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 剩余電流自動(dòng)重合閘塑殼斷路器創(chuàng)新設(shè)計(jì)(電力）

劉  權(quán)

（新馳電氣有限公司，浙江省樂清市325601）

摘要：介紹新馳電氣有限公司SCBR62系列剩余電流自動(dòng)重合閘塑殼斷路器的工作原理，并描述該系列斷路器創(chuàng)新設(shè)計(jì)要點(diǎn)：采用帶隔離功能的控制器強(qiáng)行將主電路和控制器電路完全接通和斷開：采用旋轉(zhuǎn)拉動(dòng)及齒輪抱死的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，確保電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸受力更加均勻；采用超低功耗、16位精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)( RISC)的微控制器MSP430F147為核心器件，構(gòu)建一個(gè)低功耗、高性能的測(cè)控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：斷路器；自動(dòng)重合閘；剩余電流；隔離

功能；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；安全可靠；操作機(jī)構(gòu)；微控制器

 中圖分類號(hào)：TM561     doi:   10. 3969 /j. issn. 1003 - 8493. 2016. 06. 011

0  引言

    在低壓配電系統(tǒng)中，剩余電流斷路器是防止電擊事故、防止線路或設(shè)備接地故障引起火災(zāi)事故的有效措施。傳統(tǒng)剩余電流斷路器只具有剩余電流保護(hù)功能，不帶自動(dòng)重合閘功能，因此不管是對(duì)用電用戶還是對(duì)用電管理部門來說，維護(hù)和管理都是非常麻煩的事情。

    新馳電氣有限公司快速響應(yīng)新的市場(chǎng)需求，著眼于提高產(chǎn)品的可靠性，采用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念，自主研發(fā)了SCBR62系列剩余電流自動(dòng)重合閘塑殼斷路器，該系列斷路器在實(shí)現(xiàn)操作的簡(jiǎn)易性，使用的可靠性、安全性和速動(dòng)性方面的優(yōu)勢(shì)明顯。

1  剩余電流自動(dòng)重合閘塑殼斷路器的工作原理

    SCBR62系列斷路器在供配電系統(tǒng)中的主要作用是對(duì)線路中的過載、短路、剩余電流、缺相、“斷零”和欠過壓等故障進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)。采用以微控制器(MCU)為核心控制單元，通過檢測(cè)線路中的電流、電壓和剩余電流信號(hào)，完成監(jiān)測(cè)和控制斷路器的工作。原理如圖1所示，采用電流互感器和零序電流互感器檢測(cè)主回路的電流和剩余電流信號(hào)，通過智能控制器完成有效的計(jì)算和邏輯信號(hào)控制。當(dāng)控制器監(jiān)測(cè)到電流、電壓和剩余電流異常后，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)命令磁通變換器迫使斷路器脫扣；在電壓和剩余電流恢復(fù)正常時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)由電機(jī)控制斷路器重合閘。該控制器包括整流電路、電流信號(hào)調(diào)理電路、電壓信號(hào)調(diào)理電路、剩余電流信號(hào)調(diào)理電路、電源電路、微控制器(MCU)、脫扣和電機(jī)控制電路、MCU所需電路、通訊電路和人機(jī)操作界面電路。

2  剩余電流自動(dòng)重合閘塑殼斷路器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

    經(jīng)過大量的市場(chǎng)調(diào)研、樣機(jī)對(duì)比，以及摸底試驗(yàn)和技術(shù)難點(diǎn)的攻關(guān)，SCBR62系列剩余電流自動(dòng)重合閘塑殼斷路器具有以下創(chuàng)新設(shè)計(jì)要點(diǎn)：帶隔離功能的控制器強(qiáng)行將主電路和控制器電路完全接通和斷開，有效提高斷路器安裝及維修時(shí)的安全性和簡(jiǎn)易性：旋轉(zhuǎn)拉動(dòng)及齒輪抱死的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，確保電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸受力更加均勻，可靠性高；采用超低功耗、16位精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)( RISC)的微控制MSP430F147為核心器件，構(gòu)建一個(gè)低功耗、高性能的測(cè)控系統(tǒng)。

2.1  控制器強(qiáng)行接通和斷開裝置設(shè)計(jì)

    傳統(tǒng)剩余電流自動(dòng)重合閘塑殼斷路器的控制器強(qiáng)行接通和斷開裝置采用船型開關(guān)或自鎖開關(guān)設(shè)計(jì)。其缺陷：裝有剩余電流自動(dòng)重合閘塑殼斷路器的成套柜，在驗(yàn)收介電試驗(yàn)時(shí)，需拆除斷路器或斷開此部分電路，導(dǎo)致驗(yàn)收非常不方便；同時(shí)船型開關(guān)或自鎖開關(guān)只是接通和斷開控制器的一部分電路（只控制MCU供電電源的接通和斷開），導(dǎo)致在斷路器安裝和維修時(shí)安全性降低。

    SCBR62系列斷路器采用帶隔離功能的控制器強(qiáng)行接通和斷開裝置，同時(shí)將主電源直接通過控制器強(qiáng)行接通和斷開裝置連接控制器電路，大大提高了斷路器安裝和維修時(shí)的安全性。如圖2所示，該裝置包括底座、蓋子、手柄，手柄暗裝在底座和蓋子之間，底座與滑塊之間設(shè)有彈簧，控制滑塊在底座上平行滑動(dòng)，其滑塊中插有出線端接線片，底座中固定有進(jìn)線端接線片，通過滑塊的運(yùn)動(dòng)完成隔離功能的接通和斷開。當(dāng)斷路器進(jìn)行介電試驗(yàn)時(shí)，將控制器強(qiáng)行接通和斷開裝置的手柄掰到斷開位置，隔離并斷開主電源和控制器電路，可以方便進(jìn)行介電試驗(yàn)；掰動(dòng)手柄到接通位置，主電路和控制器電路可靠接通。

