过流保护电器热记忆功能的新型实现方式

林 宜

（厦门士林电机有限公司，福建 厦门 361021）

诸如低压断路器、热过载继电器等过流保护电器，因其能及时分断过载短路等故障电流，保护负载设备免受过电流危害，在低压配电系统中起着非常重要的作用。

对于承受断续过流能力较差的负载设备（如电动机负载），要求过流保护电器要具有较好的过流合闸再脱扣能力，即脱扣后短时间再过流合闸时能在较短时间内再脱扣的能力，防止负载设备频繁断续工作，如电动机频繁起动，出现烧损的现象。

热磁式过流保护电器由于其双金属片结构具有受热逐渐弯曲冷却逐渐恢复的特性，因此具有较好的过流合闸再脱扣能力，但电子式过流保护电器并无双金属片结构，只能通过电子保护单元采用某些特定方式去模拟类似双金属片受热弯曲冷却恢复的特性，以使其也具备较好的过流合闸再脱扣能力。于是，电子式过流保护器的“热记忆”功能便应运而生。

1 热记忆功能

所谓的热记忆功能是指电子式脱扣器通过软硬件模拟过流保护设备或负载设备中通电导体热量累积与消散的过程，同时存储这些热量值。热记忆功能有脱扣前热记忆与脱扣后热记忆之分，本文所述的热记忆功能为脱扣后的热记忆功能，即电子式脱扣器存储脱扣时的热量，模拟热量的消散。

脱扣后热记忆又分为在线热记忆与断电热记忆两种。在线热记忆是指过流保护电器脱扣后其电子保护单元不断电工作实现热记忆功能。断电热记忆则是指过流保护电器脱扣后其电子脱扣器断电工作实现热记忆功能。

由于动作后电子脱扣器处于仍不断电工作状态，因此在线热记忆实现方式较为容易，可通过软件算法[2]在线模拟通电导体的热量消散。

相比较在线热记忆，由于脱扣后电子脱扣器已断电，因此断电热记忆实现起来相对困难，其如何存储脱扣时的热量及如何模拟热量消散是其两大难点。

本文将着重介绍断电热记忆的实现方式。

2 现有断电热记忆技术

2.1 现有技术

断电热记忆的现有处理方式为：电子脱扣器中的微控制器 MCU通过采样线路上的各相极电流，并利用软件热模拟算法，将电流转换成相应的热量值，然后通过一定的方式输送到外部器件进行断电保存，最后通过电容放电方式来模拟热量的消散。

图1 断电热记忆实施框图

实际实施技术如图1所示。当采样到过载电流时，微控制器输出一定宽度的脉冲来控制充放电电路中的充电电容达到一定的电压值，该电压值为过载电流延时预设的一定时间要动作或脱扣（即切断线路）所积累的热量值的比例值。脱扣后，微控制器断电，充电电容开始慢慢放电。之后再合闸时，微控制器重新得电并开始采样充电电容的剩余电压，再将剩余电压转换成等比例的剩余热量值。该热量值将作为微控制器再次热量累积的初始值。

2.2 技术不足

上述技术存在一个技术困难点：需要对充电电容的充电电压进行监测以控制要达到的充电电压，因此需要不断闭环调整脉冲宽度，微控制器软件处理较为复杂。

为减小软件处理的复杂度，另有其它技术试图通过硬件电路的方式来闭环调整充电电容的充电电压，即微控制器通过内置的 DA模块或外加的 DA芯片输出充电电容要达到的目标电压值，充电电容的充电利用该目标电压进行闭环自动调整。该处理技术虽减小了软件处理复杂度，但增加了硬件开销。

上述处理技术虽然通过牺牲硬件开销方式解决了软件设计复杂的问题，但仍忽略另外一个关键问题：仅对各相极中最大累积热量相极进行热记忆，未对各相极分开处理，这样对于负载不平衡的线路，将可能导致过流保护电器“早跳”。

