過流保護電器熱記憶功能的新型實現方式

林 宜

（廈門士林電機有限公司，福建 廈門 361021）

諸如低壓斷路器、熱過載繼電器等過流保護電器，因其能及時分斷過載短路等故障電流，保護負載設備免受過電流危害，在低壓配電系統中起著非常重要的作用。

對于承受斷續過流能力較差的負載設備（如電動機負載），要求過流保護電器要具有較好的過流合閘再脫扣能力，即脫扣后短時間再過流合閘時能在較短時間內再脫扣的能力，防止負載設備頻繁斷續工作，如電動機頻繁起動，出現燒損的現象。

熱磁式過流保護電器由于其雙金屬片結構具有受熱逐漸彎曲冷卻逐漸恢復的特性，因此具有較好的過流合閘再脫扣能力，但電子式過流保護電器并無雙金屬片結構，只能通過電子保護單元采用某些特定方式去模擬類似雙金屬片受熱彎曲冷卻恢復的特性，以使其也具備較好的過流合閘再脫扣能力。于是，電子式過流保護器的“熱記憶”功能便應運而生。

1 熱記憶功能

所謂的熱記憶功能是指電子式脫扣器通過軟硬件模擬過流保護設備或負載設備中通電導體熱量累積與消散的過程，同時存儲這些熱量值。熱記憶功能有脫扣前熱記憶與脫扣后熱記憶之分，本文所述的熱記憶功能為脫扣后的熱記憶功能，即電子式脫扣器存儲脫扣時的熱量，模擬熱量的消散。

脫扣后熱記憶又分為在線熱記憶與斷電熱記憶兩種。在線熱記憶是指過流保護電器脫扣后其電子保護單元不斷電工作實現熱記憶功能。斷電熱記憶則是指過流保護電器脫扣后其電子脫扣器斷電工作實現熱記憶功能。

由于動作后電子脫扣器處于仍不斷電工作狀態，因此在線熱記憶實現方式較為容易，可通過軟件算法[2]在線模擬通電導體的熱量消散。

相比較在線熱記憶，由于脫扣后電子脫扣器已斷電，因此斷電熱記憶實現起來相對困難，其如何存儲脫扣時的熱量及如何模擬熱量消散是其兩大難點。

本文將著重介紹斷電熱記憶的實現方式。

2 現有斷電熱記憶技術

2.1 現有技術

斷電熱記憶的現有處理方式為：電子脫扣器中的微控制器 MCU通過采樣線路上的各相極電流，并利用軟件熱模擬算法，將電流轉換成相應的熱量值，然后通過一定的方式輸送到外部器件進行斷電保存，最后通過電容放電方式來模擬熱量的消散。

圖1 斷電熱記憶實施框圖

實際實施技術如圖1所示。當采樣到過載電流時，微控制器輸出一定寬度的脈沖來控制充放電電路中的充電電容達到一定的電壓值，該電壓值為過載電流延時預設的一定時間要動作或脫扣（即切斷線路）所積累的熱量值的比例值。脫扣后，微控制器斷電，充電電容開始慢慢放電。之后再合閘時，微控制器重新得電并開始采樣充電電容的剩余電壓，再將剩余電壓轉換成等比例的剩余熱量值。該熱量值將作為微控制器再次熱量累積的初始值。

2.2 技術不足

上述技術存在一個技術困難點：需要對充電電容的充電電壓進行監測以控制要達到的充電電壓，因此需要不斷閉環調整脈沖寬度，微控制器軟件處理較為復雜。

為減小軟件處理的復雜度，另有其它技術試圖通過硬件電路的方式來閉環調整充電電容的充電電壓，即微控制器通過內置的 DA模塊或外加的 DA芯片輸出充電電容要達到的目標電壓值，充電電容的充電利用該目標電壓進行閉環自動調整。該處理技術雖減小了軟件處理復雜度，但增加了硬件開銷。

上述處理技術雖然通過犧牲硬件開銷方式解決了軟件設計復雜的問題，但仍忽略另外一個關鍵問題：僅對各相極中最大累積熱量相極進行熱記憶，未對各相極分開處理，這樣對于負載不平衡的線路，將可能導致過流保護電器“早跳”。

