智能漏電斷路器案例庫建設(shè)研究

李奎 張冠英 王堯

摘要：案例教學(xué)法將課堂教學(xué)與工程應(yīng)用相結(jié)合，有助于培養(yǎng)專業(yè)學(xué)位研究生的工程意識，提升實踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。本文基于多年理論研究，結(jié)合科研實踐成果，以案例時效性、系統(tǒng)性和持續(xù)性為原則建立了智能漏電斷路器案例庫，為案例教學(xué)的發(fā)展提供了一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué)；智能漏電斷路器；案例庫建設(shè)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）14-0120-02

近年來我國的研究生專業(yè)學(xué)位教育蓬勃發(fā)展，實踐能力的培養(yǎng)是專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)工作的核心[1]，案例教學(xué)法讓學(xué)生深入到課程的實際應(yīng)用領(lǐng)域，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。以突出實用性和綜合性為目的，建設(shè)基于企業(yè)真實情境、融合科研應(yīng)用的教學(xué)案例庫，校企合作模式是建立案例庫的重要途徑[2]。

《電器智能化與電磁兼容技術(shù)》是為電氣工程專業(yè)研究生開設(shè)的一門專業(yè)技術(shù)課程，旨在幫助學(xué)生了解智能電網(wǎng)，掌握智能電器相關(guān)的基本理論與設(shè)計方法，熟悉電磁兼容的基本概念與原理，并能解決實際中常見的電磁兼容問題。在教學(xué)過程中課題組總結(jié)多年理論研究，結(jié)合科研實踐成果，在完成科研課題的基礎(chǔ)上邀請企業(yè)骨干與研究生共同參與編寫了智能漏電斷路器設(shè)計案例。并考慮案例庫建設(shè)的系統(tǒng)性和持續(xù)性原則進(jìn)行電弧故障斷路器設(shè)計案例庫的建設(shè)。

一、案例庫的建設(shè)原則

1.案例的時效性。現(xiàn)代電子與信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用極大推動了智能電器相關(guān)研究成果的市場化進(jìn)程，在案例的設(shè)計過程中除了考慮涉及的課程理論與方法外，更要切合工程實際應(yīng)用，體現(xiàn)前沿理論成果[3]。本次案例庫設(shè)計首選了與企業(yè)共同開發(fā)的智能漏電斷路器設(shè)計作為首個綜合案例進(jìn)行了案例的整理。近年來電弧故障已成為引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素，電弧故障斷路器也得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，成為智能電器的一個重要組成部分，目前正在對電弧故障的檢測進(jìn)行研究，進(jìn)而引入“電弧故障斷路器”的案例設(shè)計。

2.案例的系統(tǒng)性。在案例設(shè)計過程中，采用遞推式和模塊式相結(jié)合的方法。將剩余電流保護(hù)技術(shù)設(shè)計案例分為剩余電流互感器設(shè)計、漏電保護(hù)設(shè)計、過流保護(hù)設(shè)計、過欠壓保護(hù)設(shè)計以及電磁兼容實驗設(shè)計五個模塊，如圖1所示。

塊式的設(shè)計方案，使案例設(shè)計的內(nèi)容一目了然，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識。案例庫建設(shè)過程中采用遞推式的設(shè)計思路，由易到難地進(jìn)行工程項目的案例設(shè)計，既增強(qiáng)了案例庫設(shè)計的全面性和系統(tǒng)性，同時也有助于學(xué)生對于智能電器有一個全面系統(tǒng)化的認(rèn)識，從工程規(guī)劃、設(shè)計、實施和工程管理多角度培養(yǎng)研究生的工程技術(shù)能力。

3.案例的持續(xù)性。隨著智能電器和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，智能漏電斷路器已經(jīng)不能完全滿足智能電網(wǎng)安全運行的保護(hù)功能，特別是近年來由于絕緣損壞、接頭松動等原因引起的電弧故障已成為引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素，這直接威脅電網(wǎng)的正常運行。針對于電弧故障檢測和保護(hù)的電弧故障斷路器得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，成為智能電器的一個重要組成部分。因此，為了適應(yīng)電力電子技術(shù)和智能電器的不斷發(fā)展，電器智能化案例庫建設(shè)的進(jìn)一步工作是建立“電弧故障斷路器”、“智能電表”等智能電器的案例設(shè)計庫，以保持案例庫建設(shè)的持續(xù)性。

二、“漏電斷路器”綜合案例設(shè)計

“漏電斷路器”案例設(shè)計，采用模塊化的設(shè)計方案，將案例設(shè)計分為磁調(diào)制式剩余電流互感器設(shè)計案例、智能漏電斷路器漏電保護(hù)設(shè)計案例、智能漏電斷路器過流保護(hù)設(shè)計案例、智能漏電斷路器欠壓保護(hù)設(shè)計案例以及智能漏電斷路器電磁兼容實驗案例五個部分。

