船用直流框架式断路器控制器研究

唐国明，李 正，沈海鹰

(1. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2. 上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海 200063)



船用直流框架式断路器控制器研究

唐国明1，李 正1，沈海鹰2

(1. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2. 上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海 200063)

针对传统船用断路器控制器采样精度低、实时性差的问题，文中采用国内船用交流框架式断路器，并结合国外直流控制器先进技术，提出一种新型智能控制器设计。通过分流器将直流电流信号转换为毫伏级电压信号，再由控制单元对其进行信号处理，根据保护特性需求可驱动执行机构动作。实验结果表明，该型控制器满足三段保护要求，具有保护精度高、调节范围宽、可靠性好等特点。

船用直流断路器；分流器；三段保护；智能控制器

TANG Guoming1, LI Zheng1, SHEN Haiying2

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

船用直流框架式断路器作为船舶电力系统中重要的控制和保护元件，具有长延时、短延时、瞬时等保护功能。在正常情况下，闭合、断开供应电能的电路，方便断电、供电和转换电路；当电网发生严重过电流、过载、短路、断相、漏电等故障时，能自动切断电源，起到保护作用，以便将事故区域限制在最小范围[1-2]。由于我国目前船用直流框架式断路器多为固定式结构形式，具有体积较大、通断能力差、有飞弧距离等缺点，且控制器采样精度低、实时性差，不能满足舰用电力系统的需求[3-4]。因此，本文充分利用现有成熟技术并积极吸收国外先进技术，采用国内船用交流框架式断路器和国外直流控制器组合方案，对船用直流框架式断路器控制器进行了优化设计，满足可靠性、维修性、测试性、安全性、环境适应性和综合保障性设计要求。

1 主要技术指标和要求

船用直流框架式断路器相比一般工业用断路器而言，主要体现在其耐受环境能力和对空间尺寸及重量的要求上，如耐湿热性能、耐盐雾性能、耐霉菌性能、耐振动、抗冲击性能等；此外，还需满足电磁兼容性方面的要求。本文所设计的直流框架式断路器的额定工作电压高达710 V，额定电流高达2 000 A，额定极限短路分断能力为30 kA。作为2 MW变流器和1 MW逆变器的保护电器，能较好地满足船用直流电力系统的需求。

该直流框架式断路器的过载长延时保护为反时限特性，整定值为0.4-1.0Ir(Ir为断路器额定电流，下同)，时限误差为±15%；短路短延时保护为定时限特性，整定值为0.4-1.0Ir；短路瞬时保护要求断路器动作时间在20 ms内。

2 控制器主要部分设计

船用直流框架式断路器控制器的原理框图，如图1所示。主要由微控制器单元、信号检测单元、脱扣单元、电源单元、通信单元与人机操作等部分组成。

2.1 微控制器单元(MCU)

控制器的核心是MCU，也称芯片，根据MCU内核总线宽度分为1位机、4位机、8位机、16位机和32位机；根据内核数量可分为单核、双核、四核和八核。芯片的选用主要考虑以下几方面：(1)速度快，但无需过快。速度快是要保证数据采集、运算速度满足控制器保护性能要求和测量精度要求，无需过快是因为芯片功耗与主频密切相关；(2)需要A/D核。基于成本考虑，控制器一般均不用单独A/D转换器。芯片内含的A/D至少10位精度，最好12位精度，转换速率不够一般也不采用；(3)芯片功耗低。控制器应能在无辅助电源下正常工作，芯片的功耗尤其是待机功耗需要较低；此外，控制器工作环境温度较高，芯片功耗低可减少芯片发热，有助于提高控制器可靠性；(4)必须是工业级的，最好选用汽车级芯片。从EMC角度考虑，MCU外围元件尽量少；但由于设计功能较多，要求MCU具有选择资源丰富、运行速度较快、功耗低等特点[5-6]。因此，本设计采用ST公司32位ARM芯片STM32系列中的F103RE，此芯片已广泛用于工业和汽车电子领域[7]。

2.2 信号检测单元

控制器电流检测的准确度，直接关系到控制器的保护精度。只有线性度较好的信号，才能保证电流检测的准确性。直流电流信号检测可采用以下方法：(1)霍尔电流传感器检测；(2)直流电流互感器检测；(3)分流器间接检测；考虑到(1)和(2)需要供给交流辅助电源，若辅助电源断相或断电，就会使互感器激磁电流消失或激磁电流波形出现缺口，因而出现保护死区或失去保护；又由于(3)无需外围电路，可将其内置于断路器内部，因此减少了对器件的干扰，电磁兼容设计易于实现[8-9]。根据研制方案，采用分流器作为信号检测单元，由于分流器接在母排正级，电路必须隔离。图2为分流器电流信号隔离处理电路，采用隔离A/D采样芯片HCPL-7860，将小模拟信号精确地转换成数字信号，再由HCPL-0872进行数字信号管理，通过SPI总线传入MCU中，再通过软件进行相应的接收和处理[10]；目前美国URC直流断路器控制器就采用此种技术进行分流器电流信号隔离。

