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剩余电流自动重合闸塑壳断路器创新设计(电力)

 剩余电流自动重合闸塑壳断路器创新设计(电力

 

(新驰电气有限公司,浙江省乐清市325601

摘要:介绍新驰电气有限公司SCBR62系列剩余电流自动重合闸塑壳断路器的工作原理,并描述该系列断路器创新设计要点:采用带隔离功能的控制器强行将主电路和控制器电路完全接通和断开:采用旋转拉动及齿轮抱死的电动操作机构,确保电机转动轴受力更加均匀;采用超低功耗、16位精简指令系统( RISC)的微控制器MSP430F147为核心器件,构建一个低功耗、高性能的测控系统。

关键词:断路器;自动重合闸;剩余电流;隔离

功能;创新设计;安全可靠;操作机构;微控制器

 中图分类号:TM561     doi:   10. 3969 /j. issn. 1003 - 8493. 2016. 06. 011

0  引言

    在低压配电系统中,剩余电流断路器是防止电击事故、防止线路或设备接地故障引起火灾事故的有效措施。传统剩余电流断路器只具有剩余电流保护功能,不带自动重合闸功能,因此不管是对用电用户还是对用电管理部门来说,维护和管理都是非常麻烦的事情。

    新驰电气有限公司快速响应新的市场需求,着眼于提高产品的可靠性,采用创新的设计理念,自主研发了SCBR62系列剩余电流自动重合闸塑壳断路器,该系列断路器在实现操作的简易性,使用的可靠性、安全性和速动性方面的优势明显。

1  剩余电流自动重合闸塑壳断路器的工作原理

    SCBR62系列断路器在供配电系统中的主要作用是对线路中的过载、短路、剩余电流、缺相、“断零”和欠过压等故障进行检测和保护。采用以微控制器(MCU)为核心控制单元,通过检测线路中的电流、电压和剩余电流信号,完成监测和控制断路器的工作。原理如图1所示,采用电流互感器和零序电流互感器检测主回路的电流和剩余电流信号,通过智能控制器完成有效的计算和逻辑信号控制。当控制器监测到电流、电压和剩余电流异常后,在规定的时间内命令磁通变换器迫使断路器脱扣;在电压和剩余电流恢复正常时,在规定时间内由电机控制断路器重合闸。该控制器包括整流电路、电流信号调理电路、电压信号调理电路、剩余电流信号调理电路、电源电路、微控制器(MCU)、脱扣和电机控制电路、MCU所需电路、通讯电路和人机操作界面电路。

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2  剩余电流自动重合闸塑壳断路器的创新设计

    经过大量的市场调研、样机对比,以及摸底试验和技术难点的攻关,SCBR62系列剩余电流自动重合闸塑壳断路器具有以下创新设计要点:带隔离功能的控制器强行将主电路和控制器电路完全接通和断开,有效提高断路器安装及维修时的安全性和简易性:旋转拉动及齿轮抱死的电动操作机构,确保电机转动轴受力更加均匀,可靠性高;采用超低功耗、16位精简指令系统( RISC)的微控制MSP430F147为核心器件,构建一个低功耗、高性能的测控系统。

2.1  控制器强行接通和断开装置设计

    传统剩余电流自动重合闸塑壳断路器的控制器强行接通和断开装置采用船型开关或自锁开关设计。其缺陷:装有剩余电流自动重合闸塑壳断路器的成套柜,在验收介电试验时,需拆除断路器或断开此部分电路,导致验收非常不方便;同时船型开关或自锁开关只是接通和断开控制器的一部分电路(只控制MCU供电电源的接通和断开),导致在断路器安装和维修时安全性降低。

    SCBR62系列断路器采用带隔离功能的控制器强行接通和断开装置,同时将主电源直接通过控制器强行接通和断开装置连接控制器电路,大大提高了断路器安装和维修时的安全性。如图2所示,该装置包括底座、盖子、手柄,手柄暗装在底座和盖子之间,底座与滑块之间设有弹簧,控制滑块在底座上平行滑动,其滑块中插有出线端接线片,底座中固定有进线端接线片,通过滑块的运动完成隔离功能的接通和断开。当断路器进行介电试验时,将控制器强行接通和断开装置的手柄掰到断开位置,隔离并断开主电源和控制器电路,可以方便进行介电试验;掰动手柄到接通位置,主电路和控制器电路可靠接通。