2.2  電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

    傳統(tǒng)剩余電流自動(dòng)重合閘塑殼斷路器的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)普遍采用旋轉(zhuǎn)拉動(dòng)及彈簧抱死結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其缺陷：曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受力不均勻，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸及齒輪損壞，同時(shí)抱死彈簧容易斷或變形損壞，導(dǎo)致其可靠性降低；齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然推拉力大，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、機(jī)構(gòu)容易卡死，導(dǎo)致其可靠性降低。為解決上述設(shè)計(jì)缺陷，電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)拉動(dòng)及齒輪抱死結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示，包括：手柄、連桿、手動(dòng)推桿、曲柄、彈片、棘爪、棘輪和電機(jī)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)操作時(shí)，由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)棘輪旋轉(zhuǎn)，然后由棘輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)棘爪的旋轉(zhuǎn)構(gòu)成齒輪抱死，再帶動(dòng)曲柄作旋轉(zhuǎn)圓周運(yùn)動(dòng)，使連桿前后運(yùn)動(dòng)來操作斷路器的手柄，實(shí)現(xiàn)分閘、合閘和再扣等動(dòng)作；手動(dòng)操作時(shí)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)由彈片限位柄解除棘輪、棘爪的齒輪抱死，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)可靠合閘，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)由棘爪、棘輪構(gòu)成齒輪抱死，防止手動(dòng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)對(duì)機(jī)構(gòu)的損壞。

    通過上述創(chuàng)新設(shè)計(jì)的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，不但能有效解決傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)拉動(dòng)及彈簧抱死結(jié)構(gòu)由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受力不均勻?qū)е码姍C(jī)損壞和抱死彈簧容易斷或變形損壞的缺陷，而且也能有效解決齒輪齒條由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜而導(dǎo)致機(jī)構(gòu)容易卡死的缺陷，大大提高斷路器的可靠

性，更加符合客戶的實(shí)際需求。

2.3微控制器電路設(shè)計(jì)

    為滿足剩余電流自動(dòng)重合閘塑殼斷路器速動(dòng)性、可靠性和安全性的基本要求。本系統(tǒng)選用超低功耗的16位精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)(RISC)的微控制器MSP430F147作為核心器件，構(gòu)建一個(gè)低功耗、高性能的測(cè)控系統(tǒng)。其中MSP430F147微控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該器件和其所需電路配合使用，具有以下特點(diǎn)：

    a．  快速?gòu)?fù)位電路和低功耗：在3.3 V@1 MHz全速運(yùn)行模式下僅有400A的電流消耗。加上微控制器獨(dú)有的超快速?gòu)?fù)位能力(50s)，保障系統(tǒng)能在上電后的3—5 ms內(nèi)投入正常運(yùn)行。這兩大特性確保斷路器在電路故障狀態(tài)合閘時(shí)迅速啟動(dòng)保護(hù)功能，從而最大限度地保障配電系統(tǒng)的安全。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，本系統(tǒng)電路能在通電的第一個(gè)周波內(nèi)建立起穩(wěn)定的工作電壓，系統(tǒng)從通電到投入正常工作的時(shí)間不超過6 ms。

    b．  微控制器內(nèi)嵌8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，簡(jiǎn)化了采樣通道信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，尤其是該ADC的自動(dòng)掃描(Auto-Scan)模式能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的等周期采樣，從而保證現(xiàn)有數(shù)字信號(hào)處理理論的有效性。

    c．微控制器配備雙時(shí)鐘系統(tǒng)，確保在系統(tǒng)主時(shí)鐘失效情況下立即啟動(dòng)備用時(shí)鐘，使得整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性大大提高。

    d．微控制器內(nèi)嵌的Flash存儲(chǔ)器使整個(gè)系統(tǒng)避免使用外部存儲(chǔ)器，從而極大地降低了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的誤碼率，提升了系統(tǒng)的可靠性、安全性。

    e．微控制器配置兩套監(jiān)控系統(tǒng)，以兩個(gè)不同的周期監(jiān)控微控制器的運(yùn)行狀態(tài)，一個(gè)采用計(jì)數(shù)驅(qū)動(dòng)方式，另一個(gè)采用邊沿觸發(fā)驅(qū)動(dòng)方式，能有效保障微控制器的正常工作，更加符合抗電磁兼容的設(shè)計(jì)要求。

3結(jié)語

    經(jīng)試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用證明SCBR62系列剩余電流自動(dòng)重合閘塑殼斷路器的設(shè)計(jì)，更加符合實(shí)際工作需求，具有以下創(chuàng)新設(shè)計(jì)：

    a．采用帶隔離功能的控制器強(qiáng)行將控制器電路和主電路完全接通和斷開，有效提高剩余電流自動(dòng)重合閘塑殼斷路器安裝及維修時(shí)的安全性和簡(jiǎn)易性。

    b．采用旋轉(zhuǎn)拉動(dòng)及齒輪抱死的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，確保電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸受力更加均勻，棘輪、棘爪構(gòu)成的齒輪抱死設(shè)計(jì)大大提高剩余電流自動(dòng)重合閘塑殼斷路器的可靠性。

    c．采用超低功耗、16位精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)(RISC)的微控制器MSP430F147為核心器件，其各配備兩套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和時(shí)鐘系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)低功耗高性能的測(cè)控系統(tǒng)，更加符合剩余電流自動(dòng)重合閘塑殼斷路器的可靠性、安全性和速動(dòng)性的基本要求。