基于嵌入式控制技術的低壓智能斷路器研究

唐偉，段國艷，鐘偉

（四川工程職業技術學院電氣信息工程系，四川德陽，618000）

0 引言

低壓斷路器你是一種能根據外界的信號和要求，手動或自動地接通、斷開電路，以實現對電路或非電對象的切換、控制、保護、檢測的元件或設備。低壓斷路器，在低壓配電系統中起到切換電能和安全用電保護的作用，技術含量與經濟價值最高，但結構復雜，在低壓電氣單元中，成本占比高，智能化程度低，因此，研究低壓斷路器的智能控制技術成為降低電氣基本單元成本，提升區域電網或全網的智能化水平的重要研究方向。斷路器在低壓配電系統中具有核心地位作用，不僅具有切換電能的作用，還具有滅弧、過載、過熱等保護作用。現代智能斷路器所要研究的內容不僅是實現傳統斷路器功能，還需研究遠程分合閘控制，電磁操作機構，用電參數的檢測，用電數據狀態和數據的遠程傳輸，斷路器的組網與通信功能，檢測數據的利用等，研究的方向應引入現代嵌入式技術與操作機構結合，實現機電一體化結構，避免單一的機械結構。

1 低壓電力斷路器的國內外現狀

國際發展情況，（1）微處理器、光耦合技術、光纖等新技術以及新工藝、新材料和新理論運用于低壓電器產品的改進與更新。特別是為了適應配電與控制系統不斷高級化、復雜化以及高度信息化時代的需要，在低壓電器智能化、組合化方面進行了大量研究工作，目前國外歐美日本等國家的斷路器技術已經發展到第五代。（2）低壓斷路器的智能化與可通信成為主流發展技術，基本融入過程控制體系；大量現場檢測與控制的信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移到現場設備現場總線技術的發展，對低壓電器產生重大的影響，目前國外各大公司推出可連接現場總線的具有通信能力的低壓電器，其中以德國西門子最為突出，其可通信的低壓電器，已可組成十分龐大的工業制系統，電力配電監控系統和樓宇自動化系統。歐美日本等紛紛推出帶有內置式工業以太網通信接口的低壓斷路器，并具有圖象顯示器能顯示所有信息，記錄故障發生前所有事件和數據，供故障后分析。（3）過電流保護新技術得到發展，已經開始研發具有一般區域聯瑣、區域選擇性聯瑣保護的新一代低壓斷路器；發展帶短延時分斷功能的SMCB。（4）剩余電流斷路器技術取得了較大的發展。（5）低壓斷路器小型化與模塊化技術不斷提高，國外新一代斷路器各類附件發展很快，進一步擴大了斷路器功能。國外各大公司從2000年前后陸續推出了新興AC和MCCB[1]，通過最近幾年的不斷完善與系統擴展，已形成了較為完善的新一代低壓斷路器。

國內發展情況：（1）具有過載、失壓、過熱保護，但缺乏限流，短時延時，選擇性保護等。（2）斷路器控制系統采用機械結構居多，合閘動力操作機構主要以彈簧，電磁力為主，較少采用電動和永磁等操作機構。（3）斷路器合閘采用手動控制，沒有智能化的遠距離和遙控方式控制合閘技術。（4）智能化、網絡化程度低，缺乏統一的通信技術標準，不能很好地融入到自動化的過程控制體系中。隨著智能電網在國內外引起的研究熱點，低壓電器的“智能化”和“可通信”最終將向智能電網方向發展，形成智能電網的低壓用戶端產業。斷路器的發展趨勢是采用高新技術，重點開發智能化、網絡化、可通訊化、制造高效化的智能斷路器和配電系統[2]。

低壓斷路器是低壓電器中結構最復雜，技術含量與經濟價值最高，是低壓配電系統中地位最重要的產品[3]，目前斷路器的關鍵技術包括：大電流電弧分斷技術；過電流保護新技術；可通信與綜合智能化技術；低壓斷路器小型化與模塊化技術；低壓斷路器可靠性與環保技術[4]。

