基于物聯網技術的新一代居民側智能斷路器研究

陳宇沁，楊世海，方 超，張 凡

（1.國網江蘇省電力有限公司營銷服務中心，南京210019；2.江蘇方天電力技術有限公司，南京211102）

電子信息技術和物聯網技術的飛速發展，帶動了智能化技術的快速發展以及產品的智能化升級[1]。傳統的居民側微型斷路器已經不能滿足現在智能化電網和信息互聯互通的需求，開發兼具傳統微型斷路器功能，同時具備數據實時監控的新一代微型斷路器順應了時代技術的發展以及用戶的需求[2]。

本文研究了新一代微型斷路器，具備普通斷路器的短路保護、過載保護功能，同時具有軟件漏電測量值實時上報，電壓、電流、功率等電參量測量功能和電能測量功能以及電能質量監測功能。當斷路器故障電弧產生時，該斷路器將產生告警信息并根據用戶設定參數進行主動跳閘。

1 漏電電流檢測及保護技術

1.1 硬件漏電檢測電路及輸出電路

漏電檢測電路如圖1 所示，漏電輸出控制電路如圖2 所示。漏電檢測使用的是FM2147 芯片。

圖1 漏電檢測電路Fig.1 Leakage detection circuit

圖2 漏電輸出控制電路Fig.2 Leakage output control circuit

該電路具有如下特點：

（1）當發生漏電流時，OS 管腳輸出一個持續30 ms 的高電平脈沖信號；

（2）對于不同的漏電流，具有高的漏電流檢測靈敏性；

（3）具有防EMC 噪聲干擾的功能；

（4）適用于110 V～220 V（50 Hz～60 Hz）的交流網絡。

漏電互感器套在L 線和N 線上， 當出現漏電時，如人觸電、電線老化或電線破損等原因，L 線和N 線上的電流不一樣， 即在漏電互感器上將有電流產生，通過R35和R37采樣電阻變成交流電壓，然后輸入FM2147 芯片內。FM2147 將輸入信號轉變為有效值RMS 值，當檢測到RMS 值大于規定值時，在5管腳上輸出不小于30 ms 的高電平脈沖。通過控制輸出電路EL3063 過零觸發雙相硅輸出光耦， 光耦的4 和6 管腳導通，從而在可控硅的控制極G 上產生一個壓降，可控硅導通，根據可控硅的特性，一旦極性T1和T2導通后，控制極G 不需要電平維持，光耦導通時間30 ms，大于可控硅的控制極G 導通時間。TRIP1和NOUT1導通，進而控制跳閘繼電器導通，控制整個斷路器跳閘，那么整個斷路器內部電子部分無電源。可控硅V4，斷開連接，確保下次漏電檢測輸出電路能夠正常工作。

1.2 漏電測試方案

傳統的漏電保護里面是使用一個電阻，當按下測試按鍵后，會在電阻上產生一個電流，此電流只在漏電互感器的N 線或者L 線上產生電流，從而產生一個模擬的漏電流，讓硬件漏電檢測電路檢測這個漏電流，從而產生跳閘動作。這種模擬漏電產生電路，在硬件漏電電路檢測有故障的時候，比如漏電芯片不工作，或者可控硅或者其他元器件故障的時候，嘗試按下漏電測試按鈕，會出現測試電阻溫度過高，從而燒壞測試電阻的問題，造成安全隱患。

為避免這個安全隱患， 本文設計了一個方案，如圖3 所示， 能夠測試漏電流檢測硬件電路的好壞。在漏電互感器的初級線圈里面，除了讓LN 線同時穿過，作為正常漏電檢測作用外，同時繞一圈線圈通過初級線圈。通過設計一個電路在這個初級線圈中產生一個漏電流，此時在漏電互感器的次級也將產生一個信號供硬件漏電電流檢測。當用戶按下漏電測試按鈕后，單片機會檢測到此信號。通過驅動“CLT_IR”信號上輸出一個PWM 信號，在漏電互感器的模擬漏電初級線圈上產生變化的電流信號，通過漏電互感器在次級也將感應一個變化的電流信號輸出，并且超過漏電芯片檢測閾值，從而輸出控制信號控制跳閘線圈得電，使斷路器跳閘。

