断路器智能化保护技术的研究

河北工业大学硕士学位论文断路器智能化保护技术的研究姓名：吴烈申请学位级别：硕士专业：电机与电器指导教师：李奎20071101河北工业大学硕士学位论文1断路器智能化保护技术的研究摘要本文介绍低压断路器智能型控制器的研制，开发了面向电动机保护的断路器的智能控制单元。主要目的是实现低压断路器的过载长延时反时限、短路短延时反时限、短路短延时定时限和短路瞬断的保护、远程控制和集中管理，其内容为低压断路器智能控制单元的软硬件设计及其上位机系统的开发。本文首先论述了装置的硬件框架结构，确定单片机及其外围功能单元的设计原理，通过系统的硬件和软件综合设计，实现了对断路器的智能控制，对于电力系统中短路、过载、接地等故障实现智能控制，实时显示线路运行时电流或故障信息。详细论述了智能控制器主要功能模块的工作原理和设计方案，对装置的各种测量、保护算法以及实现方法进行详细的论述。该控制器单元以PIC18F2510单片机为核心处理器，主要进行数据实时采集处理和断路器的故障保护，以实现断路器的自动控制。智能控制器的软硬设计均采用模块化和开放性的设计方法:硬件电路尽量选择标准化、模块化的串行芯片，而且留有余地，以备扩展；软件采用层次化和多任务的设计思想，有效地提高了软件系统的灵活性和可移植性。昀后本文就研制的装置在硬件上和软件上所采取的各种抗干扰措施进行了具体说明。关键词:断路器，智能控制器，过载保护断路器智能化保护技术的研究2TheRESEARCHOFINTELLIGENTPROTECTIONOFCIRCUITBREAKERABSTRACTThispaperintroducestheresearchoftheintelligentcontrollerofthelow-voltagecircuitbreakerswhichtaketheroleofinfrequentturn-onorturn-offandinfrequentmotorstart-up.Theimportantpurposeoftheresearchistoachievetheintelligentprotection(whichincludeoverloadlong-delayinversetimedelay,short-delayinversetimedelay,short-delaydefinitetimedelay,short-circuitinstantaneous)、remotecontrolandcentralizemanageofthelow-voltagecircuitbreakers.Thecontentofthispaperistodesignofthehardwareandthesoftwareoftheintelligentcontroller.Firstlytheframeoftheequipmentdiscussedisinthepaper.Throughthedesignofthehardwareandthesoftwareofsingle-chipcomputesystem，theintelligentcontrollerofthecircuitbreaker，theintelligentprotectionoftheshortcircuit，theoverloadandthecontacttoeartharerealized.Thereal-timecurrentandinformationoffaultscanbeshown.Weintroducethetheoryandthedesignofthemoduleconcretely.Thearithmeticofthemeasureandtheprotectionisrepresentedindetailinthispaper.TheintelligentcontrollerisbasedonthePIC18F2510processortosampleandprocessthesignal，andthentohandlethefaultsofthecircuitifthereareanytoachievethecircuitbreaker’sself-control.Thedesignofthehardwareandsoftwareareallmodularizedandopened.Thedesignofthesoftwareadoptedthewayofsequentialandmulti-tasktoimprovetheflexibilityandtransplantofthesystem.Theexperimentsindicatethattheintelligentcontrollerweworkedoutbasicallyreachedourexpectation.Itisreferenceforfurtherdesignoftheintelligentcontroller.KEYWORDS:circuitbreaker,intelligentcontroller,protectionforoverload河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1课题的研究背景工业的发展对配电系统的要求越来越高。低压断路器作为一种量大面广的配电电器，是低压配电系统中的重要电器元件，在配电和保护线路中起着重要的作用。其作用是分配电能和保护电气配电网络和工业设备免受短路、过载、欠电压和接地故障电流的破坏。正因为如此，断路器广泛应用于配电系统、电力输送系统及用电设备等，如各类电站、变电站、车载系统(包括空调机车、电力抢修车)、船用系统等等。近几年，随着电力系统和配电自动化的不断发展，电力系统保护装置经历了电磁式保护、晶体管保护和微机保护。电磁式保护装置是基于电磁和电磁感应原理的有接点继电器组成，具有原理简单、价格便宜等优点，但能耗高、动作速度慢、抗震性差，可靠性和灵敏度难以得到保障。