键词：智能断路器；控制单元； 1 引言 低压断路器是电力系统中重要的开关电器，它能接通、分断正常工作电流，也能分断过电流及短路故障电流，并且能对电路中过载、短路、欠电压、单相接地、漏电等现象起保护作用 1。随着现代电力系统的快速发展 ，低压电器的生产技术也有了相应提高，出现了以智能 化、网络化为主要特征的智能断路器。它是由智能控制器单元、脱扣系统、触点系统、

2、灭弧系统四个模块组成的，不仅具备传统断路器自身的各项功能 ,还具备瞬动保护、接地故障保护、长延时保护、短延时保护、实现测量显示、负载监控、网络通信等功能 2。本文着重叙述了智能断路器技术方面的内容及今后的发展趋势。 2 智能控制器单元 智能控制器主要由微处理器单元、信号采集单元、键盘和显示电路等几部分组成。如图 2-1 所示。 图 2-1 智能断路器控制器的组成图 2.1 微处理器单元 2 微处理器 单元由带模数转换、串行总线、高速输入输出通道、通讯接口、处理器及其外围电子电路组成。首先将外电路电流转换为电平信号 ,然后经隔离、滤波、放大后到 A/D 转换单元得到数字信号，最后数据由总线送到

3、CPU3。其通过调用 EPROM中的程序对此数据进行计算 ,将其结果与 E2PROM中的整定值进行比较 ,做出相应的故障判断处理。 微处理器分别经历了从起初 8 位的 51 系列单片机，到后来 16 位系列的单片机，再到现今的 DSP系列这三个阶段 4。 DSP 系列相对前两者具备更为丰富的片上资源、更加高速的数据处理能力、更加准确快速的动作 、更多选择的通信类型、更高的抗干扰能力等优势，使其广泛应用与智能控制器的中央处理器。 2.2 信号采集单元 信号采集单元是智能断路器的重要组成部分，它能将外电路中的电流、电压信号转换成模拟电路可处理的电平信号，然后对此信号进行隔离、滤波，最后送至微处理器

4、的 A/D 转换模块，具有较高的转换精度、可靠度、灵敏度等特性 5。在电力系统运行过程中，过载、短路时的故障电流通常比正常运行时的稳定电流大数倍甚至几十倍，所以要想即提高小电流时的测量精确度，又兼顾大电流时的测量范围，可以根据外电路电流的大小将互感器分为空芯互感 器和铁芯互感器。当测量大信号时，采用精确度高、线性度好的空心电流互感器；当测量小信号时，则采用铁芯互感器 6。 如图 2-2 为互感器选择原理图。将电流互感器输出电流信号转换成电压信号与基准电压信号进行比较，当该信号小于基准电压信号时，比较器输出为 0，信号调理模块得到的信号为铁芯互感器的信号；当该信号大于基准电压信号时，比较器输出为

5、 1，信号调理模块得到的信号为空芯电流互感器的信号。 图 2-2 互感器选择原理图 3 2.3 键盘和显示器 键盘和显示器可以直接与微处理器相 连。通过键盘输入，可以实现各种保护参数的设定、预警值的设定、开关的实验和各种功能的检测。而显示器不仅可以直观的显示电流、电压、功率因素、电能、谐波等电力参数，同时也可以显示电流、电压的波形 7。 3 脱扣器系统 脱扣器系统中的脱口执行元件采用一个带永磁铁的电磁通变换器。当外电路正常工作时，永磁铁保持吸合状态；当外电路负荷、短路、接地时，微处理器发出脉动控制信号 ,并将其送至磁通变换器的线圈 ,使其产生反向磁通 , 抵消固有的磁通 , 从而带动断路器分断

6、。 通常在微处理器和控制电路的基础上加入模拟脱扣电路 8。当系 统上电初期或者系统运行期间都可能产生短路电流，微处理器完成动作则需要一定的时间，这也很可能损坏电路中的其他元件。而模拟脱扣电路可以采用硬件比较器电路，对电路中存在的短路电流做出快速有效的反应，从而完成动作，增加脱扣器的可靠性。如图 2-3 为脱扣器原理框图 9。 图 3-1 脱扣器原理框图 4 触头系统 10 4.1 触头材料 触头材料是决定触头系统特性的重要因素之一，它要求触头具备耐磨性能好、 抗熔焊性能优良 、电流分断能力强、耐电压值高等特点，其中分断能力和耐电压值为最先 考虑的因素。目前使用比较广泛的触头材料是 CuCr50

7、 和 CuCr25，它在抗熔焊性能、耐电压值、电流分断能力上都具备一定的优势。 4 4.2 触头状态 触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头，按其触头控制的电路可分为主触头和辅助触头。通常主触头用于接通或断开主电路，且允许通过较大的电流。 4.3 接触形式 通过对触头接触形式的合理设计，使电弧转化为扩散型电弧或者快速运动，从而提高开断能力。目前使用的触头结构有：平板对接式触头、螺旋型横磁触头、线圈式纵磁触头和杯状纵向磁场出头4 种。 5 灭弧系统 灭弧系统 是围绕机械式开关的弧触头，用以限制电弧并帮助电弧熄灭的系统。按其原理可分为桥式结构空气自然冷却灭弧、栅片灭弧、磁吹灭弧和过电压浪涌电压抑

8、制等几种。通常小功率电器元件上基本采用空气自然冷却灭弧，大功率电器元件上则采用磁吹灭弧。 6 智能断路器的发展趋势 智能断路器它是以计量、控制、通信等功能融于一体低压电器。随着配电自动化的发展，智能断路器也朝着以下方面发展： (1)传统以软件编程思想采用的顺序结构将被多任务操作系统取代。具有维护移植便捷、程序开发容易、系统稳定可靠等优点。 (2)更加普遍的利用现场总线技 术，提高信息传输精度、提高信息传输量度、提高系统可靠性。 (3)实现电网质量实时监控和通信的功能，如电网的功率因素、谐波分量、波形畸变等，而且能记录电网的波形变化，实时观测电网的工作情况 11。 7 结束语 随着低压电网的快速

9、发展，断路器也向着计算机化、网络化、智能化和数据通信一体化方向发展 12。这将使得未来的供电系统和工业自动化系统的管理更加完善，也极大程度的提高了供电系统的可靠性和用电设备的安全性。 参考 文献 1陈德桂 .低压断路器的开关电弧与限流技术 M.北京：机械工业出版社， 2006.10. 2赵跃华，任敏 .智能断路器的可通信设计 J.电子工程师， 2003， 29（ 12）： 31-38. 3周志敏 .智能断路器及现场总线 J.电气开关， 2001（ 6）： 7-15. 4陈鹏，王拓宇，任世彬 .基于 DSP 的智能低压断路器控制器设计 J.电工电气， 2010（ 4）： 8-11. 5Y.M.H

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