此設計方案的優點是模擬漏電電路為弱電信號，不會產生安全隱患，同時在斷路器設計結構上節省了空間。

圖3 模擬漏電產生電路Fig.3 Analog leakage generating circuit

1.3 漏電有效值實時監測功能方案

漏電檢測互感器輸出接采樣電阻把電流信號轉換為電壓信號如圖4 所示。分成兩路，一路給硬件漏電保護作為信號的輸入。一路給SOC 單片機ADC 進行采樣，每10 ms 進行一個有效值的輸出。

圖4 漏電有效值實時監測功能Fig.4 Real-time monitoring function of leakage RMS

用戶可實時讀取漏電流實時有效值， 同時，可設置軟件漏電預警或者保護功能。如硬件漏電流保護閾值為30 mA， 軟件預警或者保護的閾值可以設置在人可以感知漏電并進行自行脫離風險的電流10 mA。當漏電達到10 mA 時，會推送消息給居民提醒電氣線路或者設備有漏電風險，通過這種方式將觸電風險降到最低。

1.4 漏電保護電路EMC 防護技術

做浪涌抗擾度試驗時的試驗條件是4 kV/12Ω，1.2/50 μs，正負各5 次。針對圖5 電路試驗過程發現打幾個浪涌波形后， 將產生智能斷路器跳閘動作，說明試驗時，壓敏上的殘壓較大，導致過零觸發雙硅輸出光耦U11有很微弱的電流流過， 最終導致可控硅導通，產生跳閘。

圖5 漏電檢測輸出控制電路（無RC 吸收）Fig.5 Leakage detection output control circuit（without RC absorption circuit）

改進電路，增加RC 吸收，如圖6 所示。試驗多只樣機，發現偶爾有樣機出現跳閘動作。說明RC 吸收沒有全部吸收干擾，還是有能量流過過零觸發雙硅輸出光耦。

圖6 漏電檢測輸出控制電路（加RC 吸收）Fig.6 Leakage detection output control circuit（with RC absorption circuit）

繼續改進電路在RC 吸收和可控硅之間增加一個二極管，如圖7 所示，當打正向浪涌電壓時，利用二極管導通時間，RC 吸收可以吸收大部分壓敏上的殘留能量，不足以讓可控硅導通，通過大量實驗，不再有實驗過程中有跳閘現象。

圖7 漏電檢測輸出控制電路（加RC 吸收+二極管）Fig.7 Leakage detection output control circuit（with RC absorption circuit and diode）

2 故障電弧檢測技術

2.1 互感器電磁技術

關于互感器， 低頻互感器采用鐵硅鋁材料，高頻互感器采用塑料環。繞線時低頻互感器電感控制在15 mH 左右，自諧振頻率大于50 kHz；高頻互感器電感控制在11～15 μH，自諧振頻率大于15 MHz。

2.2 雙芯互感器密封技術

雙芯互感器的高頻塑料磁環設計在里面，低頻鐵硅鋁磁環設計在外面，結構上在高頻環和低頻環之間設計防止樹脂過去的隔板，在互感器灌封時，樹脂不會流到高頻環里面，以保證高頻環的頻率特性。

2.3 故障電弧檢測電路

圖8 故障電弧檢測電路Fig.8 Fault arc detection circuit

故障電弧監測電路核心采用復旦微電子公司研發的FM9010 模組，如圖8 所示，這款模組采用專用芯片FM2203 為主控核心配合雙芯互感器、 放大器、電源電路、電阻電容等元器件，實現完整的電弧監測功能。

