微型电流互感器在塑壳断路器设计中的应用

郭云微，马 琪，高 军

(1.杭州电子科技大学微电子CAD研究所，浙江杭州310018;2.杭州国家集成电路设计产业化基地有限公司，浙江杭州310053)

0 引言

塑壳断路器是低压断路器的一种主要结构形式，一般应用于交流50Hz、额定电压690V以下、额定电流125A至6 300A的线路中。它可以作为配电系统的输入和输出开关，也可以用于变压器、电动机等大功率设备的保护［1、2］，广泛应用于低压配电和保护线路中。本文设计的塑壳断路器除了可为线路有效地提供过载、短路、欠压、过压、接地等不正常状态的保护外，还具有测量数据显示、故障数据保存、网络通信、远程遥控等功能。

1 塑壳断路器的整体设计

塑壳断路器的整体设计可分为电源模块设计、信号采集模块设计、微控制器模块设计、显示模块设计、通信模块设计、脱扣器电路设计等部分。电压互感器和电流互感器分别检测线路中的电压和电流信号，通过信号处理模块将模拟信号转化为微控制器可处理的数字信号，微控制器根据不同的控制模式对输入信号进行分析处理后输出脱扣器的控制信号，同时可将当前线路状态在显示模块中显示。

在塑壳断路器的设计中，目前普遍使用速饱和铁心互感器采集电路中的电流信号。一方面，线路大电流时，速饱和电流互感器的输出电压与输入电流之间具有良好的线性关系，使得断路器的信号处理过程简化;另一方面，当电路中的三相电流达到额定电流的0.4倍及以上或者电路处于短路状态较大时，速饱和铁心互感器就可以直接从三相电流中获取能量［3、4］，为断路器控制器提供稳定的电源。但速饱和铁心电流互感器体积较大，价格高，且在断路器处于非运行状态或较小电流运行状态时，速饱和铁心互感器不足以从三相电流中获取能量，需要外加辅助电源。同时电流互感器既要采集数据信号又要产生自生电源，需防止两者之间的串扰及电磁干扰等问题，增加了电路软硬件设计成本。

本文讨论的塑壳断路器设计中，对传统断路器的设计方法进行了改进，信号采集模块使用微型电流互感器取代速饱和电流互感器，针对微型互感器大电流易饱和的特点，硬件上采用分流方法，软件上提出了微型互感器输出电压自校正方案。控制器的电源部分设计采用三相电压直接降压供电的单电源方式，同时采用电容储能方法为三相线路短路时不能提供电源的问题提出了解决方案。

2 微型互感器的分流应用方法

微型电流互感器体积小、成本低，在小型断路器的设计中有广泛的应用，但其线性范围较小，大电流通过时易饱和，故现常适用于小电流感应的场合。塑壳短路器的额定电流一般在几十到几千安培，将微型电流互感器直接用于感应塑壳断路器的电流显然是不合理的。可以采取分流方法实现大电流的比例化缩小，这样就可以在塑壳断路器中应用额定电流能力较小的微型电流互感器。

塑壳断路器内部使用均匀介质的铜板连接线路，可在铜板面上并联一个与两连接点之间铜板的电阻R成比例的等效电阻R1，R1主要作用是分流，当R1=(k-1)R时，流经R1的电流为线路总电流的1/k。可通过调整R与R1的值，使流经R1的电流满足微型互感器的额定电流要求。

由热量公式Q=I2Rt，产生的热量于正比于电流的平方，断路器正常工作时电流较大，温度较高，而电阻在不同温度下存在电阻温漂。实验表明所有纯金属的电阻率都随温度的升高而增大。而一般而言，不同材料的电阻温度系数不同。为最大程度的克服电阻温漂带来的误差，并联线路应尽量选用与所并母体相近的材料，并使用点焊方式连接。

3 微型互感器输出电压的自校正

在塑壳断路器设计中控制器的主要功能就是根据输入电流的特征来确定智能控制器去执行长延时、短延时、瞬时中的一种特性动作，并输出信号给执行机构动作，所以对电流检测电路设计是塑壳断路器设计关键［5］。

对电流的检测主要通过电流互感器来完成，微型电流互感器是一个具有铁芯的非线性元件，可利用一次电流产生的磁感应在二次线圈中产生二次电流。当铁芯不饱和时，励磁阻抗的数值很大且基本不变，因此励磁电流很小，可认为一次电流和二次电流成正比而且误差很小。当接有互感器的主回路有很大电流通过，互感器铁芯就可能发生严重饱和，导致互感器励磁阻抗下降，一次电流大部分向励磁电流转化，因而一次电流和二次电流不再是简单的正比关系，需要对互感器的输出电压与一次电流的关系做软件校正。普通微型互感器在分流比200，匹配电阻100Ω时所测输出电压U与输入电流I的对应数据如表1所示。