而晶体管保护装置虽然具有体积小、重量轻、消耗功率小、灵敏度高、动作迅速、不怕震动、无磨损等一系列优点，但是晶体管保护装置也有抗干扰能力差、装置本身的性能不是很稳定等明显的缺点。随着用电系统的规模和等级不断扩大，系统的网络结构和运行方式日趋复杂，传统的控制器已越来越难满足系统的可靠性、准确性和实时性的要求。随着微电子技术的发展，出现了以专用集成电路为基础的电子式控制电器。这种控制电器较电磁式控制电器具有功耗低、重量轻、体积小等优点，易于构成较复杂的保护装置，但其抗干扰能力差，电子元件的质量，焊接的效果将直接影响到装置的动作特性和可靠性。这两种控制电器，如元件发生损坏，则无法进行自诊断，可能引起误动作，造成故障扩大和升级，致使供电中断和设备损坏，给系统和用户造成极大的危害。当前，在低压配电系统中，断路器(俗称自动开关)的保护功能昀为完善。它不仅能在正常工作情况下接通或断开负载电流，而且允许在不正常情况下(过载、短路、欠电压等)自动切断电路，从而保护用电设备和电缆等；故障排除后，可迅速恢复供电。断路器可以就地操作，还可以远距离操作，且安全、方便。近年来推出的智能型断路器，具有智能化保护功能，选择性保护精确，能提高供电可靠性，避免不必要的停电，可实现配电自动化。由于以上诸多优点，因而在低压电器装置中获得了广泛应用。我国第一代万能式断路器是二十世纪50年代的仿苏联A15、A2050的DW1、DW2和改进后的DW0型（额定电压AC380V、额定电流200～1500A）。第二代是1958年自行设计的在DW0基础上更新的DW10系列（同时代的还有DW5系列），其额定电压为AC380V，DC440V，额定电流200～4000A。第三代是70年代末开发、80年代投放市场的DW15和DWX15（限流型），其额定电压有AC380V、660V、1140V，额定电流200～4000A；80年代初、中期，我国相继从日本和德国引进AH和ME型的万能式断路器。第四代是90年代中研制成功并投产的DW45型智能型万能式断路器。20世纪50年代，我国首次研制投产的塑料外壳式断路器是仿苏（A3100）的DZ1系列塑壳式断路器（40年代中期水平）。60年代末期，针对DZ1体积过大，短路分断能力偏小等缺陷，行业集中了几个主要厂家，对它进行了大刀阔斧的改进，形成了我国自行设计的第一代产品DZ10系列。80年代初又开发了第二代的DZ20系列产品；与此同时，上海华通开关厂、嘉兴电气控制设备厂分别从美国西屋断路器智能化保护技术的研究2（Westinghouse）电气公司和日本寺崎电气公司引进具有80年代初水平的技术，生产了H系列和TO、TG、TL等系列。进入90年代，又推出了CM1系列（常熟开关厂）、TM30系列（天津低压电器公司）、JXM2系列（嘉兴电气控制设备厂）、HSM1系列（杭州之江开关厂）、S系列（上海电器科学研究所、杭州之江开关厂、上海华通开关厂等组成的OTT集团）；1994～1995年，上海电器科学研究所与喜兴电气控制设备厂共同开发了DZ35系列电动机保护型塑壳式断路器（型号为DZ35-25和DZ35-63两种）。短路分断能力：DZ35-25为380V，3kA、35kA、50kA（后两种加装限流部件），DZ35-63为380V，3kA；DZ35-25的体积为DZ5-20的43.13%，DZ35-63的体积为DZ15-63的50.7%。DZ35系列断路器带有模块式的辅助触点、分励脱扣器、欠电压脱扣器和断相保护等附件。目前，智能化已是低压断路器的一个重要发展方向。智能型断路器的“大脑”，即断路器内的智能控制器，采用微处理器为核心，具有显示、三段保护、试验、负载监控、故障诊断等功能。为了满足市场需求及提高产品竞争力，要求我们设计出性能优良、价格合理、保护功能完善的智能化控制器。因此，本文所设计具有重要的现实意义和实用价值。§1-2当前国内外发展现状传统的断路器，其检测和保护功能是利用了某些物理效应，多由机械系统的动作和电磁元件来完成。因而其体积较大，动作时间长，保护精度低，整定困难，效果也不够理想。随着社会的发展，技术的进步，人们对供电系统的自动化程度要求越来越高，传统断路器的功能已不能满足供电系统自动化的需要。为了防止用电设备发生故障时影响整个供电线路，以及在供电网络出现异常时损坏用电设备，因此，就要求断路器具有自动化、智能化、模块化，更可靠和具有更多保护功能。微型计算机技术的发展为断路器的智能化提供了条件。近年来不断推出的智能型断路器，各项性能良好好，且可实现配电自动化。它不仅能够提供普通断路器的各种保护功能，还具有传统断路器无法比拟的特点：控制信号准确可靠、实时显示电路中的各种参数(电流、电压、功率、功率因数等)、随时设定动作电流和动作时间、存储故障信息、预报警、联网通信等。由于以上诸多优点，因而在低压电器装置中获得了广泛应用。美国早在20世纪60年代初就推出了半导体脱扣器，但其可靠性不很高。目前国外生产的断路器，除小容量的外，都装有智能型控制器(也称脱扣器)。如法国MG公司的M系列断路器、ABB公司的F系列断路器、西门子公司的3WE系列断路器、德国AEG公司的ME系列断路器，以及美国GE公司、日本三菱电机的AE系列断路器和寺崎电气公司的AH系列断路器等。随着技术不断进步，发达国家产品也不断更新换代。80年代末期，以法国MG公司为代表的国外低压电器生产商推出了不带电磁脱扣器的电子式过电流脱扣器，采用了微机控制技术，摆脱了电磁脱扣器的束缚，加上其它一些辅助功能，如电流表、电压表、故障报警、自诊断的应用。90年代初，美国通用电气公司推出了带数字化固态脱扣器的PowerBreaker系列塑壳断路器。AEG公司开发ME-07系列代替ME系列；西门子推出3WN6系列代替3WE系列，其经济技术指标和保护特性均提高了一大步。我国自六十年代起，开发生产了DW10系列万能式断路器。它的优点是结构简单，使用方便，便于维修；缺点是短路分断能力低，保护性能差，只有瞬时动作，难以满足