該模塊特點有內置電源， 輸入6～12 V 電源即可，內置電流互感器信號調理電路，支持外部擴展SRAM，用于采集故障電弧波形存儲，在專用雙芯電流互感器以及外圍電路配合下，能夠監測回路中發生的故障電弧現象，并發出報警信號。

2.4 過零檢測電路

過零檢測電路的作用是在檢測到漏電信號時，模塊發出報警信號驅動斷路器跳閘，可以有效的減少跳閘電弧的產生，電路圖如圖9 所示。

圖9 過零檢測電路Fig.9 Zero crossing detection circuit

2.5 誤報后的故障電弧AI 學習

居民收到故障電弧探測報警后，首先判斷是否電氣問題比如接觸不良，線路老化等，若發現用電情況確認為誤報，居民可通過手機APP 通知云端誤報情況。云端會下發指令到智能斷路器，智能斷路器收到指令后，將保存在存儲器中的電弧波形上傳到云端，云端根據波形數據進行分析，判斷問題現象，并根據AI 算法把相應的波形加入白名單，得到一組新的設置參數下發到智能斷路器。通過此方案， 可以有效降低智能斷路器故障電弧的誤報率，提高了電氣安全預警保護的可靠性。

3 電參量測量計量功能

3.1 電流采樣技術

故障電弧檢測模塊需采樣電流實時值，在設計電弧檢測互感器里面嵌入了一個低頻互感器，這個互感器就是用于檢測電流的實時值。這個電流互感器的輸出通過一個采樣電阻變成電壓信號后，分成兩路，一路給故障電弧檢測模塊用，一路給SOC 計量模塊的電流采樣用。

3.2 計量電路

電壓采樣電路如圖10 所示。由于L 線接地，通過串聯分壓后，輸入到MCU 電壓采樣引腳上。電壓和電流采樣后，通過MCU 的計量核可以得到電壓、電路、有功功率、無功功率、視在功頻率、功率因數電參量以及電能參數，以及電壓、電流總諧波畸變率，2～15 次諧波含有率。

圖10 電壓采樣和電流采樣電路Fig.10 Voltage sampling and current sampling circuit

4 溫度采集技術

溫度采集傳感器采用熱電阻NTC。熱電阻安裝在智能斷路器接線端子處，采用絕緣粘性材料粘結在端子下方。進線兩路，出線兩路，一共四路溫度進行采集。采樣電路如圖11 所示。

圖11 溫度采集電路Fig.11 Temperature acquisition circuit

NTC 熱敏電阻的電阻值隨著溫度上升而迅速下降，利用這一特性，可將NTC 熱敏電阻通過測量其電阻值來確定相應的溫度。

5 電機防堵轉功能

5.1 軟件防堵轉功能

斷路器的合閘和分閘動作，齒輪傳動均為SOC控制，在SOC 正常工作的時候，可以有效控制分閘和合閘動作的時間，防止齒輪傳動機構出現問題時，電機堵轉的情況持續產生。電機驅動芯片采用的是內部采用H 橋電機驅動電路芯片，可以通過控制管腳進行電機的正反轉控制。電機采用3 級齒輪放大，因此采用微型電機即可驅動智能斷路器實行自動重合閘。

5.2 硬件防堵轉功能技術

MP5036 此芯片具有保護輸出短路過流作用。如圖12 所示， 過流電流值可通過R32電阻值設置。目前選定的值為5.6 kΩ， 限流的值大概在300 mA。同時芯片的內阻為43 mΩ， 在最大電流為300 mA時，產生的壓降為0.013 V，這個壓降比較低，可以忽略對電機的驅動的影響。

