基于电流变化率检测的固态断路器设计

娄建国，徐小军，刘团结

(淮南师范学院，安徽 淮南 232038)

0 引言

固态断路器因体积小、寿命长、分断速度快、分断时不产生电弧等优点而得到广泛应用.其不仅能接通额定电流，且能在故障情况下分断短路电流，起到保护设备、线路及人身安全的作用[1].国标对断路器的保护要求包括过流保护、短路保护 、过热保护、失压和欠压保护等，本文通过检测线路电流变化率，在断路器的短路初始时刻即可判断出短路故障，令断路器在极短时间内分断线路，降低或消除短路带来的故障隐患.

1 组成结构及工作原理

根据研究目的，设计的保护装置拓扑结构如图1所示.

1.1 主开关拓扑结构

固态断路器应用于交流系统有以下两种常见的拓扑结构，如图2所示，分别是桥式结构和反并联结构.两种结构各有优缺点，本设计功率开关元件选用IGBT，从经济性和驱动电路设计的便捷性选用桥式拓扑结构，同时为IGBT设计缓冲保护电路，如图2所示.

1.2 电源模块设计

电源模块用来为控制单元和检测单元提供优质稳定的工作电压，同时减少对电网谐波的影响，采用二次侧带中心抽头的变压器，经整流和线性稳压后产生±12 V和±5 V的稳定电压源.

1.3 检测单元

利用高精度电流互感器和采样电阻将电网一次侧的电流信号转化为电压信号，经过信号调理电路后分两条路径送给单片机进行处理.一条经运算放大、全波精密整流后送入单片机A/D端口，另一条经有源微分电路、全波精密整流电路、电压比较后送入单片机的中断口.

1.4 控制单元

控制单元包括PIC单片机基本电路和IGBT驱动电路，PIC单片机作为核心控制器，主要作用有：1)产生IGBT的控制信号，根据控制策略，通过IGBT驱动电路(如图3)控制断路器的分合闸；2)实时处理检测单元传来的数据，与软件设定值进行比较，根据比较结果选择静默或是向IGBT发出分断指令；3)控制参考电压Vref值的大小.

2 电流变化率检测原理分析

采用电流变化率的方式来检测线路短路电流可显著缩短短路故障的检测时间，一般可通过软件编程或是硬件电路检测的方式来实现.采用软件方式检测电流变化率的优点是可显著减少电路的硬件部分，提高装置的可靠性，同时也能降低成本，不足之处在于其对短路故障的反应时间大都在10 ms以上，在需要快速分断电路的场合不满足需求[2]；硬件电路方式检测电流变化率虽然增加了元器件数量，提高了成本，使检测电流部分相对复杂些，但其可以显著减少短路故障的检测时间，尤其当系统发生最大运行方式的短路故障，可在很短时间内检测到短路故障.

2.1 微分电路原理分析

实际应用中，常用图4所示的实用有源微分电路图检测电流变化率.

图4中R1=155，Rf=Rp=100，C1= 0.47 μF，Cf= 0.22 μF，满足微分规律的频带为0 ～ 6 kHz[3].

(1)

(2)

式(2)幅频特性的对数表达式为：

(3)

理想微分器的幅频特性对数表达式为：

(4)

为使该电路起到微分的作用，设计参数时，应使ω2≥ω1>ωf.

当ω<ω1时，式(3)的后两项可忽略不计，近似表示为：

(5)

该频率下与理想微分器的特性一致.

当ω1<ω<ω2时，式(3)第三项可忽略不计，近似表示为：

(6)

分析式(6)可知，该式第一项每十倍频增长20 dB，第二项则每十倍频衰减20 dB，合成特性为一条水平线.

当ω>ω2以后，式(3)可近似表示为：

(7)

式(7)中，第二项、第三项为衰减项，合成特性每十倍频衰减20 dB.

由上述的分析可知，当ω>ω1以后，微分电路不再表现微分特性，变成了阻容耦合的交流放大器.故在设计微分电路时，应保证信号角频率ω<ω1.

2.2 短路故障仿真分析

短路故障可能发生在电网电压的任何相位，导致不同相角下检测到的短路电流瞬时值差异很大，故采用检测短路电流来判断短路故障的方法存在弊端.但是不管电网短路时刻的电压相角如何，短路时刻电流变化率的值在56 μs内已变得远远大于短路时刻电流的最大值，可以尽快地报告出短路情况.研究表明短路电流变化率值的大小和短路发生时的相角有关，当电网短路发生在180°和360°时检测的电流变化率最慢[4].所有的电网短路故障一般都可等效成图5所示的电路结构[5].

图5 等效短路电路结构图

根据图5所示的短路等效原理图，将图1所示的拓扑结构在Multisim软件中建立仿真电路模型，分别令系统电压相角在360°和180°下发生短路故障，采集到的仿真波形如图6、图7所示.A通道显示微分电路取样信号的波形；B通道显示单片机中断端口电压波形(高电平有效)，电压比较器设置的电平检测电路门槛值为0.5 V.

分析图6、图7可以得出，系统发生短路故障时检测到的电流变化率波形频率约为2 kHz，满足有源微分电路0 ～ 6 kHz的频带要求；同时可以得出系统在360°和180°相角下发生短路故障，采用检测电流变化率的方法可快速检测到短路故障.

图6 电网电压360°短路时的电流变化率波形

图7 电网电压180°短路时的电流变化率波形

3 样机调试分析

3.1 实验样机装置

根据上述理论和仿真分析，制作了简易的样机装置来进行实验测试.样机采用额定电压1 V，型号为LCTA21CE-10A/10 mA高精度电流互感器，线性范围不小于2倍额定值，线性度小于0.1%.样机设置的采样电阻值为100，采用增益为10运算放大电路，使得采集到的电压值等于一次侧的电流值.图8所示为制作的简易样机实物图，由主开关与取样电路部分、信号调理和控制系统部分构成.

图8 样机实物图

根据样机实验测试需要，另用到表1所列的实验设备.

表1 主要实验设备

3.2 实验调试过程分析

实验时将样机的额定电流In设置为1 A，参照家用B型断路器标准，针对断路器的过载长延时、短路短延时和短路瞬动分别对样机进行了实验数据的测定.

根据家用B型断路器整定要求：将1.45In作为线路过载电流的整定值，线路电流小于1.45In断路器不动作，超过1.45In后在1 h内必须动作.实验时设置了3 s过载整定时间，时间到，断路器分断线路，如图9(a)所示.

根据家用B型断路器整定要求：当线路电流达到3In～5In时作为短路电流短延时处理.短路延时时间大于等于0.1 s.实验时设置3In作为短延时电流整定值，设置0.4 s的短延时整定时间，延时时间到，主回路断开，如图9(b)所示.

根据家用B型断路器整定要求：当线路电流大于5In时作为短路瞬动处理，必须在0.1 s内分断线路，越快越好.实验时将10In设定为短路电流整定值，实验结果如图9(c)所示，从捕获波形可以看出，当电流大于5In时，经过60多微秒线路完全断开，远低于标准值0.1 s.

图9 样机测试波形图

4 结论

采用检测电流变化率来检测线路短路故障的方式具有速度快，安全可靠性高的特点，将这种方法应用到固态断路器中，可快速处理各种短路故障，且在运行过程中不产生电弧，适用于对防火、防爆要求较高的工作场所.