1.磁調(diào)制式剩余電流互感器設(shè)計。傳統(tǒng)剩余電流保護(hù)技術(shù)中采用鐵心電磁式電流互感器（電磁式電流互感器）、霍爾電流傳感器及磁調(diào)制式電流互感器進(jìn)行電流的檢測，非正弦剩余電流是一種弱差值信號，普通的電流檢測方法不能對其進(jìn)行有效地檢測，現(xiàn)有技術(shù)需要優(yōu)化。

在本案例中提出了一種電壓型磁調(diào)制式交直流剩余電流檢測技術(shù)，將剩余電流耦合到激磁電流中，通過激磁電流的檢測，實現(xiàn)了復(fù)雜剩余電流的檢測與保護(hù)，克服了傳統(tǒng)磁調(diào)制式電流檢測的缺陷。

2.智能漏電斷路器漏電保護(hù)設(shè)計。智能漏電斷路器由開關(guān)電源電路、磁調(diào)制式剩余電流互感器、電流互感器、電壓分壓器、信號調(diào)理電路、單片機(jī)、脫扣電路、通訊電路以及輔助電路等部分組成，如圖2所示。漏電保護(hù)主要應(yīng)用到的為磁調(diào)制式剩余電流互感器、磁調(diào)制信號解調(diào)電路部分。

在硬件設(shè)計上，磁調(diào)制信號解調(diào)電路選用巴特沃斯模擬低通濾波器進(jìn)行磁調(diào)制互感器輸出信號解調(diào)。為了便于遠(yuǎn)程監(jiān)控配電線路的運行狀態(tài)，智能漏電斷路器還具有RS485通訊接口。從而保證了智能漏電斷路器的工作可靠性。在軟件設(shè)計上，智能漏電斷路器的軟件功能主要包括保護(hù)功能、保護(hù)參數(shù)設(shè)置、運行數(shù)據(jù)記錄、跳閘原因與時間記錄、遠(yuǎn)程通訊等。

3.智能漏電斷路器過流保護(hù)設(shè)計。過流保護(hù)主要應(yīng)用到電流互感器、電流信號調(diào)理電路部分。電流信號調(diào)理電路主要包括信號放大和峰值檢測兩部分，考慮到控制器內(nèi)部空間有限，所以采用較簡單的反相比例放大電路進(jìn)行信號放大，并為每相電流信號設(shè)計了兩路放大通道，以提高檢測精度。單片機(jī)每隔20ms采集一次線路電流信號，每相電流由兩個AD通道采樣，其中放大倍數(shù)較大的通道主要用于過載長延時保護(hù)，而放大倍數(shù)較小的通道主要用于短路短延時保護(hù)。由于采用峰值電流進(jìn)行過電流保護(hù)，所以保護(hù)算法相對簡單，對單片機(jī)的要求也較低。

4.智能漏電斷路器欠壓保護(hù)設(shè)計。與過電流保護(hù)方法類似，過欠壓保護(hù)也采用峰值信號進(jìn)行保護(hù)。由于過欠壓保護(hù)的實時性要求最低，所以單片機(jī)每隔60ms采集一次線路電壓，并將采樣值與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，如果超過動作閾值則延時后執(zhí)行脫扣程序，所以保護(hù)算法相對簡單，對單片機(jī)的要求也較低。

5.智能漏電斷路器電磁兼容試驗。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電磁環(huán)境日益復(fù)雜，處在其中的電氣設(shè)備面臨越來越多的干擾，造成性能降低、功能喪失的概率明顯增加。在智能化電氣設(shè)備的技術(shù)研究、產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)制造等各個環(huán)節(jié)，需要充分考慮電磁兼容問題，因此建立了智能漏電斷路器電磁兼容試驗案例分析并提出了相關(guān)整改措施。智能漏電斷路器電磁兼容試驗主要包括以下三部分試驗：智能漏電斷路器的靜電放電抗擾度試驗及分析、智能漏電斷路器的電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗及分析和智能漏電斷路器的浪涌抗擾度試驗及分析。

三、結(jié)束語

本文以電氣工程專業(yè)研究生開設(shè)的專業(yè)技術(shù)課程《電器智能化與電磁兼容技術(shù)》為基礎(chǔ)，總結(jié)多年理論研究，結(jié)合科研實踐成果，以案例時效性、系統(tǒng)性和持續(xù)性為原則編寫了智能漏電斷路器及其電磁兼容設(shè)計案例。案例教學(xué)法結(jié)合了工程應(yīng)用有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，提升學(xué)生實踐應(yīng)用能力，對于研究生專業(yè)學(xué)位教育培養(yǎng)有著重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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