基于嵌入式控制技术的低压智能断路器研究

唐伟，段国艳，钟伟

（四川工程职业技术学院电气信息工程系，四川德阳，618000）

0 引言

低压断路器你是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测的元件或设备。低压断路器，在低压配电系统中起到切换电能和安全用电保护的作用，技术含量与经济价值最高，但结构复杂，在低压电气单元中，成本占比高，智能化程度低，因此，研究低压断路器的智能控制技术成为降低电气基本单元成本，提升区域电网或全网的智能化水平的重要研究方向。断路器在低压配电系统中具有核心地位作用，不仅具有切换电能的作用，还具有灭弧、过载、过热等保护作用。现代智能断路器所要研究的内容不仅是实现传统断路器功能，还需研究远程分合闸控制，电磁操作机构，用电参数的检测，用电数据状态和数据的远程传输，断路器的组网与通信功能，检测数据的利用等，研究的方向应引入现代嵌入式技术与操作机构结合，实现机电一体化结构，避免单一的机械结构。

1 低压电力断路器的国内外现状

国际发展情况，（1）微处理器、光耦合技术、光纤等新技术以及新工艺、新材料和新理论运用于低压电器产品的改进与更新。特别是为了适应配电与控制系统不断高级化、复杂化以及高度信息化时代的需要，在低压电器智能化、组合化方面进行了大量研究工作，目前国外欧美日本等国家的断路器技术已经发展到第五代。（2）低压断路器的智能化与可通信成为主流发展技术，基本融入过程控制体系；大量现场检测与控制的信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移到现场设备现场总线技术的发展，对低压电器产生重大的影响，目前国外各大公司推出可连接现场总线的具有通信能力的低压电器，其中以德国西门子最为突出，其可通信的低压电器，已可组成十分庞大的工业制系统，电力配电监控系统和楼宇自动化系统。欧美日本等纷纷推出带有内置式工业以太网通信接口的低压断路器，并具有图象显示器能显示所有信息，记录故障发生前所有事件和数据，供故障后分析。（3）过电流保护新技术得到发展，已经开始研发具有一般区域联琐、区域选择性联琐保护的新一代低压断路器；发展带短延时分断功能的SMCB。（4）剩余电流断路器技术取得了较大的发展。（5）低压断路器小型化与模块化技术不断提高，国外新一代断路器各类附件发展很快，进一步扩大了断路器功能。国外各大公司从2000年前后陆续推出了新兴AC和MCCB[1]，通过最近几年的不断完善与系统扩展，已形成了较为完善的新一代低压断路器。

国内发展情况：（1）具有过载、失压、过热保护，但缺乏限流，短时延时，选择性保护等。（2）断路器控制系统采用机械结构居多，合闸动力操作机构主要以弹簧，电磁力为主，较少采用电动和永磁等操作机构。（3）断路器合闸采用手动控制，没有智能化的远距离和遥控方式控制合闸技术。（4）智能化、网络化程度低，缺乏统一的通信技术标准，不能很好地融入到自动化的过程控制体系中。随着智能电网在国内外引起的研究热点，低压电器的“智能化”和“可通信”最终将向智能电网方向发展，形成智能电网的低压用户端产业。断路器的发展趋势是采用高新技术，重点开发智能化、网络化、可通讯化、制造高效化的智能断路器和配电系统[2]。

低压断路器是低压电器中结构最复杂，技术含量与经济价值最高，是低压配电系统中地位最重要的产品[3]，目前断路器的关键技术包括：大电流电弧分断技术；过电流保护新技术；可通信与综合智能化技术；低压断路器小型化与模块化技术；低压断路器可靠性与环保技术[4]。

