基于ARM单片机的直流塑壳断路器的电子式脱扣器设计

吴 蔚，路林吉

0 引言

电力工程中为保证各供电保护和控制环节的可靠运行，通常采用独立于交流电源外的直流电源供电系统对其供电。为保证直流供电系统的连续性和可靠性，直流系统中各级过电流故障的保护及报警配合一直是工程设计人员十分关注的问题。由于发电厂和变电所直流系统的供电负载多，回路分布广，在一个直流网络中往往有许多支路需要断路器或熔断器来进行保护。如果由于下级断路器的短路故障，造成上级断路器的越级误动作，会造成更大面积的断电[1]。这就存在保护电器的正确选型及上下级之间选择性保护的配合问题。本文给出一种基于ARM单片机的软硬件方法，实现了一种区别于传统热磁式两段式直流断路器的全电子式三段式直流断路器，具有精度高，设置方便，及可实现通讯并实现智能电网的直流断路器。

1 断路器基本参数指标

低压直流塑壳断路器作为电力供配电系统的关键元件，除了要能正常分合相关系统额定电流外，还要在相关系统故障时能快速有选择性地可靠分断相关系统短路故障电流，且不能出现越级跳闸或据动现象。

传统直流塑壳断路器通常由双金属片和螺线管线圈来实现过载长延时保护、短路瞬时保护。而缺少短路短延时保护功能，在配电系统应用中，实现上下级级差配合难，易出现越级跳闸的现象。

本设计由全电子式实现了过载长延时保护、短路短延时保护及短路瞬时保护，三段式保护功能。并可以整定过载长延时保护电流值，可以选择短路短延时时间。方便用户选择不同断路器，实现上下级级差配合。

1.1 基本三段式保护功能

1）过载电流长延时保护曲线： I2T =；延时精度：0 ～-10%

I实际故障电流；T反延时脱扣时间；rI断路器整定电流；rt断路器反延时时间。

2）短路短延时时间整定：250A 30/60ms ；630A 50/80ms； 延时精度：±10%

3）短路瞬动电流值：3.8kA ±10%； 动作时间小于 20ms。

2 电子脱扣器原理结构组成

直流塑壳断路器的电子式脱扣器总体结构，如图1所示：

图1 电子脱扣器原理结构

以ARM单片机LPC2131为核心，对采样信号进行计算，并实现相应类型故障保护。辅以报警指示灯、键盘整定、脱扣机构、信号采样放大、开关电源等电路以实现产品的整体功能。

单片机选用LPC2131是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7 TDMI-STM CPU的微控制器，并带有最高512kB的嵌入的高速Flash存储器[2]。特别适用于工业控制和医疗系统。

2.1 霍尔电流传感器

直流信号的检测精度，直接影响到电子脱扣器的保护精度，及可靠性。现在通常的计量直流信号的方法是采用：分流器或者霍尔器件。分流器是由锰铜等材料制造，该材料温度系数小，在通过大电流发热的情况下，内阻变化很小。所以用来计量一定量程范围内直流信号，是可行的。但是本设计需要测量的直流信号范围宽广，分流器不能满足要求。霍尔电流传感器是应用磁场感应及霍尔效应原理制成的检测电流传感器。它通过霍尔IC器件将磁信号转成电信号，经放大信号处理得到相应的电压或电流输出。具有精度高、线性度好、可靠性高等特点。因此本设计选用闭环霍尔电流传感器用于检测直流信号。

2.2 抗过压电路

发电厂和变电所直流系统，通常采用动力回路 220Vdc或控制回路110V供电。根据产品实际使用特点，霍尔电流传感器需要提供+/-12V～+/-15V的工作电源，这里采用85V～250V输入电压开关电源作为供电回路[3]。

由于大电流的短路故障发生时，断路器的在分断过程会由于触头断开过程的电弧电压，在断路器的进线端产生较高的过电压[4]。本电路可以有效抑制1200V/10ms的瞬态过电压过程，和2kV的差模浪涌电流，如图2所示：

图2 抗过压电路

2.3 开关电源电路

+5V电源电路由 DC250V-DC6V开关电源电路实现DC/DC变换，再经过线性三端稳压器（U5）LM2940CT-5V实现DC6V-DC5V变换，如图3所示：

图3 开关电源电路

开关变压器（T1）由1路输入，4路输出抽头组成，其中1路输出抽头用于6V输出，2路用于±12V输出。 开关电源芯片（U1）TNY280N 内部集成开关管可以进行开关稳压。

2.4 信号采样电路

为了提高采样信号精度，当原边主回路直流信号小于2倍额定电流时，将放大信号SIGNAL_4输出给单片机处理。当原边主回路直流信号大于2倍额定电流时，信号不做放大处理，直接输出 SIGNAL_3给单片机处理。这样能保证宽范围的电流采样精度。所有的切换过程由单片机自动识别，如图4所示：

图4 信号采样电路

2.5 脱扣机构

一般是由微处理器发出脱扣指令给脱扣电路，最终由执行电路（磁通变换器）来实现开关的分断。硬件电路图，如图5所示：

图5 脱扣电路图

单片机口线直接驱动IGBT，磁通变换器（Coil）接+12V。单片机口线输出高电平直接驱动IGBT闭合，电流流过磁通变换器。磁通变换器机械结构驱动断路器分闸机构，以实现断路器的分断。

3 软件设计

通过采样信号计算出实际直流电流有效值。通过长延时、短路短延时、短路瞬时保护子程序，确保直流断路器的正常保护功能。用户可以通过键盘整定电路进行参数设备，可以通过报警指示灯观察断路器运行状态。软件主程序流程图，如图6所示：

图6 主程序流程图

0.5 ms中断触发一次A/D采样。由于瞬时脱扣要求时间很快，直接用 A/D转换的数值与瞬时脱扣电流比较判断。然后计算出实际电流有效值，用于长延时、短延时保护的能量计算使用。中断子程序流程图，如图7所示：

图7 中断子程序流程图

4 实验结果

过载长延时保护实现反延时曲线，即故障电流越大，动作时间越快。短路短延时实现定时限特性，即故障电流超过设定值，以设定时间分断。实验结果，如表1和表2所示：

表1 过载长延时保护测试，In=250A, Ir=1.0In, Tl=15s.

表2 短路短延时保护测试，In=250A, Ir=1.0In, Tsd=30ms

5 结束语

本文介绍的直流三段式电子脱扣器设计方案，机构简单，精度高，可以结合不同应用环境，调整过载电流保护、短路短延时延时时间，极大地方便了用户的选型及使用。目前该设计方案产品已完成了所有的测试，符合国家 GB14048.2和DL 5044的相应标准。该产品结合传统直流断路的应用，将丰富低压电器行业的选择，实现智能电网的转换。

[1]贾玲珍,张贺伟. 变电站直流系统断路器和熔断器级差配合的试验研究[J].河北电力技术 2004(2):21～23.

[2]周立功.深入浅出ARM7: LPC213X/214X (上册)[M].北京航天航空大学出版社,2005

[3]DL/T 5044—2004，（S）电力工程直流系统设计技术规程

[4]郭风仪. 电弧电压及燃弧时间的分析研究[J].低压电器1997(3): 6～8.

[5]GB 14048.2-2008，(S)低压开关设备和控制设备 第 2部分:断路器