智能低压断路器开题报告

中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题低压断路器智能化设计2012年3月8日一、选题的背景与意义低压断路器又称自动开关，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。但是随着电力技术的高速发展和供电规模的日益扩大，系统的网络结构和运行方式日趋复杂，对电源的可靠性、安全性及供电质量也提出了更高的要求，相应地对系统设备的操作简便性和安全性以及可靠性也提出了新的要求。低压断路器作为电力供配电系统中广泛使用的主要控制电器，除了要能正常分合相关系统额定电流外，还要在相关系统故障时能快速有选择性地可靠分断相关系统短路故障电流，且不能出现越级跳闸或拒动现象。特别是随着电力系统控制方式数字化进程的发展应用以及电力系统综合自动化的广泛应用，对系统可视化、自动化、网络化、实时化、精确化的要求越来越高，相应地对应用面积广、网络结果复杂、操作较频繁、故障率高的低压断路器也就提出了更高的要求，传统断路器根本无法满足现代电力系统综合自动化的需要。智能化技术的应用于是成了低压断路器的一个重要发展应用方向，所以对于低压断路器的智能化研究越来越有必要。智能化断路器中智能化技术的应用核心是保护、测量、监控于一体的多功能脱扣器，它主要由微处理器单元、信号检测采集单元、开关量输入单元、显示和键盘单元、执行输出单元、通信接口、电源等几部分组成。该次设计主要以MSP430F147微控制器为核心控制单元的优化方案展开，采用带增益可调和反混叠滤波器的电流信号调理电路设计，电源电路采用带滞回特性的并联稳压电路设计，微控制器监测系统和时钟系统及低功耗的电路设计。正是由于满足上述设计理念，因此，与传统智能控制器的电路相比，具有电路设计简单、可靠修炼果高、抗电磁兼容性强等优点。二、研究内容和拟解决的主要问题为了实现反时限保护，必须进行电流采样，再进行电流的显示与计算，这样能更好的实现反时限保护。所以主要的研究方向是如何进行电流采样、电流的显示与计算，还有就是在前两个基础上设计反时限保护，过载反时限保护采用MCU控制，短路、缺相采用硬件直接控制以缩短断路时间。为此我们要设计电流采样电流，还要对采样的电流现实与计算。对于上述的要求。研究的内容包括：1.查阅有关低压智能断路器方面的资料，了解国内外低压智能断路器设计的状况以及未来的发展趋势。理解智能低压断路器的基本原理、组成和特点。2.反时限保护：过载长延时、短路短延时、短路瞬时；3.漏电保护；4.显示电流有效值，保护状态；5.各种参数可进行调节；6.能消除输入信号中的高次偕波，避免误动作；7.带通讯功能。研究目标：通过对低压断路器智能化的设计与研究，对该设计有一个深刻的认识与理解，完成上述的设计要求和内容。三、技术路线、研究方案和可行性分析1.智能断路器控制部分设计方案三相四线输入电流经电流互感器获取电流信号，经电流处理部分将电流信号转变为0-3.3V的电压信号输入到AD，单片机进行信号处理，根据电流大小设定延时时间，显示电流有效值，整定电流等电参数，同时这些参数通过串行口发送到上位机。一旦负载过电流超过设定的时间，单片输出控制信号到脱扣器部分，使断路器断开（如图1）。三相电流信号采集漏电流信号采集信号处理ADMCU处理液晶显示串行通讯脱扣器电路及脱扣器图1智能断路器控制器框图2.电路互感器电流互感器原理是依据电磁感应原理的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。它的一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的2次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。3.断路器保护断路器的保护特性主要是指断路器对电流的保护特性，一般用各种过电流情况和断路器动作时间的关系曲线来表示，如图4是断路器三段电流保护特性曲线。abcdfe过载长延时短路延时（反时限）短路延时（定延时）瞬时动作断路器的动作时间T(S)I(A)图4断路器电流保护特性曲线在图4中，ab段是过载长延时部分，具有过载电流越大，动作时间越短的反时限特性；cd，de段为短路延时部分，其中属于定时限动作，就是当电流达到一定值时，经过一段设定好的延时后再动作；cd属于反时限特性，随着电流越大动作时间越短；fg段为瞬时动作部分，当故障电流达到规定时，马上动作，切断故障电路。由于定时限特性具有计算和调试方便等优点，所以得到了广泛的应用。反时限特性的优点是：反时限特性和电流的大小有关，当电流越大时动作时间，动作时间越短，在电流小时动作时间长。因此在电源附近的线路上发生短路时可以较快地切除故障，在远端短路时动作时间变长，所以一般情况下反时限保护可以用较短的平均动作时间切除短路故障。本文所研究的主要保护就是反时限保护。过流反时限保护：反时限过电流保护的动作时间是一个变数，随短路电流大小而变，短路电流大，动作时间快，短路电流小，动作时间慢，表现为反时限特性。就是说继电保护的动作时间与短路电流大小有关，成反比例关系。与反时限保护相对应的是定时限保护,定时限保护的动作时间与故障电流无关，是一定的。本设计中反时限保护包括过载长延时保护、短路短延时保护、短路瞬时保护。4.