智能低壓直流斷路器的設計

包涌泉，汪 浩，喬卿陽

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

隨著微計算機技術、電力電子技術、現代控制理論和信息網絡技術的發展，智能化成為開關電器的發展趨勢[1]。智能低壓直流斷路器是直流系統中一種重要的智能開關電器設備，它具有通斷直流回路的開關功能和可靠切斷故障電流的保護功能；同時通過各種通信接口實現遙測、遙調、遙控、遙信等功能，便于電力系統組網實現集中監控。

1 智能低壓直流斷路器的組成

本文所設計的智能低壓直流斷路器為框架式固定結構，組成框圖如圖1所示，主要部分包括觸頭系統、滅弧系統、操作機構、框架支撐系統、脫扣器、輔助開關、智能保護裝置和信號變換器。智能斷路器的中樞部件是智能保護裝置，基于數字信號處理器（DSP）的保護裝置已較多地用于線路保護中[2～3]。

圖1 智能低壓直流斷路器組成圖

2 智能低壓直流斷路器控制系統

智能低壓直流斷路器的控制系統框圖如圖2所示。直流母線主回路電流用分流器測量，經過隔離變送器變換后輸入給AD7606采集；直流母線電壓經過隔離變送器測量變換后輸入給AD7606采集；采樣的電流電壓信號送給DSP處理器進行分析計算，當回路過載時，DSP經長延時發出動作信號，經CPLD芯片驅動繼電器接通分勵脫扣器回路使斷路器觸頭打開，分斷主回路；當回路過流時，DSP經短延時發出動作信號，經CPLD芯片驅動光纖口接通快速脫扣器回路使斷路器觸頭打開，分斷主回路。為了提高智能保護裝置的可靠性，我們將保護裝置的核心部件DSP、AD7606和EEPROM進行了雙機熱備容錯設計，兩部分硬件結構和軟件配置完全一樣，當主機發生故障時，CPLD芯片能自動切換到備用機進行工作。

圖2 智能低壓直流斷路器控制系統圖

2.1 智能保護裝置

綜合考慮運算速度、精度、片內硬件資源等因素，選用TI公司的 TMS320F28335型DSP做裝置的處理器。TMS320F28335型數字信號處理器是TI公司的一款32位浮點型DSP控制器，它主頻可達150 MHz，內嵌256 K×16位的flashROM、34 K×16位的SRAM和8 K×16位的BootROM；還配置有CAN控制器、異步串行通訊口（SCI）、同步外設接口（SPI）、2×8路12位的A/D轉換通道、硬件看門狗電路、以及大量的數字I/O端口[4]。該器件具有速度快，性能高，信號處理能力強等優點，能較好地滿足故障電流快速分斷的技術要求。

本裝置選用ADI公司推出的新一代16位、8通道模擬數字轉換器AD7606進行母線電流電壓采集。AD7606器件每通道的采樣率能達到200 ksps，可以在較寬的動態范圍內，對雙極性信號進行采樣。

在本裝置中，使用TMS320F28335片內的存儲器存放程序和變量，使用SPI接口擴展一片串行EEPROM芯片25LC512用于存放參數，具體參數包括電流整定值、時間整定值等。

本裝置使用CAN總線接口，與系統的上位機通信。裝置向上位機傳送直流母線電壓電流信號、斷路器狀態、各種整定參數；同時上位機可設定各種整定參數以及對斷路器進行分合操作。裝置通過RS485接口外擴西門子人機界面，根據中文菜單和提示可以簡單地完成定值輸人、測量數據管理、狀態管理等功能。

2.2 快速脫扣器驅動模塊

斷路器的速斷是由快速脫扣器驅動模塊驅動線圈來完成，由于要求機構動作快，因此需使用半導體開關器件作驅動開關。圖3為快速脫扣器分閘原理圖。圖中，L為分閘線圈；C為分閘儲能電容；K1是可控硅；R1是限流電阻。

圖3 快速脫扣器分閘原理圖

每次動作前，AC220 V通過整流橋和限流電阻R1對電容C進行充電。為了提高斷路器的抗干擾能力，智能保護裝置動作信號用光信號傳輸。當分閘信號到來時，智能保護裝置的光纖信號經光電驅動板觸發可控硅K1，使其導通，電容C對勵磁線圈L放電，產生電磁力驅動開關進行分斷，電容C和線圈L的諧振電路使得可控硅K1能自關斷，控制電重新對電容器充電，為下次操作做好儲能準備。

3 軟件設計

智能斷路器軟件主要由主程序和中斷程序兩部分組成。

主程序流程如圖4所示，斷路器在上電或硬件復位后，開始初始化，讀取EEPROM數據后進行系統自檢判斷，若自檢不能通過將發出告警信號并閉鎖保護；若通過進入主循環。在主循環過程中進行事件記錄和故障錄波；最后執行CAN發送程序和modbus協議處理程序。

圖4 軟件主程序結構圖

定時器每隔一個周期產生一次中斷，定時周期設為100 μs。在定時請求中斷信號到來時，DSP可相應中斷，執行中斷服務程序。定時中斷服務程序流程如圖5所示，程序首先對AD7606進行診斷，若正常則進行直流母線電流電壓等模擬量和開關量數據的采集和處理，然后執行電流電壓保護算法，最后進行保護判斷完成保護功能并進行事件記錄和故障錄波。

圖5 定時器中斷程序流程圖

4 應用對象和實驗

本文研制的智能斷路器用于船舶直流配電系統中，當回路中出現過載和短路電流時，斷路器能可靠地自動斷開電路。智能斷路器具有信息記錄和通信功能，能記錄開關狀態、故障電流、保護動作類型等信息并通過總線向主站傳輸這些信息；同時接收主站命令進行相關分、合操作。

該斷路器在中國船舶工業電工產品試驗檢測中心進行了分斷試驗，試驗電壓為900 V，試驗回路時間常數為10 ms，試驗波形見圖6，斷路器從故障電流達到整定值800 A開始經過不到4 ms時間觸頭打開，大約16.4 ms完成全分斷，故障電流變為零。

圖6 試驗波形圖

5 結論

本文提出的智能斷路器具有測量、保護、通訊等功能；雙機熱備等技術的使用保證了設備的高可靠性。試驗證明設備能快速分斷故障電流，滿足船舶電力系統使用要求。