基于物联网技术的新一代居民侧智能断路器研究

陈宇沁，杨世海，方 超，张 凡

（1.国网江苏省电力有限公司营销服务中心，南京210019；2.江苏方天电力技术有限公司，南京211102）

电子信息技术和物联网技术的飞速发展，带动了智能化技术的快速发展以及产品的智能化升级[1]。传统的居民侧微型断路器已经不能满足现在智能化电网和信息互联互通的需求，开发兼具传统微型断路器功能，同时具备数据实时监控的新一代微型断路器顺应了时代技术的发展以及用户的需求[2]。

本文研究了新一代微型断路器，具备普通断路器的短路保护、过载保护功能，同时具有软件漏电测量值实时上报，电压、电流、功率等电参量测量功能和电能测量功能以及电能质量监测功能。当断路器故障电弧产生时，该断路器将产生告警信息并根据用户设定参数进行主动跳闸。

1 漏电电流检测及保护技术

1.1 硬件漏电检测电路及输出电路

漏电检测电路如图1 所示，漏电输出控制电路如图2 所示。漏电检测使用的是FM2147 芯片。

图1 漏电检测电路Fig.1 Leakage detection circuit

图2 漏电输出控制电路Fig.2 Leakage output control circuit

该电路具有如下特点：

（1）当发生漏电流时，OS 管脚输出一个持续30 ms 的高电平脉冲信号；

（2）对于不同的漏电流，具有高的漏电流检测灵敏性；

（3）具有防EMC 噪声干扰的功能；

（4）适用于110 V～220 V（50 Hz～60 Hz）的交流网络。

漏电互感器套在L 线和N 线上， 当出现漏电时，如人触电、电线老化或电线破损等原因，L 线和N 线上的电流不一样， 即在漏电互感器上将有电流产生，通过R35和R37采样电阻变成交流电压，然后输入FM2147 芯片内。FM2147 将输入信号转变为有效值RMS 值，当检测到RMS 值大于规定值时，在5管脚上输出不小于30 ms 的高电平脉冲。通过控制输出电路EL3063 过零触发双相硅输出光耦， 光耦的4 和6 管脚导通，从而在可控硅的控制极G 上产生一个压降，可控硅导通，根据可控硅的特性，一旦极性T1和T2导通后，控制极G 不需要电平维持，光耦导通时间30 ms，大于可控硅的控制极G 导通时间。TRIP1和NOUT1导通，进而控制跳闸继电器导通，控制整个断路器跳闸，那么整个断路器内部电子部分无电源。可控硅V4，断开连接，确保下次漏电检测输出电路能够正常工作。

1.2 漏电测试方案

传统的漏电保护里面是使用一个电阻，当按下测试按键后，会在电阻上产生一个电流，此电流只在漏电互感器的N 线或者L 线上产生电流，从而产生一个模拟的漏电流，让硬件漏电检测电路检测这个漏电流，从而产生跳闸动作。这种模拟漏电产生电路，在硬件漏电电路检测有故障的时候，比如漏电芯片不工作，或者可控硅或者其他元器件故障的时候，尝试按下漏电测试按钮，会出现测试电阻温度过高，从而烧坏测试电阻的问题，造成安全隐患。

为避免这个安全隐患， 本文设计了一个方案，如图3 所示， 能够测试漏电流检测硬件电路的好坏。在漏电互感器的初级线圈里面，除了让LN 线同时穿过，作为正常漏电检测作用外，同时绕一圈线圈通过初级线圈。通过设计一个电路在这个初级线圈中产生一个漏电流，此时在漏电互感器的次级也将产生一个信号供硬件漏电电流检测。当用户按下漏电测试按钮后，单片机会检测到此信号。通过驱动“CLT_IR”信号上输出一个PWM 信号，在漏电互感器的模拟漏电初级线圈上产生变化的电流信号，通过漏电互感器在次级也将感应一个变化的电流信号输出，并且超过漏电芯片检测阈值，从而输出控制信号控制跳闸线圈得电，使断路器跳闸。

此设计方案的优点是模拟漏电电路为弱电信号，不会产生安全隐患，同时在断路器设计结构上节省了空间。

图3 模拟漏电产生电路Fig.3 Analog leakage generating circuit

1.3 漏电有效值实时监测功能方案

漏电检测互感器输出接采样电阻把电流信号转换为电压信号如图4 所示。分成两路，一路给硬件漏电保护作为信号的输入。一路给SOC 单片机ADC 进行采样，每10 ms 进行一个有效值的输出。

图4 漏电有效值实时监测功能Fig.4 Real-time monitoring function of leakage RMS

用户可实时读取漏电流实时有效值， 同时，可设置软件漏电预警或者保护功能。如硬件漏电流保护阈值为30 mA， 软件预警或者保护的阈值可以设置在人可以感知漏电并进行自行脱离风险的电流10 mA。当漏电达到10 mA 时，会推送消息给居民提醒电气线路或者设备有漏电风险，通过这种方式将触电风险降到最低。

