自动重合闸断路器的设计方案讨论

自动重合闸断路器的设计方案讨论苏州新宏博智能科技股份有限公司摘要：本文提出设计了一种基于微型断路器自动重合闸保护器。设计了电机驱动、实时漏电检测、负载端接地电阻和位置检测电路。本文设计的自动重合闸提高了用电系统的分断和过流能力，保准了用户供电连续性和供电的质量。本文设计的自动合闸保护器以高效可靠的自动化控制，取代了以往低效不便的人工操作。强大的智能电操可以广泛应用于智能电网、智能工业、智能安防、智能家具，并为其发展提供澎湃动力。关键词：自动重合闸；微型断路器1引言针对传统断路器需要繁琐的人工操作，新宏博精心研发出了解决此繁琐问题的全新智能电操。我公司研发的全新智能电操通过手柄带动断路器实现其分合闸操作，以高效可靠的自动化控制，取代了以往低效不便的人工操作。基于上述原因为降低维护成本及提高连续供电质量，自动重合闸装置的出现成为必然。本文设计了一种基于微型断路器的自动重合闸保护器，通过保护器驱动电机实现由微型断路器来接通与分断电流的重合闸装置。本文设计的XHB-RCAR自动重合闸保护器是通过控制MCB通断来实现接通和分断电流的自动重合闸装置，可解决因雷雨天气、电网冲击不稳定等瞬间性故障而造成开关跳闸设备停电后不能自动恢复供电问题,为设备提供稳定、可靠的电源,延长用电设备寿命,提高网络服务质量,减少网络建设投资和降低维护成本。对用户供电连续性、安全性具有重要的意义。2自动重合闸保护器的工作原理2.1工作原理图1为基于微型断路器的XHB-RCAR自动重合闸保护器的原理框图，XHB-RCAR保护器由电源电路、实时漏电检测、分合闸位置检测电路、重合前负载端接地电阻检测、微处理器、电机驱动电路、直流电机、齿轮操作执行机构、微型断路器等组成。电源电路输入端为电源进线端，采用开关电源输出直流电源12V，为微处理器、漏电采样电路、分合闸位置检测电路、合闸前接地电阻检测电路、驱动电路、直流电机供电。实时漏电采样电路输入端为零序互感器的感应电流信号，经过信号处理电路输出电压信号给微处理器。微处理器根据采集到的电压信号，判断是否超过漏电阈值。如果是则认为漏电，如果此时断路器在合闸位置，则保护器输出信号给脱扣器使断路器跳闸。如果脱扣器损坏，则有电机进行分闸。如果是实时采集到的漏电值正常，断路器并且在分闸位置，则再检测负载端与地之间的电阻值是否大于一定电阻值，此电阻值的大小反映了漏电值的大小。当接地电阻超过设定值时，认为漏电小于设定阈值，则输出给驱动电路驱动电机转动合闸断路器。图1中微型断路器可以用普通型MCB。2.2实时漏电采样电路本文采用零序电流互感器进行漏电实时采样[4]。如图2所示为漏电的采样电路，零序电流互感器副边T1,T2感应的电流通过电阻R10产生电压，经过放大滤波后输出电压信号ULeak。再将ULeak信号送入微处理器的AD采样端，微处理器的AD转换器对该电压采集信号进行采样得到漏电值。图1自动重合闸保护器的原理框图电网输入微型断路器(MCB)电网输出给负载齿轮操作执行机构直流电机开关电源驱动电路微处理器漏电采集断路器位置检测脱扣器接地电阻检测2.5VR10470R1110KR1320KR1210K657U1BLM258R141KC1100nFGNDULeakT1T2图2实时漏电采集电路2.3电机驱动电路本文采用直流电机驱动齿轮执行操作机构来进行微型断路器的分断或合闸操作。因此，本文设计了H桥驱动电路，根据微处理器的驱动信号来控制电机的正转和反转。直流电机驱动电路如图3所示。图3中，Q1,Q2为P-MOSFET管；Q3,Q4为N-MOSFET管。电路上电时，MC1,MC2,MC3,MC4均为低电平，Q3和Q4导通，Q1和Q2不导通，电机处于刹车状态。当微处理器检测到电压欠压或过压时，输出驱动控制信号使MC1为高电平，MC4为低电平，MC3为高电平，MC2为低电平，则Q1和Q4导通，Q2和Q3不导通，电机正转，通过齿轮操作机构使断路器分闸。当微处理器检测到电压正常时，输出驱动控制信号使MC1为低电平，MC4为高电平，MC3为低电平，MC2为高电平，则Q1和Q4不导通，Q2和Q3导通，电机反转，通过齿轮操作机构使断路器合闸。因此，通过图3的驱动电路可以实现电机的正反转，从而再通过齿轮传动机构实现微型断路器的分闸和合闸操作。2.4分合闸位置检测电路由于要进行断路器的分合闸操作，因此必须知道目前断路器的状态。本文采用2个小型的微型开关来实现断路器的分合位置检测。当断路器在合闸状态，通过操作机构使小型微动开关OnSwitch闭合，OffSwitch打开；当断路器在分闸状态，通过操作机构使小型微动开关OffSwitch闭合，OnSwitch打开。因此，通过对微动开关的检测能检测到断路器的状态。2.5重合前负载端接地电阻检测Q12SJ530Q22SJ530Q32SK2869Q42SK2869A-+Motor12VGNDR110KT1BC84612VGNDR210KR310KT3BC84612VGNDR410KR510KT2BC84612VGNDR610KR710KT4BC84612VGNDR810KMC1MC3MC2MC4图3直流电机驱动电路OnSwitch5VR1510KGNDC2100nFOnSignOffSwitch5VR1610KGNDC3100nFOffSign为了避免在电网存在漏电的情况下再次合闸操作造成人员的触电事故，本文设计的自动重合闸保护器具有合闸前负载端接地电阻检测功能。其原理图如图5所示[5]。当检测到接地电阻小于设定值时表示负载端的电网与地之间绝缘电阻小，存在漏电，不能重合闸。当微型断路器处于分闸位置时，开关S1闭合，进行接地电阻的测量。与CPU相连的TestV引脚输出高电平5V，通过运放U2输出11V左右的测量电压。Rx为负载与地之间的接地电阻与电阻R21并联，不同的接地电阻在EarthRes上输出不同的电压值。因此，通过CPU对EarthRes进行采样计算就可以得到接地电阻值。3结论本文研究设计的基于微型断路器的自动重合闸保护器，采用微型断路器进行电网的分断与接通，因此具有很高的分断能力和过流保护能力。以前我们通过使用断路器来提供用电安全保护，但传统断路器功能单一，不具备联网功能，跳闸后需要人工手动合闸，对断路器状态只能通过现场查看知晓。随着物联网发展进程加快，传统断路器已不能满足对用电管理的需求，无论在电力行业、通信行业、工控行业甚至是家庭用电，都希望断路器更具“智慧”，为行业发展增添动力。R20100KR1810KR1922KR1710KRxR2110K32184U2ALM258GND12VGNDTestVS1EarthRes图5负载端接地电阻测量电路