探討永磁智能型真空斷路器控制器研究

余榮杰 付志春

摘要：本文以 atmega128 單片機為核心控制芯片，利用 ZHD1X 模塊進行 GPRS 無線通訊，完成了基于永磁操動機構的 12KV 真空智能斷路器的硬件設計，通過仿真波形和試驗輸出結果表明，該控制器運行可靠性高，響應速度快，保護功能完善，有較好的電磁兼容性。除實現基本的保護功能之外，還可以對配電系統的現場參數進行監測，實現了實時監控和保護功能，完全能夠滿足現代低壓配電系統的自動化的要求。

關鍵詞：atmega128;GPRS;智能型;永磁真空斷路器

以 atmega128 單片機為核心控制芯片，利用 GPRS 無線通訊模塊 ZHD1X，集測量、保護、監控、通信等功能為一體的基于雙線圈單穩態永磁機構，12KV 智能型真空斷路器控制器。不僅實現對配電系統的現場參數進行監測，還具有監控和保護功能，具有成本低、功耗低、可靠性高、功能完善和抗干擾能力強等優點。

1 概述

12KV 斷路器是重要的電力傳輸和控制設備，用于分合負荷電流、過載電流及短路電流，安全、可靠地切斷故障電流，防止事故擴大危及到整個輸配電系統。傳統斷路器的檢測和保護功能多由電磁元件完成，其動作時間長，保護精度低，整定困難。隨著社會的發展，科技的進步，人們對供配電系統的自動化程度要求越來越高，傳統斷路器的功能已不能滿足供配電系統自動化的需要。

2 系統總體結構設計

系統選取 ATMEL 公司生產的 atmega128 單片機作為核心控制芯片?？傮w結構包括：電源模塊、模擬量采集模塊、分合閘線圈位置檢測模塊、分合閘驅動模塊、液晶及 LED 顯示模塊、通信模塊。系統總體結構如圖 1 所示。

3 系統硬件電路設計

3.1 電源模塊

AC12KV 通過電壓互感器變為 AC220V，再通過濾波整流得到DC300V，經過開關電源輸出兩路。DC24V 電壓，分別給控制器電路板和電源管理模塊供電（24V蓄電池作為備用電源），電容充電模塊由電源管理模塊供電，將輸入的 DC24V 升壓到 DC240V，最終實現電容充電功能。

3.2 模擬量采集模塊

3.2.1 相電流檢測

經過電流互感器得到的采樣電流信號，由電流變送電路轉換成電壓信號。再通過精密整流電路將以零為基準的正負交流電壓變為幅值為 0～5V 的交流電壓信號，最后送入單片機處理。輸出端接一個穩壓二極管的作用是防止單片機因輸出過電壓而損壞。零序電流檢測電路選用的是 LJWZ-5 型高精度零序電流互感器，當原方電流很?。?.2A～0.5A）時也能保證足夠的準確度，其他部分與相電流檢測電路基本相同。

3.2.2 AC 相線電壓檢測

系統電壓經過 LCTV31CE 電壓互感器降壓，該電壓互感器體積小精度高，電壓隔離能力強，由于它是電流型電壓互感器，二次側不允許開路。與電流檢測電路原理基本相同，電壓檢測電路經過電阻分壓后得到的一次側電壓通過串聯電阻得到電流信號。

3.2.3 電容欠壓保護

為消除分、合閘操作時，電容放電產生的電流干擾，利用三端穩壓基準芯片 TL431、光電耦合器 TLP521 等器件對電容電壓進行隔離檢測。利用電阻分壓的形式采集電容電壓，通過調整滑動電阻改變電容電壓，當電容電壓大于等于設定值（152V）時，TLP521 輸出由高電平變為低電平，單片機通過采集這個信號實現對電容電壓的隔離檢測，如果電容電壓未達到設定值，將禁止分、合閘操作。

3.3 分合閘線圈位置檢測模塊

為了提高位移量檢測的精度和速度，本設計選用了差動變壓器式高精度位移傳感器 Linear Variable Differential Transformer 來測量永磁操動機構的位移。通過傳感器把位移量轉變成電壓量，采用AD598 信號調節器對 LVDT 輸出信號進行調理，從 16 腳對地輸出的電壓信號經電平轉換后送入單片機做 A/D 轉換處理。

3.4 分合閘驅動模塊

分合閘驅動電路基本相同，下面以分閘線圈驅動電路為例。為了提高系統抗干擾能力，采用光耦 TLP250 作為 IGBT 的核心驅動芯片。單片機給 TLP250 導通信號，TLP250 輸出高電平驅動 IGBT 導通，IGBT 導通使分閘線圈得電，斷路器分閘。

3.5 液晶及 LED 顯示模塊

為了方便現場使用，控制器采用 LED 及 LCD12864 作為斷路器工作狀態指示，實時顯示斷路器的分、合狀態及電力系統中電壓、電流的故障原因，如短路、斷相、欠壓等故障狀態，以便于工作人員準確了解故障的具體情況，并做出快速有效的處理。

3.6 通訊模塊

GPRS 采用了 ZHD1X 終端設備，ZHD1X 內置工業級 GPRS/CD-MA 無線模塊、32 位處理器和嵌入式操作系統，支持 UDP、TCP 協議。外置標準 RS232 接口。可以在各個領域進行安全可靠、點到多點、無縫聯接的數據透明傳輸。ZHD1X 無線數據終端通過 RS232實現與上級監控中心的通訊，實現上傳現場采集的數據，下傳上級監控中心指令等功能。下位機即斷路器主要完成線路中的過壓、欠壓、過載、短路、接地及斷相等故障處理與保護功能。

4 結語

通過仿真波形和試驗輸出結果表明，該控制器運行可靠性高，響應速度快，保護功能完善，有較好的電磁兼容性，對配電系統的現場參數進行監測，實現了實時監控和保護功能，是能夠滿足現代低壓配電系統的自動化的要求。

參考文獻：

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（作者單位：江西泰豪動漫職業學院）