1.4 漏电保护电路EMC 防护技术

做浪涌抗扰度试验时的试验条件是4 kV/12Ω，1.2/50 μs，正负各5 次。针对图5 电路试验过程发现打几个浪涌波形后， 将产生智能断路器跳闸动作，说明试验时，压敏上的残压较大，导致过零触发双硅输出光耦U11有很微弱的电流流过， 最终导致可控硅导通，产生跳闸。

图5 漏电检测输出控制电路（无RC 吸收）Fig.5 Leakage detection output control circuit（without RC absorption circuit）

改进电路，增加RC 吸收，如图6 所示。试验多只样机，发现偶尔有样机出现跳闸动作。说明RC 吸收没有全部吸收干扰，还是有能量流过过零触发双硅输出光耦。

图6 漏电检测输出控制电路（加RC 吸收）Fig.6 Leakage detection output control circuit（with RC absorption circuit）

继续改进电路在RC 吸收和可控硅之间增加一个二极管，如图7 所示，当打正向浪涌电压时，利用二极管导通时间，RC 吸收可以吸收大部分压敏上的残留能量，不足以让可控硅导通，通过大量实验，不再有实验过程中有跳闸现象。

图7 漏电检测输出控制电路（加RC 吸收+二极管）Fig.7 Leakage detection output control circuit（with RC absorption circuit and diode）

2 故障电弧检测技术

2.1 互感器电磁技术

关于互感器， 低频互感器采用铁硅铝材料，高频互感器采用塑料环。绕线时低频互感器电感控制在15 mH 左右，自谐振频率大于50 kHz；高频互感器电感控制在11～15 μH，自谐振频率大于15 MHz。

2.2 双芯互感器密封技术

双芯互感器的高频塑料磁环设计在里面，低频铁硅铝磁环设计在外面，结构上在高频环和低频环之间设计防止树脂过去的隔板，在互感器灌封时，树脂不会流到高频环里面，以保证高频环的频率特性。

2.3 故障电弧检测电路

图8 故障电弧检测电路Fig.8 Fault arc detection circuit

故障电弧监测电路核心采用复旦微电子公司研发的FM9010 模组，如图8 所示，这款模组采用专用芯片FM2203 为主控核心配合双芯互感器、 放大器、电源电路、电阻电容等元器件，实现完整的电弧监测功能。

该模块特点有内置电源， 输入6～12 V 电源即可，内置电流互感器信号调理电路，支持外部扩展SRAM，用于采集故障电弧波形存储，在专用双芯电流互感器以及外围电路配合下，能够监测回路中发生的故障电弧现象，并发出报警信号。

2.4 过零检测电路

过零检测电路的作用是在检测到漏电信号时，模块发出报警信号驱动断路器跳闸，可以有效的减少跳闸电弧的产生，电路图如图9 所示。

图9 过零检测电路Fig.9 Zero crossing detection circuit

2.5 误报后的故障电弧AI 学习

居民收到故障电弧探测报警后，首先判断是否电气问题比如接触不良，线路老化等，若发现用电情况确认为误报，居民可通过手机APP 通知云端误报情况。云端会下发指令到智能断路器，智能断路器收到指令后，将保存在存储器中的电弧波形上传到云端，云端根据波形数据进行分析，判断问题现象，并根据AI 算法把相应的波形加入白名单，得到一组新的设置参数下发到智能断路器。通过此方案， 可以有效降低智能断路器故障电弧的误报率，提高了电气安全预警保护的可靠性。

3 电参量测量计量功能

3.1 电流采样技术

故障电弧检测模块需采样电流实时值，在设计电弧检测互感器里面嵌入了一个低频互感器，这个互感器就是用于检测电流的实时值。这个电流互感器的输出通过一个采样电阻变成电压信号后，分成两路，一路给故障电弧检测模块用，一路给SOC 计量模块的电流采样用。

3.2 计量电路

电压采样电路如图10 所示。由于L 线接地，通过串联分压后，输入到MCU 电压采样引脚上。电压和电流采样后，通过MCU 的计量核可以得到电压、电路、有功功率、无功功率、视在功频率、功率因数电参量以及电能参数，以及电压、电流总谐波畸变率，2～15 次谐波含有率。

图10 电压采样和电流采样电路Fig.10 Voltage sampling and current sampling circuit

4 温度采集技术

温度采集传感器采用热电阻NTC。热电阻安装在智能断路器接线端子处，采用绝缘粘性材料粘结在端子下方。进线两路，出线两路，一共四路温度进行采集。采样电路如图11 所示。

