基于傳統低壓交流斷路器的創新設計與研究

劉巖松　朱哈南

摘要：新型低壓交流斷路器是一種利用數字化檢測技術，將連續的電壓電流數值（模擬量）轉換成離散且不連續的的數字量形式進行顯示，利用TV1005M和TA1005M檢測模塊檢測受測電路的電壓、電流、用電量、電能質量等數據，并將數據顯示在顯示屏上。

關鍵詞：低壓交流斷路器;設計;研究

中圖分類號：TM561 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）08-0165-02

現如今，我國智能電網的建設以及階梯電價的改變，傳統的電壓交流斷路器已經無法匹配當前電網的發展與用電用戶的需求。基于此，我們就對傳統的低壓交流斷路器進行了一次新的研究與開發。

本設計由STM32芯片電路板+交流電壓電流檢測模塊電路+ESP8266WIFI模塊電路+指示燈電路+裝置顯示屏+手機配套APP組成。（1）通過電壓互感器與電壓互感器對待測電路進行持續且實時的監控得到交流電壓值與交流電流值。（2）在手機與APP與WiFi模塊進行連接后，APP就可以在手機上對電路進行一個實時的監控，監控的內容包括電壓、電流、用電量、以及當前功率等。（3）當斷路器系統檢測到當前檢測電路功率超過220W（實驗室模擬量）時，新型低壓交流斷路器就會自動斷開。在電路功率不超過220W時，可以通過斷路器上的操作按鍵進行斷路器的開關。也可以通過手機APP上的程序進行斷路器的開關操作，使斷路器系統變得更加智能與便捷。

1 系統總體結構

新型低壓交流斷路器流程如圖1所示。

2 信息采集部分設計

本設計采用的電壓互感器模塊型號為TV1005-1M，采用TA1005M電流互感器模塊作為本設計的電流互感器模塊。電壓互感器與變壓器的原理相近，是一種用于改變電路電壓的儀器。電壓互感器改變電壓的目的是對進行檢測電路電壓、功率與用電量的測量儀表和繼電保護裝置供電，或是為了當線路短路或過載的情況下對較為貴重的儀器及設備加以保護。和變壓器一樣，它也具有兩個繞組，一個被我們稱為一次繞組，一個被稱為二次繞組，這兩個繞組都會被安裝或纏繞在鐵心上。這兩個繞組與鐵心之間都有絕緣措施，從而形成電氣隔離以保證安全。當電壓傳感器開始運行時，一次繞組一側將會并聯在線路上，二次側繞組將會并聯在新型低壓交流斷路器上，即使在檢測較為高壓的線路時二次側依舊是低壓且安全的，這樣可以更好的保證設備以及操作人員的的安全。我們需要一種比較統一的電流便于保護、測量、以及控制。并且當受測電路電壓較高時直接測量可能會對操作人員以及相關的儀器設備造成安全上的威脅，這個時候起到電流變換與電氣隔離作用的就是電流互感器。在交流電壓電流互感器模塊中，電阻R1起到限流電阻的作用，R2、R3為分壓電阻，用來將采集的模擬信號轉化為電壓信號。二極管D1、D2具有單向導電的作用，自必要時刻可以作為保護。作為濾波作用的電容可以使信號變得更加平穩且能夠讓設備變得更加穩定與可靠。LED2做為電源指示燈，R6為限流電阻，保護LED燈。接口包括：220V交流電輸入接口J1、負載輸入接口J2。RL1為5V的繼電器，在本電路設計中由于單片機引腳的電流驅動能力太小，不足以驅動繼電器的通斷，所以使9012三極管作為驅動元件驅動繼電器。1N4007二極管，當繼電器閉合或者斷開瞬間會產生反向感應電動勢，損害三極管，通過1N4007將反向電動勢消除以保護三極管。

3 信息處理部分設計

意法半導體（ST公司）設計生產的STM32系列處理器是一種基于ARM 7架構的微控制器，它的擁有32位、能夠支持實時仿真和實時跟蹤控制等特征。選擇STM32作為本系統的控制芯片主要是因為本系統需要更加豐富的接口以及為以后的各種改進與技術的升級留下足夠多的外圍擴展電路。STM32是一種廣泛應用于各種智能設備當中的控制芯片，具有一定的成熟性，且趨于主流地位，具有很好的學習、實驗研究等價值。

4 信息傳輸部分設計

我們選擇利用WIFI模塊進行新型低壓交流斷路器的數據無線傳輸。Wi-Fi是一種能夠將PC、手機等終端以無線方式進行相互連接的一種成熟技術。Wi-Fi出現的目的是用于改善利用IEEE 802.11作為標準的無線網路互聯設備之間的互通能力。也可以取代一部分一般局域網中所使用的高速線纜，具有覆蓋性強的特點。

串口WIFI模塊是一種相對較為新穎的WiFi模塊，它具有功耗相對較低、體積相對較小等優點。該模塊采用UART接口，契合IEEE802.11協議棧網絡標準，其內置了TCP/IP協議棧可以使設備更加便捷的接入無線網絡。ESP8266是一款超低功耗的模塊，是一種專門為移動設備與互聯網設備設計以生產出的WiFi模塊，擁有較大兼容性，可以更好地將需要連接的物理設備連接到無線網絡中，進行網絡通信，形成數據聯網。ESP8266已經廣泛應用于各種智能設備當中。芯片輸出數據連接串行通訊接口，并與ESP8266相連接，將數據通過wifi發送到用戶的手機上，在用電狀態下超出5%額定安全電流的不安全的情況下向用戶發出警報，由于當前機械式斷路器的敏感度以及家中現有用電器較多的問題，使我們的電路常常處于不安全的超出安全額定電流的情況，這種情況會加大家庭電路的不安全性，會加速電路的老化，造成相當嚴重的安全隱患。

5 信息顯示部分設計

硬件系統與軟件系統組成了完善的控制系統，所以軟件是必不可少的。本系統使用ARM作為控制中樞，選用STM32F103C8T6芯片，選擇Keil uVision5 by ARM軟件作為開發環境。這是一種當前STM32單片機的主流開發環境，使用頻率極高。

配套的手機APP可以顯示當前電路的實時電壓、實時電流、用電量、實時功率、換算出的電費、以及遠程操作斷路器通斷的界面。斷路器表面將會連接一個OLED顯示屏可以實時顯示實時電壓、實時電流、用電量、實時功率以及換算出的電費。這是一種對原有斷路器的一種新的設計，是為了能讓人們時刻知道自己的耗電量以及所消耗的電費，希望能夠以這種方式倡導人們節約能源。

Innovative Design and Research of Low Voltage AC Circuit Breakers

LIU Yan-song， ZHU Ha-nan

（Harbin Institute of Petroleum， Harbin Heilongjiang? 150028）

Abstract：The new low-voltage AC circuit breaker is a kind of digital detection technology， which converts the continuous voltage and current value （analog quantity） into discrete and discontinuous digital quantity form for display， it uses TV1005M and TA1005M detection module to detect the voltage， current， power consumption and power quality of the circuit under test， and displays the data， on the display screen.

Key words：low voltage AC circuit breaker; design; research