自检自复电能表外置剩余电流动作断路器的设计

赵 策, 郑元昌

(1.浙江航都科技有限公司, 浙江 乐清 325604;2.华通机电股份有限公司, 浙江 乐清 325604)

0 引 言

随着我国电力事业的发展,智能电表和电能表外置断路器已被广泛应用,走进了商业小区、居民小区和各大院校等,代替了传统的终端小型断路器和机械式电表,不仅能实现断路器的剩余电流保护功能,同时能实现终端用户欠费即分闸、终端用户充值电费后即自动合闸的功能[1]。但目前的电能表外置断路器在剩余电流检测方面还存在不足,传统的终端剩余电流动作断路器需要人工每月按一次试验按钮,来检测该产品剩余电流保护功能是否正常。带剩余电流保护功能的电能表外置断路器安装于配电线路电表箱中,若要人工手动检查剩余电流保护功能,不仅专业电工人员操作非常麻烦,同时也大大增加供电企业的工作量。基于此,本文主要讨论了带剩余电流保护功能的电能表外置断路器自检自复的工作原理,提出了具有自检自复功能的电能表外置剩余电流动作断路器的设计。

1 基本原理与设计

带剩余电流保护功能的电能表外置断路器由电能表外置断路器和剩余电流保护模块两大部分组成,产品总体结构图如图1所示。

图1 产品总体结构图

电能表外置断路器由断路器本体与电操机构组合而成。三角轴贯穿于传动机构与断路器手柄之间,锁扣针从断路器本体伸出,与脱扣件适当配合。控制器主板、传动机构、电机、脱扣件安装于电操机构壳体内,手插入/自动转换开关安装于电操机构表面。在电网正常供电情况下,电能表输出预付费信号经电操机构内部控制器主板分析判断,由电机与传动机构推动三角轴旋转并带动手柄使断路器本体合闸接通电网与负载。当用户欠费时,电能表没有预付费信号输出,经控制器主板判断,电机和传动机构反转,停留于适当位置压住脱扣件,使锁扣针异位,断路器本体分闸而不能手动合闸[2]。电操机构有电平反馈信号供电网服务端来判断用户是否处于供电状态。

剩余电流保护模块由零序互感器、漏电线路板组成,加接于断路器本体负载端。当负载端发生接地故障或漏电时零序互感器检测到剩余电流信号,经漏电线路板信号调理后传递到控制器主板,程序判断剩余电流值大于设定动作阈值时发出脱扣指令,使脱扣电磁铁吸合,推动断路器本体上的锁扣针,使断路器迅速分闸,切断主电路。

2 自检自复原理

设计的自检自复电能表外置剩余电流动作断路器,自检自复原理框图如图2所示。包括断路器本体、抗电涌整流单元、开关电源、自检自复单元(虚线框所示)及电机驱动单元,根据相关标准和EMC性能要求设计各单元硬件电路[3]。

图2 自检自复原理框图

自检自复单元包含断电上电检测单元、断流续流检测单元、剩余电流检测单元及电子试验单元,本文将着重对该部分硬件设计原理进行阐述。

断电上电检测单元设置在断路器本体电源端,用于检测配电线路的通电状态;断流续流检测单元通过电流互感器,采样断路器本体负载端电流信号,用于检测配电线路的负载状态;电子试验单元产生设定的模拟剩余电流,用于检测产品的剩余电流保护功能是否正常。各单元自检自复的时间周期可通过程序定制,用户也可通过ModBus通讯远程更改,以更好地符合用户实际使用情况。断路器自检自复结果可通过ModBus通信上传,对接用电安全管理系统或用户智能终端以获取每台产品的工作状态。

2.1 断电上电检测原理

外线断电后再上电,即断路器控制器程序初始化完成后先进行一次自检自复。断电后再上电检测原理如图3所示。

图3 断电后再上电检测原理

基本思路即对断路器本体电源端电压进行限流分压后采样,以符合控制芯片的电气特性。X6为相线输入,经VD13二极管半波整流后,由R27、R28、R37、R41、R42、R44构成的串联通路降压后,R42两端的X3电平和X4电平分别进入单片机AD通道,由单片机程序判断两者的电位差。当主线路断电后X3、X4电位差为零,上电时X3、X4电位差恢复,结合单片机程序设计即可判断断路器状态是否为断电再上电。断电上电为第一自检自复指令,工作时其它自检自复指令处于初始状态。

2.2 断流续流检测原理

断流续流检测原理如图4所示。当断路器本体合闸且带载时,电流互感器有信号输出,经过VD1、VD2二极管半波整流后X1处有相应电平,该电平取决于实际线路中的负载电流大小。当断路器本体分闸,实际线路中没有电流时,电流互感器没有信号输出,此时X1处电平为零。VD7二极管对X1进行钳位,防止线路中有电流突增时X1处电平冲击单片机AD口。结合程序设计,当X1电平从零开始大于设定阈值并保持若干周期即可判断出负载状态为断流续流切换;反之,则为续流断流切换。负载状态切换时控制器发出自检自复指令。断流续流检测时间周期宜以天数为单位,上次自检自复动作后,规定间隔时间内断流续流检测无效。

图4 断流续流检测原理

2.3 电子试验按钮

电子试验按钮电路如图5所示。由整流桥BR1和晶闸管VT1并联构成。本文设计样品为三相电能表外置剩余电流断路器,大功率试验电阻由A相电压和C相电压取电,图5中A端和C端分别表示断路器本体A相电压和C相电压。