图11 温度采集电路Fig.11 Temperature acquisition circuit

NTC 热敏电阻的电阻值随着温度上升而迅速下降，利用这一特性，可将NTC 热敏电阻通过测量其电阻值来确定相应的温度。

5 电机防堵转功能

5.1 软件防堵转功能

断路器的合闸和分闸动作，齿轮传动均为SOC控制，在SOC 正常工作的时候，可以有效控制分闸和合闸动作的时间，防止齿轮传动机构出现问题时，电机堵转的情况持续产生。电机驱动芯片采用的是内部采用H 桥电机驱动电路芯片，可以通过控制管脚进行电机的正反转控制。电机采用3 级齿轮放大，因此采用微型电机即可驱动智能断路器实行自动重合闸。

5.2 硬件防堵转功能技术

MP5036 此芯片具有保护输出短路过流作用。如图12 所示， 过流电流值可通过R32电阻值设置。目前选定的值为5.6 kΩ， 限流的值大概在300 mA。同时芯片的内阻为43 mΩ， 在最大电流为300 mA时，产生的压降为0.013 V，这个压降比较低，可以忽略对电机的驱动的影响。

图12 硬件防堵转电路Fig.12 Hardware anti locked rotor circuit

电机内阻在15 Ω～30 Ω 左右。电机正常工作时，相当于在内阻上串联了一个电感阻抗，增加了整个电抗阻值，电流在60 mA 左右，当电机堵转时，电压全部加载电机内阻上，12 V 时，电流为800 mA～400 mA，此时，流过MP5036 的电流大于要保护的电流值，MP5036 将关断输出电压值， 即V12V 的电压为0。通过电机电平检测电路， 进行分压采样后到MCU 的一个普通IO 管脚，通过检测这个IO 管脚的高低电平，既可以得知目前是否堵转。如果为高电平，没有堵转，如果为低电平，则电机堵转。在电机堵转后，可以通过MP5036 的En 管脚，输入低电平，使芯片不输出，彻底把电机驱动电路的电源供应切断，以防止电机堵转时产生电机发热，烧坏甚至产生火灾的可能性。

6 其他保护功能实现

6.1 过载的预警和保护

若用户负载达到预设的预警阈值，将推送消息提醒用户电流过载，并可查看实时电流信息。若负载电流达到预设的保护阈值， 智能断路器将会跳闸。若智能断路器处于自动模式，每分钟会重合闸一次，并再次判断电流是否达到保护阈值，如果正常，则不再跳闸，重试次数重新计数。如果达到保护阈值，会继续跳闸。这样持续3 次后，不再重合闸，需要用户手动合闸或者远程发送合闸指令，并重新计数。如果智能断路器处于手动模式，当检测到负载电流达到预设的保护阈值时， 进行跳闸动作，不再重合闸，用户只能手动合闸或者远程发送合闸指令。用户也可以通过手机或智慧大屏设置预警和保护阈值。

6.2 欠压过压预警和保护

当居民家庭电压欠压时，将会造成家用电器工作不稳定、反复重启等现象。电压过压时，可能会超过家用电器的额定电压范围，导致电器的损坏。利用智能断路器的欠压过压预警和保护功能可以有效的保护电器。当电压降到欠压预警上限，或升到过压预警下限时，将上报预警信息到云平台，通知用户目前的过欠压状态，引起用户注意。当电压降到欠压保护上限或者升到过压保护上限是，智能断路器会产生跳闸动作，同时推送消息给用户产生报警时的状态如电路器跳闸状态、产生的原因以及过欠压保护时的电压、电流、功率、电能、谐波等信息。

6.3 端子接触不良预警和保护

智能断路器出线接线端子接线不良时，若负载电流较大，由于接触电阻的存在，将会会产生热量，导致温度上升，加速断路器老化，减少断路器寿命，甚至温度过高时可能引发电气火灾。利用智能断路器的温度预警和保护功能可以有效检测端子接触不良引起温度上升，并上报报警信息给用户，并根据用户的设定保护措施直接跳闸，切断温度继续上升的途径。用户也可实时监测端子的温度，并配合后台软件，查看历史温度信息，以及电气安全诊断报告。

6.4 远程重合闸

智能断路器支持用户远程的控制断路器合闸和分闸操作。可以使用手机APP，下发指令到智能断路器，执行相应的动作。如外出游玩时，需执行部分支路的跳闸动作，此时可以通过操作手机就可以完成。

7 通信方式

组网通信方式主要有两种，一种是通过有线的方式，比如电力线载波进行通信，一种是通过无线的方式，比如WiFi，两种方式均需借助上行电力载波或者WiFi，下行RS485 的采集器[3]。

8 结语

基于物联技术开发的新一代居民侧智能断路器，具有传统微型断路器、漏电保护器的功能，同时具有采集电参量、 电能信息以及电能质量信息、端子温度采集和报警、重合闸、漏电实时预警和报警。在硬件设计上充分考虑了EMC 的场景， 使智能断路器能够安全可靠的工作。作为居民家庭用电信息采集和保护的终端，能够让客户实时掌握用电信息，同时为电气安全保驾护航，具备较好的市场前景。