2 智能斷路器設計的難點與解決方案

傳統的低壓斷路器可靠性較高，有滅弧和過載保護，但機械結構復雜，無通信功能，而新型的斷路器要具有智能功能就應具備通信功能，通信功能和數據的挖掘利用成為新型智能斷路器的重點，同時考慮到智能斷路器整體化、模塊化的發展，以下幾點將成為設計新型智能斷路器的難點。（1）低成本、小型化、高可靠性的低壓斷路器中電磁和電動操作機構及其控制技術；（2）為適應大功率用電負載，斷路器的滅弧室的體積小型化問題成為難點，本文提出的解決的方案是減小引入過零電壓、過零電流技術降低電弧技術的研究，但零電壓、零電流切換技術目前處于技術的難點。（3）低壓斷路器的選擇性延時保護，保護的類別如過載、短路、漏電流、過壓、欠壓等，目前傳統斷路器難以全部覆蓋所有保護功能，智能斷路器雖然可以通過電參數采樣和微處理器實現，但對系統的處理速度要求高，如果這些保護功能采用傳統斷路器方式實現則設計的機構復雜程度高，成本上升。（4）目前針對智能斷路器沒有統一的通信技術標準，融入到自動化的過程控制體系中缺乏統一的架構，這將成為智能斷路器研制和標準化生產的難點，如現場總線與低壓電器元件之間的接口協議，低壓電氣元件與智能電網的接口協議，數據的挖掘與利用等成為智能低壓斷路器發展的技術障礙。

3 基于嵌入式控制技術的斷路器具有的基本特點

嵌入式系統將具體被控對象與MCU結合，完成專門任務，因此具有針對性、實時性強特點；因與具體任務結合，所以針對任務設計，系統可盡量精簡、開發周期短、成本低；用MCU控制電磁機構能簡化斷路器的機械控制機構；通過對流過斷路器的電流采集，有利于過載選擇性延時、短路短延時和短路瞬時保護[5]，簡化過載保護的機械機構，便于模塊化設計和裝配，同時嵌入式控制技術能很好的實現數據的采集、傳輸和利用，并實現無線組網功能，作為智能電網的控制節點；同時嵌入式系統升級簡單，因此，將嵌入式技術應用于斷路器能實現智能斷路器升級換代同步進行，產品具有較長的生命周期。

4 基于嵌入式技術的智能斷路器解決方案

將嵌入式控制技術應用于斷路器的研究，能較好的實現低壓斷路器分、合閘的遠程控制，低壓斷路器的遠距離通信、組網，具有選擇性延時分斷控制和區域選擇性聯瑣保護[6]，區域電網故障診斷，電功率、電壓電流、用電時間等數據統計。圖1給出了一種基于嵌入式控制芯片的智能斷路器方案示意圖。

圖1 基于嵌入式控制芯片的智能斷路器方案

圖1中，主線路的開關單元由常開觸頭和電磁控制機構組成或電動機構組成，當開關單元的電磁線圈得電，常開觸頭閉合，失電，開關斷開，從而控制主線路上的負載通斷電；開關單元中的電磁線圈由MCU通過控制電路控制得電失電，控制電路可以是繼電器控制電路或可控硅電路，該控制電路的作用主要是驅動開關單元的電磁線圈。在該方案中，通過紅外進行遙控控制，同時通過WiFi實現遠程控制。方案中，對電流、電壓的采集可以通過電能計量單元獲取，參數檢測的方式可以是接觸式或非接觸式，采集數據由電能計量單元經過處理和計算再通過光耦送給MCU，MCU進行數據處理、判斷控制開關單元，可以實現過載、短路等保護控制，同時將用電參數，通過WiFi將數據傳送給服務器，管理部門或用電部門實現對該區域配電等進行實時管理，圖1中，非隔離電源主要給電參數采集部分供電，隔離電源主要對MCU、光耦、數據傳輸通道和控制驅動電路供電。該系統的軟件工作流程如下圖所示。

圖2 基于嵌入式控制技術的智能斷路器工作流程

5 結語

本文從低壓斷路器的發展過程著手，詳細分析了國內外低壓斷路器的技術特點，并得出目前低壓斷路器發展的方向和急需解決的關鍵技術，將嵌入式可控制技術、網絡技術應用于現代斷路器的研究中，并給出智能低壓斷路器的一種具體解決方案，經過原型機的研制，能較好的實現傳統斷路器的基本功能，同時實現通信和遠程控制等控制功能。