圖12 硬件防堵轉電路Fig.12 Hardware anti locked rotor circuit

電機內阻在15 Ω～30 Ω 左右。電機正常工作時，相當于在內阻上串聯了一個電感阻抗，增加了整個電抗阻值，電流在60 mA 左右，當電機堵轉時，電壓全部加載電機內阻上，12 V 時，電流為800 mA～400 mA，此時，流過MP5036 的電流大于要保護的電流值，MP5036 將關斷輸出電壓值， 即V12V 的電壓為0。通過電機電平檢測電路， 進行分壓采樣后到MCU 的一個普通IO 管腳，通過檢測這個IO 管腳的高低電平，既可以得知目前是否堵轉。如果為高電平，沒有堵轉，如果為低電平，則電機堵轉。在電機堵轉后，可以通過MP5036 的En 管腳，輸入低電平，使芯片不輸出，徹底把電機驅動電路的電源供應切斷，以防止電機堵轉時產生電機發熱，燒壞甚至產生火災的可能性。

6 其他保護功能實現

6.1 過載的預警和保護

若用戶負載達到預設的預警閾值，將推送消息提醒用戶電流過載，并可查看實時電流信息。若負載電流達到預設的保護閾值， 智能斷路器將會跳閘。若智能斷路器處于自動模式，每分鐘會重合閘一次，并再次判斷電流是否達到保護閾值，如果正常，則不再跳閘，重試次數重新計數。如果達到保護閾值，會繼續跳閘。這樣持續3 次后，不再重合閘，需要用戶手動合閘或者遠程發送合閘指令，并重新計數。如果智能斷路器處于手動模式，當檢測到負載電流達到預設的保護閾值時， 進行跳閘動作，不再重合閘，用戶只能手動合閘或者遠程發送合閘指令。用戶也可以通過手機或智慧大屏設置預警和保護閾值。

6.2 欠壓過壓預警和保護

當居民家庭電壓欠壓時，將會造成家用電器工作不穩定、反復重啟等現象。電壓過壓時，可能會超過家用電器的額定電壓范圍，導致電器的損壞。利用智能斷路器的欠壓過壓預警和保護功能可以有效的保護電器。當電壓降到欠壓預警上限，或升到過壓預警下限時，將上報預警信息到云平臺，通知用戶目前的過欠壓狀態，引起用戶注意。當電壓降到欠壓保護上限或者升到過壓保護上限是，智能斷路器會產生跳閘動作，同時推送消息給用戶產生報警時的狀態如電路器跳閘狀態、產生的原因以及過欠壓保護時的電壓、電流、功率、電能、諧波等信息。

6.3 端子接觸不良預警和保護

智能斷路器出線接線端子接線不良時，若負載電流較大，由于接觸電阻的存在，將會會產生熱量，導致溫度上升，加速斷路器老化，減少斷路器壽命，甚至溫度過高時可能引發電氣火災。利用智能斷路器的溫度預警和保護功能可以有效檢測端子接觸不良引起溫度上升，并上報報警信息給用戶，并根據用戶的設定保護措施直接跳閘，切斷溫度繼續上升的途徑。用戶也可實時監測端子的溫度，并配合后臺軟件，查看歷史溫度信息，以及電氣安全診斷報告。

6.4 遠程重合閘

智能斷路器支持用戶遠程的控制斷路器合閘和分閘操作。可以使用手機APP，下發指令到智能斷路器，執行相應的動作。如外出游玩時，需執行部分支路的跳閘動作，此時可以通過操作手機就可以完成。

7 通信方式

組網通信方式主要有兩種，一種是通過有線的方式，比如電力線載波進行通信，一種是通過無線的方式，比如WiFi，兩種方式均需借助上行電力載波或者WiFi，下行RS485 的采集器[3]。

8 結語

基于物聯技術開發的新一代居民側智能斷路器，具有傳統微型斷路器、漏電保護器的功能，同時具有采集電參量、 電能信息以及電能質量信息、端子溫度采集和報警、重合閘、漏電實時預警和報警。在硬件設計上充分考慮了EMC 的場景， 使智能斷路器能夠安全可靠的工作。作為居民家庭用電信息采集和保護的終端，能夠讓客戶實時掌握用電信息，同時為電氣安全保駕護航，具備較好的市場前景。