3 新型斷電熱記憶技術

為了克服現有技術的不足，本文提出了一種處理簡單、實現容易的新型熱記憶技術，通過鐵電存儲器等非易失存儲器來“記憶”各相極累積的熱量值，采用電容放電來模擬熱量的消散，并根據電容剩余電壓值來換算成各相極的剩余熱量值，從而實現熱記憶。

3.1 電路原理

本文提出的新型熱記憶電路如圖2所示。

圖2 新型斷電熱記憶電路

電路中，通過電阻 R1與 R2分壓采樣實時判斷電子脫扣器是否脫扣斷電；由二極管VD1、電容C1、電容C2及低壓差線性穩壓器LDO構成儲能電路，該儲能電路作用是保證過流保護電器脫扣后其電子脫扣器仍有足夠的時間進行熱量存儲；電阻R3、三極管Q1、電容C3及電阻R4則構成電容充放電控制電路，通過該控制電路，達到利用電容放電模擬通電導體熱量消散過程的目的；通過運放 U1A、電阻R5和電容C4構成了電容C3電壓檢測電路，實現再合閘時放電電容剩余電壓的檢測；其中非易失存儲器（如上文提到的鐵電存儲器）是用來存儲脫扣時的熱量。

3.2 實現過程

正常運行時，電子式脫扣器通過內部的電流電壓轉換電路輸出供電電壓VCC1；VCC1向電容C1、C2充電完成蓄電工作，同時經過低壓差線性穩壓器LDO輸出微處理器MCU及其外圍電路的工作電壓VCC2；微處理器MCU通過電流互感器檢測線路中的電流，并換算成熱量值，同時控制電容C3持續充電在滿額電壓狀態；當脫扣斷電時，供電電壓VCC1消失，微處理器可通過斷電判斷電路立即檢測到電子脫扣器斷電，同時儲能電容C1、C2開始向低壓差線性穩壓器LDO供電，保證了微處理器MCU及其外圍電路可以短暫地續能工作；微處理器 MCU在蓄電工作期間將當前的各相極的熱量值保存至非易失存儲器中，并停止對電容 C3充電；之后，電容 C3通過電阻R4開始放電，模擬熱量的消散；當再合閘時，供電電壓 VCC1、VCC2重新上電，電子式脫扣器也重新得電工作，此時微處理器MCU采樣電容C3上的剩余電壓，同時讀取存儲在非易失存儲器內脫扣時的熱量；最后依剩余電壓值與滿額電壓值的比例，根據電容放電公式與電壓熱量轉換公式，推算得出再合閘時各相極的剩余熱量值，完成熱記憶。

3.3 試驗結果

本文將該熱記憶技術運用于本公司的電子式塑殼斷路器產品，并對其熱記憶功能進行測試，得到2組試驗數據分別如表1、表2所示。

由試驗數據得出：當熱記憶功能開啟時，斷路器脫扣再合閘的間隔時間越短，其過載再脫扣用時就越短，這也說明了該電子式塑殼斷路器具有過流合閘再脫扣能力較好。

表1 試驗結果

表2 試驗結果

3.4 技術優勢

相比較現有斷電熱記憶技術，本文提出的斷電熱記憶技術具有如下優點：

1）通過鐵電存儲器等非易失存儲器記憶脫扣時的累積熱量，無需要根據電流值實時閉環調整充放電電容的充電電壓，減小軟硬件處理的復雜度。

2）同時對各相極累積的熱量進行熱記憶處理，保護更合理，對于負載不均勻的線路，可避免“早跳”現象。

3）無需對充電電容的預設充電電壓進行判斷與控制，只需將其充至滿額電壓，控制較為容易。

4）斷電判斷電路不僅能檢測到脫扣斷電，而且還能檢測到其他非脫扣時的斷電，因此本文提出的熱記憶處理同樣適用于其他情況下的斷電熱記憶。

5）無需計算電容放電的時間，只需根據電容放電公式來換算熱量的剩余值，程序處理簡單。

4 結論

本文針對過流保護電器現有斷電熱記憶技術存在的問題點，提出一種新型的熱記憶處理設計方案，具有保護合理，結構簡單，容易實現等優點，并已應用于本公司的電子式塑殼斷路器及電子式熱繼電器產品上，性能優越，保護準確可靠。

[1]Schneider電氣. Compact NSX產品型錄，2008.

[2]曲弋. 電動機熱特性研究及單片機電動機熱保護器的研制[D]. 沈陽工業大學, 2002.