图5 电子试验按钮电路

工作时,自检指令从单片机IO口发出,触发晶闸管VT1使其处于导通状态,整流桥A、C端也导通,A、C两端电压加在试验电阻上来产生模拟剩余电流。该开关可由ModBus远程实现试验动作,指令从通信接口输入,单片机接收到远程试验指令后,触发电子试验按钮工作。根据国家标准GB 16917.1—2014中8.11试验装置的描述,RCBO应具有一个试验装置模拟剩余电流,以便定期检验剩余电流装置的动作能力[4]。基于此设计,解决了传统的由弹簧片接通试验电阻到电网中来模拟剩余电流的无法可编程定义的难点,同时基于程序设计,可定期强制性对断路器的剩余电流保护功能进行自检,即定期触发电子试验按钮来模拟剩余电流保护。参照目前市场上RCBO试验按钮周期标识,建议该周期为1个月,这样便解决了传统的剩余电流动作断路器试验按钮在实际应用中形同虚设的痛点。若剩余电流保护功能失效,则强制性分断产品并限制合闸,还可将产品当前状态通过ModBus组网发送到终端后台等。

2.4 程序流程设计

自检自复式电能表外置剩余电流动作断路器智能控制器需要完成的主要任务有:三相电压、电流的采样及有效值的计算;频率的检测和计算;各种保护的判断和处理;通信数据的接收、处理和发送等。智能控制器要完成的任务较多,功能复杂,软件设计工作量比较大,因此采用模块化编程思想来设计程序[5],系统程序流程图如图6所示。

图6 系统程序流程

自检自复方面的程序设计,相当于在原有设计基础上做了功能拓展,因此对于设置参数加载、电压电流采样、保护功能实现、RS-485通信模块等程序设计不再赘述,系统上电完成外设初始化和参数加载后,即进行一次断电上电自检自复,之后在系统运行过程中周期性进行断流续流和电子试验按钮自检自复。

3 仿真分析

为验证本文提出的自检自复单元硬件设计的合理性,在Multisim中搭建断电上电检测电路、断流续流检测电路、电子试验按钮电路进行仿真研究。断电上电仿真电路如图7所示。限流电阻功率和阻值的选取要考虑相电压范围和主控板单片机AD口电气特性。相电压230 V经过VD1二极管半波整流并串联电阻限流分压后,R5两端电压半波峰值分别为1.6 V和0.8 V。当断路器本体合闸且电源端有市电时R5两端电压存在电位差,单片机AD采样并判断两者电位差,从零开始大于设定阈值并保持若干周期即可判断此时断路器状态为断电上电切换。断电上电仿真示波图如图8所示。

图7 断电上电仿真电路

图8 断电上电仿真示波图

断流续流仿真电路如图9所示。电流互感器二次侧绕组输出为交流电流信号,由采样电阻转换成交流电压信号,并经二极管半波整流后送入单片机AD采样通道,电流互感器变比和采样电阻的选取要考虑断路器额定电流和主控板单片机AD口电气特性。设计样品为额定电流80 A电能表外置断路器,电流互感器铁芯材质为硅钢片,二次侧绕组漆包线线径0.12 mm,匝数3 000匝,一次侧通一倍额定电流时二次侧输出30 mA。断流续流仿真示波图如图10所示。当断路器本体合闸且带额定负载时,电流互感器二次侧有信号输出,经采样电阻转换后其半波峰值为1.2 V,否则电流互感器没有输出。VD3二极管钳位电流互感器输出,防止负载突增时电流互感器输出冲击单片机AD口。单片机AD采样并判断该电平,从零开始大于设定阈值并保持若干周期即可判断此时断路器状态为断流续流切换,反之断路器状态为续流断流切换。

图9 断流续流仿真电路

图10 断流续流仿真示波图

电子试验按钮仿真电路如图11所示。以30 mA剩余电流整定动作值为例,试验电阻选择功率为1 W、阻值为6.2 kΩ的金属膜电阻。单片机IO口输出高电平触发晶闸管导通时整流桥交流输入端也导通,此时400 V交流电施加在试验电阻上,产生模拟剩余电流64 mA,当晶闸管截止时整流桥交流输入端也截止,试验电阻回路不通。

图11 电子试验按钮仿真电路

4 结 语

由于电能表外置剩余电流动作断路器是一种安全保护器件,其功能失效与否直接关系到用电安全保障问题,而且其所安装场所存在各种不易操作问题,因此对自身的剩余电流保护功能检测尤为重要。基于剩余电流保护功能失效的安全考虑和用户需求,本文分别从断路器本体进线端断电上电检测、负载端断流续流检测、电子试验按钮3方面展开,在原有电能表外置剩余电流动作断路器上增加了自检自复功能。硬件设计原理经过验证能达到设计预期,各自检自复功能模块的周期可设置,同时可通过ModBus远程进行全面自检并自复。

本文对电能表外置剩余电流动作断路器的剩余电流保护功能进行了相关的研究以及设计应用,满足了GB 16917.1—2014中对试验装置规定的标准要求。不仅限于电能表外置断路器,对于将来带剩余电流保护功能的低压电器提供了一种设计思路,使得产品能自检剩余电流保护功能是否正常,提升了产品的安全性与可靠性。