电源电路为了降低电源电路的工作功耗和工作温升，电源电路采用带滞回特性的并联稳压电路设计，如图2所示。图2中，包括电压检测及控制单元、调整管IRLR024N、TVS管633/24A、滤波电容C4、C5和隔离二极管D7(1N4007)。当电压检测及控制单元通过分压电阻R、R和电容C：检测当前的输出电压Udd(DC18V)值高于或低于预设值时，由带滞回特性的电压检测器HT7050控制调整管IRLR024N的导通或闭合，使输出电压Udd更加稳定。图2稳压电源5.采样电路信号检测采集单元作为智能化断路器十分重要的组成部分,要求有高的转换精度、灵敏度、可靠性、频率响应、测量范围以及抗干扰能力,以便微处理单元能够作出精确的判断处理。因此,信号检测采集单元将保护信号和测量信号分别取自不同类型的电流互感器,以满足保护和测量的要求。在测量大电流（短路电流）时基本上都采用线性度好、精确度高的空心电流互感器进行保护信号的检测；而小电流及电参数的检测则采用铁芯互感器；测量和保护用的电压信号则由电压互感器获得。上述信号经过信号处理电路后,便能将主回路中的电压及电流信号线性的转换为数字电路和单片机可处理的电平信号,经单片机分析判断后发出信号或控制断路器的动作。要对断路器的工作状态进行实时监测，就必须对外电路的电流信号进行采集。本设计中的采样电路如图3所示。图3采样电路6.放大电路由于在信号采集电路中采集出来的信号非常的小（几十毫伏左右），所以要把该信号经过放大电路的放大以后才能进行A/D转化，这样就需要一个放大电路来实现。通过放大电路将采集过来的小信号放大成稍大的信号进入单片机中进行处理，放大电路放大电路由四个相同的小放大电路组成，使用的芯片是LM224D放大芯片。图3放大电路图中LM224D是由四个小的反向比例放大电路组合，反向比例的公式是（式1）：ifuRRu10（式1）可行性分析低压断路器是低压配电系统中的重要电器件,用来对电动机、变压器和电缆等设备进行过载、短路和接地故障等保护。微处理器引入断路器,对三相电流信号和漏电流信号的处理，来对断路器后面的动作控制。通过传感技术、控制通讯技术、电力电子技术等结合,一方面可以在同一台断路器上实现多种功能,使单一的动作特性有可能做到一种保护功能多种动作特性,另一方面可使断路器实现与中央控制计算机双向通讯,构成智能化的监控、保护、信息网络系统,使断路器从基本保护功能发展到智能化的保护功能，因此智能化在断路器应用是可行的。四、实施计划第一周至第二周开题第三周至第五周查阅资料，对智能断路器及设计的各个问题深入研究第六周中期检查第七周至第八周实现设计中所要求的实物及要求第九周期末验收，进行毕业论文撰写第十周至十四周编写资料形成毕业设计全部文件，交指导老师审查修改，准备答辩第十五周毕业答辩五、主要参考文献[1]李国朝，韩九强，吴彩玲.一种新型智能脱扣器的设计及实现[J].计算机测量与控制，2007，15（3）.[2]梅雪吴为麟.一种新型的智能脱扣器[J].机电工程，2003,20（4）.[3]社太行，何莉莉，徐东彬，刘佳.智能化断路器的软硬件设计与实现[J].电气时代，2006，（3）.[4]夏天伟，任继武，李海波.智能脱扣器的研究[J].电工技术杂志，2001，（4）.[5]刘剑，王安。基于MSP430F149单片机的智能脱扣器设计[J].测控技术，2006,25（2）.[6]陈培国，王立权.新一代DW450-1600智能型低压万能式断路器[J].低压断路器，2005（1）：8~14.[7]葛耀中，赵梦华，彭鹏，等.微机式自适应馈线保护装置[J].电力系统自动化，1999.，23（3）：19~22.[8]葛耀中.微机式自适应电压速断保护的研究[J].继电器，2001,29（1）：5~9.[9]黄绍平，秦祖泽.智能化电器的RS-485通信设计[J].北低压电器，2003（3）1.[10]黄绍平，秦祖泽.智能化电器的设计[J].电力系统自动化。2003，26（23）1.[11]陈培国.低压断路器保护特性的智能化和多样化[J].低压电器，1993（6）：7-10.[12]陈秀光，袁玉鹏.智能型低压断路器现场总线系统设计[J].江苏电器，2005（4）：8-11.[13]王刘芳，史有强等．高压断路器动作时间的体外榆测[J]．高压电器．2006(5)：21—23.[14]胡晓光，王芳．高压断路器机械状态在线监测系统研究[J].电工技术，2003(1)：25—28．[15]常广，工毅．高压断路器机械状态在线监洲装置的研究[J]．高压电器．2003，39(2)：44—46．[16]SenguptaA，PalTK.Oncomparingintervalnumbers[J].EuropeanJournalofOperationalResearch，2000，127：28-43.[17]LowKH，VidyasagarMA.Lagranginformulatioofthedynamicmodelforflexiblemanipulatorsystems[J].ASME,JoumalofDy-namicSystemModelingandControl,1988,110(1):175~181.[18]ChoisB,LeeHB,CheongCC.Compliantcontrolofjointconstrainedflexiblemanipulator[J].ProeofACC,1995,18(1):166~173.