基于ARM單片機的直流塑殼斷路器的電子式脫扣器設計

吳 蔚，路林吉

0 引言

電力工程中為保證各供電保護和控制環節的可靠運行，通常采用獨立于交流電源外的直流電源供電系統對其供電。為保證直流供電系統的連續性和可靠性，直流系統中各級過電流故障的保護及報警配合一直是工程設計人員十分關注的問題。由于發電廠和變電所直流系統的供電負載多，回路分布廣，在一個直流網絡中往往有許多支路需要斷路器或熔斷器來進行保護。如果由于下級斷路器的短路故障，造成上級斷路器的越級誤動作，會造成更大面積的斷電[1]。這就存在保護電器的正確選型及上下級之間選擇性保護的配合問題。本文給出一種基于ARM單片機的軟硬件方法，實現了一種區別于傳統熱磁式兩段式直流斷路器的全電子式三段式直流斷路器，具有精度高，設置方便，及可實現通訊并實現智能電網的直流斷路器。

1 斷路器基本參數指標

低壓直流塑殼斷路器作為電力供配電系統的關鍵元件，除了要能正常分合相關系統額定電流外，還要在相關系統故障時能快速有選擇性地可靠分斷相關系統短路故障電流，且不能出現越級跳閘或據動現象。

傳統直流塑殼斷路器通常由雙金屬片和螺線管線圈來實現過載長延時保護、短路瞬時保護。而缺少短路短延時保護功能，在配電系統應用中，實現上下級級差配合難，易出現越級跳閘的現象。

本設計由全電子式實現了過載長延時保護、短路短延時保護及短路瞬時保護，三段式保護功能。并可以整定過載長延時保護電流值，可以選擇短路短延時時間。方便用戶選擇不同斷路器，實現上下級級差配合。

1.1 基本三段式保護功能

1）過載電流長延時保護曲線： I2T =；延時精度：0 ～-10%

I實際故障電流；T反延時脫扣時間；rI斷路器整定電流；rt斷路器反延時時間。

2）短路短延時時間整定：250A 30/60ms ；630A 50/80ms； 延時精度：±10%

3）短路瞬動電流值：3.8kA ±10%； 動作時間小于 20ms。

2 電子脫扣器原理結構組成

直流塑殼斷路器的電子式脫扣器總體結構，如圖1所示：

圖1 電子脫扣器原理結構

以ARM單片機LPC2131為核心，對采樣信號進行計算，并實現相應類型故障保護。輔以報警指示燈、鍵盤整定、脫扣機構、信號采樣放大、開關電源等電路以實現產品的整體功能。

單片機選用LPC2131是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7 TDMI-STM CPU的微控制器，并帶有最高512kB的嵌入的高速Flash存儲器[2]。特別適用于工業控制和醫療系統。

2.1 霍爾電流傳感器

直流信號的檢測精度，直接影響到電子脫扣器的保護精度，及可靠性。現在通常的計量直流信號的方法是采用：分流器或者霍爾器件。分流器是由錳銅等材料制造，該材料溫度系數小，在通過大電流發熱的情況下，內阻變化很小。所以用來計量一定量程范圍內直流信號，是可行的。但是本設計需要測量的直流信號范圍寬廣，分流器不能滿足要求。霍爾電流傳感器是應用磁場感應及霍爾效應原理制成的檢測電流傳感器。它通過霍爾IC器件將磁信號轉成電信號，經放大信號處理得到相應的電壓或電流輸出。具有精度高、線性度好、可靠性高等特點。因此本設計選用閉環霍爾電流傳感器用于檢測直流信號。

2.2 抗過壓電路

發電廠和變電所直流系統，通常采用動力回路 220Vdc或控制回路110V供電。根據產品實際使用特點，霍爾電流傳感器需要提供+/-12V～+/-15V的工作電源，這里采用85V～250V輸入電壓開關電源作為供電回路[3]。