2 智能断路器设计的难点与解决方案

传统的低压断路器可靠性较高，有灭弧和过载保护，但机械结构复杂，无通信功能，而新型的断路器要具有智能功能就应具备通信功能，通信功能和数据的挖掘利用成为新型智能断路器的重点，同时考虑到智能断路器整体化、模块化的发展，以下几点将成为设计新型智能断路器的难点。（1）低成本、小型化、高可靠性的低压断路器中电磁和电动操作机构及其控制技术；（2）为适应大功率用电负载，断路器的灭弧室的体积小型化问题成为难点，本文提出的解决的方案是减小引入过零电压、过零电流技术降低电弧技术的研究，但零电压、零电流切换技术目前处于技术的难点。（3）低压断路器的选择性延时保护，保护的类别如过载、短路、漏电流、过压、欠压等，目前传统断路器难以全部覆盖所有保护功能，智能断路器虽然可以通过电参数采样和微处理器实现，但对系统的处理速度要求高，如果这些保护功能采用传统断路器方式实现则设计的机构复杂程度高，成本上升。（4）目前针对智能断路器没有统一的通信技术标准，融入到自动化的过程控制体系中缺乏统一的架构，这将成为智能断路器研制和标准化生产的难点，如现场总线与低压电器元件之间的接口协议，低压电气元件与智能电网的接口协议，数据的挖掘与利用等成为智能低压断路器发展的技术障碍。

3 基于嵌入式控制技术的断路器具有的基本特点

嵌入式系统将具体被控对象与MCU结合，完成专门任务，因此具有针对性、实时性强特点；因与具体任务结合，所以针对任务设计，系统可尽量精简、开发周期短、成本低；用MCU控制电磁机构能简化断路器的机械控制机构；通过对流过断路器的电流采集，有利于过载选择性延时、短路短延时和短路瞬时保护[5]，简化过载保护的机械机构，便于模块化设计和装配，同时嵌入式控制技术能很好的实现数据的采集、传输和利用，并实现无线组网功能，作为智能电网的控制节点；同时嵌入式系统升级简单，因此，将嵌入式技术应用于断路器能实现智能断路器升级换代同步进行，产品具有较长的生命周期。

4 基于嵌入式技术的智能断路器解决方案

将嵌入式控制技术应用于断路器的研究，能较好的实现低压断路器分、合闸的远程控制，低压断路器的远距离通信、组网，具有选择性延时分断控制和区域选择性联琐保护[6]，区域电网故障诊断，电功率、电压电流、用电时间等数据统计。图1给出了一种基于嵌入式控制芯片的智能断路器方案示意图。

图1 基于嵌入式控制芯片的智能断路器方案

图1中，主线路的开关单元由常开触头和电磁控制机构组成或电动机构组成，当开关单元的电磁线圈得电，常开触头闭合，失电，开关断开，从而控制主线路上的负载通断电；开关单元中的电磁线圈由MCU通过控制电路控制得电失电，控制电路可以是继电器控制电路或可控硅电路，该控制电路的作用主要是驱动开关单元的电磁线圈。在该方案中，通过红外进行遥控控制，同时通过WiFi实现远程控制。方案中，对电流、电压的采集可以通过电能计量单元获取，参数检测的方式可以是接触式或非接触式，采集数据由电能计量单元经过处理和计算再通过光耦送给MCU，MCU进行数据处理、判断控制开关单元，可以实现过载、短路等保护控制，同时将用电参数，通过WiFi将数据传送给服务器，管理部门或用电部门实现对该区域配电等进行实时管理，图1中，非隔离电源主要给电参数采集部分供电，隔离电源主要对MCU、光耦、数据传输通道和控制驱动电路供电。该系统的软件工作流程如下图所示。

图2 基于嵌入式控制技术的智能断路器工作流程

5 结语

本文从低压断路器的发展过程着手，详细分析了国内外低压断路器的技术特点，并得出目前低压断路器发展的方向和急需解决的关键技术，将嵌入式可控制技术、网络技术应用于现代断路器的研究中，并给出智能低压断路器的一种具体解决方案，经过原型机的研制，能较好的实现传统断路器的基本功能，同时实现通信和远程控制等控制功能。