表1 输入电流I/输出电压U(100Ω)

利用MATLAB提供的CFTOOL数学工具箱，对测得的电压/电流数据进行分段曲线拟合［6］，可以得到拟合函数:当0≤I〈400A 时，U=(3.036e-006)×I2+(6.427e-005)×I，当400≤I〈1 600A 时，U=(1.966e-003)×I-0.251，当1 600≤I〈7 000A 时，U =0.054 28 ×-(2.158e-004)×I+1.076 。

由实验数据可以得到输出电压和输入电流总体呈现单调性。根据上述解析函数，要得到线路电流只需检测电流互感器的输出电压即可。由于输出电压与输入(线路)电流之间的函数关系相对复杂，是一个分段函数，而且涉及到乘方开方运算，为提高控制器的工作效率，在自校正程序设计中，将电流互感器输入(线路)电流与输出电压的对应关系函数上的若干取样点的电流/电压值，制成表格存于非易失性存储器中以便查询，同时将两相邻取样点之间区域内的电压与电流关系近似看成线性关系，斜率为两取样点间线段的斜率值。当测得互感器的输出电压值时，自校正程序会判断在哪两个取样点之间，然后根据两点之间的斜率计算其对应的线路电流值。使用这种计算方法，取样点数越多，越逼近非线性曲线，从而达到高精度的目的。自校正应在出厂检验前，为了保证其安全，可以通过串口监控界面来启动自校正。

4 储能电容在电源模块设计中的应用

塑壳断路器电路有3种供电方式:电压源降压供电、外部电源供电和电流速饱和互感器供电，其中电流速饱和互感器供电也称为自供电。采用电压源供电方式的可靠性较好，但是当发生近端短路故障并造成电网电压跌落严重时，控制器和脱扣器将不能得到有效供电以保证断路器可靠脱扣。在应用微型互感器的塑壳断路器设计中，采用三相电压直接降压供电的方式为控制器提供稳定电源。

为克服电路短路时可能存在的无法提供电源的情况，在电源模块输出部分增加储能电容。电路正常工作时储能电容对高频纹波具有滤波功能，可对电源转换电路输出起到平滑作用。同时电容两端具有相对稳定的电压差，可存储一定的能量，当线路短路时储能电容可将自身存储的能量转化为控制器芯片和脱扣器电路驱动所需的瞬间的高能量，以保障线路短路时控制器能够正常工作至输出脱扣器断路信号。应用电容储能方式解决故障时的脱扣，结构简单，使得在电路发生短路故障没有电能供给时也可以可靠的脱扣。

断路器电源模块正常工作时储能电容两端电压U1，储能电容容量为C，脱扣器动作所需时间为t。当输入电源掉电后，储能电容开始放电，经过时间t后电容两端电压变为U2。控制器正常工作电压为U3，正常工作电流为I3。脱扣器正常动作时所需动作电压为U4，动作电流为I4，根据能量守恒定律，在脱扣器动作所需的t时间段内电容释放的能量等于维持控制器正常工作所需能量与脱扣器动作需能量总和，即)t，推导可得电容容量

5 结束语

在塑壳断路器设计中使用微型互感器，并配合三相直接降压供电的单电源方式，简化了断路器的硬件设计，减小塑壳断路器的体积，节省了成本。提出的互感器自校正的软件实现方法，克服了微型互感器线性度较差的不足。电源模块设计中采用三相直接降压供电的单电源方式，增加电容储能方式的设计，结构简单，保证了电路发生故障没有电能供给时可靠的脱扣。

［1］ 连理枝.低压断路器设计与制造［M］.北京:中国电力出版社，2003:3-12.

［2］ Marcelo Valdes，Cindy Cline，Steve Hansen，et al.Selectivity Analysis in Low Voltage Power Distribution Systems with Fuses ＆ Circuit Breakers［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2010，46(2):593-602.

［3］ 邱杏飞.低压断路器智能控制器的研制［D］.杭州:浙江大学，2005.

［4］ 高平，汪泰宇，肖磊，等.智能式断路器智能型控制器的发展及技术研究综述［J］. 电气制造，2007，(3):28-31.

［5］ 傅启国.低压断路器智能控制器设计与研究［D］.南京:南京理工大学，2008.

［6］ 张平.MATLAB基础与应用简明教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2001:43-49.