图2 分流器电流信号隔离处理电路

2.3 脱扣单元

脱扣电路是直流框架式断路器控制器的执行单元，其接收控制器发出的脱扣指令,控制磁通变换器中的电磁铁的吸合，使断路器动作。由于脱扣电路的稳定性、可靠性关系到整个脱扣器的性能，因此要求脱扣电路具有抗干扰、工作可靠等特性。脱扣电路如图3所示，驱动元件需用漏极电流大于磁通变换器线圈电流的MOSFET管来实现，中间加入了一个低功耗电压比较器LM293D的目的是防止脱扣指令误动作，保证工作可靠[11]。

图3 脱扣单元实现电路

2.4 电源单元

控制器采用双电源供电，主供电电源采用外部直流710 V，辅助电源采用直流24 V；另外直流信号调理电路DC-DC隔离模块需要5 V供电电压、微控制器单元MCU需要3.3 V供电电压。因此，设计了24 V转5 V实现电路及5 V转3.3 V实现电路，分别如图4和图5所示，由于使用环境中共模干扰较多，L2、L3、L4的作用均为限制共模干扰。

图4 24 V转5 V实现电路

图5 5 V转3.3 V实现电路

3 控制器软件实现

图6所示为控制器软件主程序框图，其采用查询的方式进行保护判断、状态显示、数据处理，采用中断的方式进行A/D采样、通信收发和定时。中断优先级顺序为：定时器0>A/D采样>通信收发>定时器1。上电后系统初始化，根据存储的数据，计算出长延时整定值Ir1、短延时整定值Ir2、瞬时整定值Ir3、长延时时间T1、短延时时间Ts；根据A/D采样值进行保护判断及是否发出脱扣指令，此外还会实时更新按键处理显示信息、时间信息及与上位机通信情况。

图6 控制器软件主程序框图

断路器的保护判断在A/D中断中进行，当电流超过长延时限流值，能量开始累积，超过限值时，实现长延时反时限保护；当电流超过短延时限流值，开始延时到时间限值，实现短延时定时限保护；当采样点超过瞬动限时，立即进行保护动作。

断路器对外支持Modbus通信和CAN2.0通信，Modbus通信最高支持19 200 bit·s-1速率，可设置地址范围1～100，CAN2.0通信最高支持500 kbit·s-1速率。

可实现:(1)遥测，远程读取电压、电流、功率等信息；(2)遥讯，报警、故障脱扣、分合闸状态、设定参数；(3)遥调，远程保护参数修改。

4 实验结果

该2 000 A智能型船用直流框架式断路器作为2 MW变流器和1 MW逆变器的保护电器，要求过载长延时保护具有反时限特性、短路短延时保护具有定时限特性，瞬时保护需在20 ms内动作。实验结果，分别如表1～表3所示。

表1 长延时保护试验测量数据

表2 短延时保护试验测量数据

表3 短路瞬时保护试验测量数据

5 结束语

本文介绍了直流框架式断路器控制器的设计，采用先进的直流电流信号检测技术，检测精确度高。同时对部分关键硬件电路也进行了改进，实验性能良好，满足GJB354A-99《舰用直流(大电流)空气断路器通用规范》和GJB151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》的要求。

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Research on Controller in the Frame Direct Current Breaker for Ships

In view of the traditional breaker for ship with low sampling precision and poor real-time performance, this article combines the alternate current breaker in frame type used in domestic ship and direct current controller of advanced foreign technology, and presents a new intelligent controller scheme. The Dc current signal is converted to the millivolt signal though a diverter, and then the signal is processed by the control unit for the intelligent controller to drive the movement of actuator according to the requirements of protective properties. The results show that the intelligent controller satisfies the requirements of three periods of protection with its high precision, wide range of adjustment and high reliability.

direct current breaker for ship; diverter; three periods of protection; intelligent controller

2016- 01- 03

沪江基金资助项目(B1402/D1402)

唐国明(1987-)，男，硕士研究生。研究方向：船用电器自动化。李正(1976-)，男，博士，讲师。研究方向：电机拖动等。沈海鹰(1968-)，男，高级工程师。研究方向：舰船用电器元件与成套装置。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.008

TM561

A

1007-7820(2016)10-026-04