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2.2  电动操作机构设计

    传统剩余电流自动重合闸塑壳断路器的电动操作机构普遍采用旋转拉动及弹簧抱死结构设计,其缺陷:曲柄连杆机构转动时受力不均匀,导致电机转动轴及齿轮损坏,同时抱死弹簧容易断或变形损坏,导致其可靠性降低;齿轮齿条结构设计虽然推拉力大,但结构设计复杂、机构容易卡死,导致其可靠性降低。为解决上述设计缺陷,电动操作机构采用旋转拉动及齿轮抱死结构设计,如图3所示,包括:手柄、连杆、手动推杆、曲柄、弹片、棘爪、棘轮和电机。电机旋转操作时,由电机转动轴带动棘轮旋转,然后由棘轮的旋转带动棘爪的旋转构成齿轮抱死,再带动曲柄作旋转圆周运动,使连杆前后运动来操作断路器的手柄,实现分闸、合闸和再扣等动作;手动操作时,顺时针旋转由弹片限位柄解除棘轮、棘爪的齿轮抱死,实现手动可靠合闸,逆时针旋转时由棘爪、棘轮构成齿轮抱死,防止手动逆时针旋转对机构的损坏。

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    通过上述创新设计的电动操作机构,不但能有效解决传统旋转拉动及弹簧抱死结构由于曲柄连杆机构转动时受力不均匀导致电机损坏和抱死弹簧容易断或变形损坏的缺陷,而且也能有效解决齿轮齿条由于结构设计复杂而导致机构容易卡死的缺陷,大大提高断路器的可靠

性,更加符合客户的实际需求。

2.3微控制器电路设计

    为满足剩余电流自动重合闸塑壳断路器速动性、可靠性和安全性的基本要求。本系统选用超低功耗的16位精简指令系统(RISC)的微控制器MSP430F147作为核心器件,构建一个低功耗、高性能的测控系统。其中MSP430F147微控制器系统结构如图4所示。该器件和其所需电路配合使用,具有以下特点:

    a.  快速复位电路和低功耗:在3.3 V@1 MHz全速运行模式下仅有400剩余电流自动重合闸塑壳断路器创新设计(电力)2392.pngA的电流消耗。加上微控制器独有的超快速复位能力(50剩余电流自动重合闸塑壳断路器创新设计(电力)2392.pngs),保障系统能在上电后的35 ms内投入正常运行。这两大特性确保断路器在电路故障状态合闸时迅速启动保护功能,从而最大限度地保障配电系统的安全。经实际测试,本系统电路能在通电的第一个周波内建立起稳定的工作电压,系统从通电到投入正常工作的时间不超过6 ms

    b.  微控制器内嵌8通道12位模数转换器(ADC),简化了采样通道信号调理电路的设计,尤其是该ADC的自动扫描(Auto-Scan)模式能实现严格意义上的等周期采样,从而保证现有数字信号处理理论的有效性。

    c.微控制器配备双时钟系统,确保在系统主时钟失效情况下立即启动备用时钟,使得整个系统的可靠性和安全性大大提高。

    d.微控制器内嵌的Flash存储器使整个系统避免使用外部存储器,从而极大地降低了数据存储的误码率,提升了系统的可靠性、安全性。

    e.微控制器配置两套监控系统,以两个不同的周期监控微控制器的运行状态,一个采用计数驱动方式,另一个采用边沿触发驱动方式,能有效保障微控制器的正常工作,更加符合抗电磁兼容的设计要求。

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3结语

    经试验和实际应用证明SCBR62系列剩余电流自动重合闸塑壳断路器的设计,更加符合实际工作需求,具有以下创新设计:

    a.采用带隔离功能的控制器强行将控制器电路和主电路完全接通和断开,有效提高剩余电流自动重合闸塑壳断路器安装及维修时的安全性和简易性。

    b.采用旋转拉动及齿轮抱死的电动操作机构,确保电机转动轴受力更加均匀,棘轮、棘爪构成的齿轮抱死设计大大提高剩余电流自动重合闸塑壳断路器的可靠性。

    c.采用超低功耗、16位精简指令系统(RISC)的微控制器MSP430F147为核心器件,其各配备两套监测系统和时钟系统,构建一个低功耗高性能的测控系统,更加符合剩余电流自动重合闸塑壳断路器的可靠性、安全性和速动性的基本要求。

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