由于大電流的短路故障發生時，斷路器的在分斷過程會由于觸頭斷開過程的電弧電壓，在斷路器的進線端產生較高的過電壓[4]。本電路可以有效抑制1200V/10ms的瞬態過電壓過程，和2kV的差模浪涌電流，如圖2所示：

圖2 抗過壓電路

2.3 開關電源電路

+5V電源電路由 DC250V-DC6V開關電源電路實現DC/DC變換，再經過線性三端穩壓器（U5）LM2940CT-5V實現DC6V-DC5V變換，如圖3所示：

圖3 開關電源電路

開關變壓器（T1）由1路輸入，4路輸出抽頭組成，其中1路輸出抽頭用于6V輸出，2路用于±12V輸出。 開關電源芯片（U1）TNY280N 內部集成開關管可以進行開關穩壓。

2.4 信號采樣電路

為了提高采樣信號精度，當原邊主回路直流信號小于2倍額定電流時，將放大信號SIGNAL_4輸出給單片機處理。當原邊主回路直流信號大于2倍額定電流時，信號不做放大處理，直接輸出 SIGNAL_3給單片機處理。這樣能保證寬范圍的電流采樣精度。所有的切換過程由單片機自動識別，如圖4所示：

圖4 信號采樣電路

2.5 脫扣機構

一般是由微處理器發出脫扣指令給脫扣電路，最終由執行電路（磁通變換器）來實現開關的分斷。硬件電路圖，如圖5所示：

圖5 脫扣電路圖

單片機口線直接驅動IGBT，磁通變換器（Coil）接+12V。單片機口線輸出高電平直接驅動IGBT閉合，電流流過磁通變換器。磁通變換器機械結構驅動斷路器分閘機構，以實現斷路器的分斷。

3 軟件設計

通過采樣信號計算出實際直流電流有效值。通過長延時、短路短延時、短路瞬時保護子程序，確保直流斷路器的正常保護功能。用戶可以通過鍵盤整定電路進行參數設備，可以通過報警指示燈觀察斷路器運行狀態。軟件主程序流程圖，如圖6所示：

圖6 主程序流程圖

0.5 ms中斷觸發一次A/D采樣。由于瞬時脫扣要求時間很快，直接用 A/D轉換的數值與瞬時脫扣電流比較判斷。然后計算出實際電流有效值，用于長延時、短延時保護的能量計算使用。中斷子程序流程圖，如圖7所示：

圖7 中斷子程序流程圖

4 實驗結果

過載長延時保護實現反延時曲線，即故障電流越大，動作時間越快。短路短延時實現定時限特性，即故障電流超過設定值，以設定時間分斷。實驗結果，如表1和表2所示：

表1 過載長延時保護測試，In=250A, Ir=1.0In, Tl=15s.

表2 短路短延時保護測試，In=250A, Ir=1.0In, Tsd=30ms

5 結束語

本文介紹的直流三段式電子脫扣器設計方案，機構簡單，精度高，可以結合不同應用環境，調整過載電流保護、短路短延時延時時間，極大地方便了用戶的選型及使用。目前該設計方案產品已完成了所有的測試，符合國家 GB14048.2和DL 5044的相應標準。該產品結合傳統直流斷路的應用，將豐富低壓電器行業的選擇，實現智能電網的轉換。

[1]賈玲珍,張賀偉. 變電站直流系統斷路器和熔斷器級差配合的試驗研究[J].河北電力技術 2004(2):21～23.

[2]周立功.深入淺出ARM7: LPC213X/214X (上冊)[M].北京航天航空大學出版社,2005

[3]DL/T 5044—2004，（S）電力工程直流系統設計技術規程

[4]郭風儀. 電弧電壓及燃弧時間的分析研究[J].低壓電器1997(3): 6～8.

[5]GB 14048.2-2008，(S)低壓開關設備和控制設備 第 2部分:斷路器