3 新型断电热记忆技术

为了克服现有技术的不足，本文提出了一种处理简单、实现容易的新型热记忆技术，通过铁电存储器等非易失存储器来“记忆”各相极累积的热量值，采用电容放电来模拟热量的消散，并根据电容剩余电压值来换算成各相极的剩余热量值，从而实现热记忆。

3.1 电路原理

本文提出的新型热记忆电路如图2所示。

图2 新型断电热记忆电路

电路中，通过电阻 R1与 R2分压采样实时判断电子脱扣器是否脱扣断电；由二极管VD1、电容C1、电容C2及低压差线性稳压器LDO构成储能电路，该储能电路作用是保证过流保护电器脱扣后其电子脱扣器仍有足够的时间进行热量存储；电阻R3、三极管Q1、电容C3及电阻R4则构成电容充放电控制电路，通过该控制电路，达到利用电容放电模拟通电导体热量消散过程的目的；通过运放 U1A、电阻R5和电容C4构成了电容C3电压检测电路，实现再合闸时放电电容剩余电压的检测；其中非易失存储器（如上文提到的铁电存储器）是用来存储脱扣时的热量。

3.2 实现过程

正常运行时，电子式脱扣器通过内部的电流电压转换电路输出供电电压VCC1；VCC1向电容C1、C2充电完成蓄电工作，同时经过低压差线性稳压器LDO输出微处理器MCU及其外围电路的工作电压VCC2；微处理器MCU通过电流互感器检测线路中的电流，并换算成热量值，同时控制电容C3持续充电在满额电压状态；当脱扣断电时，供电电压VCC1消失，微处理器可通过断电判断电路立即检测到电子脱扣器断电，同时储能电容C1、C2开始向低压差线性稳压器LDO供电，保证了微处理器MCU及其外围电路可以短暂地续能工作；微处理器 MCU在蓄电工作期间将当前的各相极的热量值保存至非易失存储器中，并停止对电容 C3充电；之后，电容 C3通过电阻R4开始放电，模拟热量的消散；当再合闸时，供电电压 VCC1、VCC2重新上电，电子式脱扣器也重新得电工作，此时微处理器MCU采样电容C3上的剩余电压，同时读取存储在非易失存储器内脱扣时的热量；最后依剩余电压值与满额电压值的比例，根据电容放电公式与电压热量转换公式，推算得出再合闸时各相极的剩余热量值，完成热记忆。

3.3 试验结果

本文将该热记忆技术运用于本公司的电子式塑壳断路器产品，并对其热记忆功能进行测试，得到2组试验数据分别如表1、表2所示。

由试验数据得出：当热记忆功能开启时，断路器脱扣再合闸的间隔时间越短，其过载再脱扣用时就越短，这也说明了该电子式塑壳断路器具有过流合闸再脱扣能力较好。

表1 试验结果

表2 试验结果

3.4 技术优势

相比较现有断电热记忆技术，本文提出的断电热记忆技术具有如下优点：

1）通过铁电存储器等非易失存储器记忆脱扣时的累积热量，无需要根据电流值实时闭环调整充放电电容的充电电压，减小软硬件处理的复杂度。

2）同时对各相极累积的热量进行热记忆处理，保护更合理，对于负载不均匀的线路，可避免“早跳”现象。

3）无需对充电电容的预设充电电压进行判断与控制，只需将其充至满额电压，控制较为容易。

4）断电判断电路不仅能检测到脱扣断电，而且还能检测到其他非脱扣时的断电，因此本文提出的热记忆处理同样适用于其他情况下的断电热记忆。

5）无需计算电容放电的时间，只需根据电容放电公式来换算热量的剩余值，程序处理简单。

4 结论

本文针对过流保护电器现有断电热记忆技术存在的问题点，提出一种新型的热记忆处理设计方案，具有保护合理，结构简单，容易实现等优点，并已应用于本公司的电子式塑壳断路器及电子式热继电器产品上，性能优越，保护准确可靠。

[1]Schneider电气. Compact NSX产品型录，2008.

[2]曲弋. 电动机热特性研究及单片机电动机热保护器的研制[D]. 沈阳工业大学, 2002.