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作者:鼎力论文网 发布时间:2012-04-20 来源:http://www.lunwenwx.com 繁体版
断路器是电力系统中配电网中的主要电器之一,主要在不频繁操作的配电线路或开关柜中作为电源开关使用,实现对配电系统、输电系统和用电设备的过载、短路、接地故障以及欠压等的保护,保障供电系统的可靠性和安全性,其应用十分广泛。随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术和通信技术的飞速发展,以微处理器为核心的智能断路器以其完善的保护功能、灵活的用户接口以及独特的性能特点,正在获得日益广泛的应用。断路器的保护装置已经由传统的电磁式过流脱扣发展成采用集成电路的电子式脱扣,提高了断路器的智能化程度,其保护功能也从原来的过流保护扩展至过载、接地保护等功能。

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断路器是电力系统中配电网中的主要电器之一,主要在不频繁操作的配电线路或开关柜中作为电源开关使用,实现对配电系统、输电系统和用电设备的过载、短路、接地故障以及欠压等的保护,保障供电系统的可靠性和安全性,其应用十分广泛。随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术和通信技术的飞速发展,以微处理器为核心的智能断路器以其完善的保护功能、灵活的用户接口以及独特的性能特点,正在获得日益广泛的应用。断路器的保护装置已经由传统的电磁式过流脱扣发展成采用集成电路的电子式脱扣,提高了断路器的智能化程度,其保护功能也从原来的过流保护扩展至过载、接地保护等功能。另外还可以实时显示电网的有关参数,允许用户根据具体的情况来整定各种保护参数,具有自检功能和预警功能,同时提供网络通信接口,方便和计算机进行通信。--自动化本科毕业论文范文
 
 
 
关键词:断路器 智能 保护 通信
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
The breaker is one of most important electrical equipments in the power system,mainly in the infrequent operation of the distribution lines or as a power switch on the use of electrical power system. Protect electrical power system out of overload、short circuit and grounding fault.,to make sure the electrical power system reliability and security,the application is very extensive.with the rapid development of the power electronic and microelectronic technology,the smart breaker with the microprocessor becoming capability and flexible ,this unique performance characteristics cannot replaced by others. Th way the smart breaker's protection was already use electronic switch instead of traditional electromagnetic switch. Also something new function was included such as self-checking communication with computer and so on.
    
              
Keyword: Breaker Smart Protect Communication
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


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 1 绪论
1.1 断路器的诞生
世界上最早的断路器出现于1885年,它是一种刀开关和过电流脱扣器的组合。1905年具有自由脱扣装置的空气断路器诞生。1930年以来,随着科技的进步,电弧原理的发现和各种灭弧装置的发明,逐渐形成了目前的机构。50年代末,电子元件的兴起,又产生了电子脱扣器,到了今天,由于小型化电脑的普及,又有智能型断路器的问世。
1.2 断路器的分类
小型低压断路器,从它的结构、用途所具有的功能来分,可分为万能式(又称框架式,国际上通称ACB)们塑料外壳式(国际上通称MCCS,NICB小型)两大类,它们相同的作用是:在正常情况下,作不频繁合、分电路成起动、停止电动机;在线路或电动机发生过载、短路或欠电压(电压不足)等故障时,能自动切断电路,予以保护。根据保护对象的不同,断路器又分为四种类型:配电保护型-保护电源和电气线路(电线、电缆)和设备;电动机保护型——专作电动机的不频繁起动,运行中分断,以及在电动机发生过载、短路和欠电压时的保护;家用和类似家用场所保护型--对照明线路、家用电器等的保护; 剩余电流(漏电)保护型--用来保护人身免受电击危险及防止电气火灾的保护器。
1.3 断路器的应用
为了保证生产生活的正常进行,在配电电路、电动机或其他用电设备中一般都需要接入一个断路器,用于自动切断故障线路,以保护用点设备不会受过载、短路等影响而损坏。断路器是在电路中起通断、控制或保护等作用的电器是电器工业的重要组成部分。在机械行业中是基础配套件,在配电系统中低压成套开关设备主要由各种低压断路器元件构成,低压断路器的功能及性能对低压成套开关设备起着至关重要的作用。发电设备所发出电能的80%以上是通过低压断路器分配使用的。每增加1万kW发电设备,约需2万件左右的各类低压断路器与之配套。在工业自动化系统中,也需要由低压断路器构成的各种控制屏、控制台、控制器等产品。
1.4 断路器的发展
随着全球电力工业的飞速发展,低压电器与电气控制技术在工农业生产和人们的日常生活中应用的越来越广泛。我国小型低压断路器经历了四代发展过程:50年代,我国首次研制投产的是仿苏(A310O)的DZI系列产品(40年代中期水平)。60年代末期,针对DZI体积过大、短路分断能力偏小等缺陷,对它进行了技术改进,形成了我国自行设计的第一代产品DZI0系列。6070年代,小规格电流的塑壳断路器有DZ510DZ220DZ525DZ550DZ1550DZ1563等,它们的短路分断能力分别为13kA 60年代后期,我国第一台电流动作型电子式漏电保安器诞生(主开关是DZS20断路器)。我国首台电流动作型电磁式漏电断路器的型号是DZS—20L(主开关仍是DZS—20断路器)。70年代中后期,全国联合设计的新型(DZ15L—40xDZ15L—63)电流动作型电磁式漏电断路器试制成功,其壳架电流有40A63A两种,额定电流663A,漏电动作电流有30mA50mA75mA100mA,是快速型(漏电动作时间 ≤ 0.1s),断路器的短路分断能力为380V3hA5kA。进入80年代就有DZL16DZL18DZL118DZ12LDZL33DZL38DZ10L等,大部分是电流动作型电子(集成电路)式漏电断路器(带过载、短路保护和不带过载、短路保护),80年代初,又开发了第二代的DZ20系列。与此同时,分别从美国西屋公司、日本寺崎电气公司引进具有80年代初技术水平,生产了H系列和TOTGTL等系列。 80年代中期,又引进德国F&G公司的技术,生产了FIN型(不带过载、短路保护)(In25A40A63AI△n30mA100mA300mA500mA)和FI/LS(带过载、短路保护)(In2A4A6A10A20A25A32A等,I△n30mA50mA100mA300mA)的漏电断路器。进入90年代,引进国外先进技术,开发生产了VigiC45EIE(电子式)、VigiC45ELM(电磁式)。ViglNC100等漏电断路器,漏电动作电流I△n30mA,快速型(VigiNC100IQ。有30mA300mA500mA几种,快速动作型)。而后又推出了CMI系列、TM30系列、TG系列的BDBF型及JXMZ型、HSMI系列、S系列等新型塑壳式断路器。
1.5 本次设计任务的内容和目标
研究低压智能断路器的原理及其应用。同时结合自动控制理论,将智能化控制运用到智能断路器中,实现低压断路器的智能化控制,能通过单片机跟踪记录线路电流情况,检测触电温度,并在过载、短路、欠压以及温度过高等情况下通过单片机控制自动跳闸。
具体任务包括低压断路器的硬件设计及控制软件程序设计。其中硬件又主要包括信号采样电路设计,外围电路设计,控制芯片选择(PIC16F767)以及外观大小设计等,软件和硬件结合从而实现断路器的智能化控制。
基本目标要能实现断路器的自动跳闸,包括过载跳闸、短路跳闸、过温跳闸等,在控制的同时可按要求显示故障时间和故障参数情况。
1.5.1 本次设计提出的主要技术要点
1)统一的电能参数相关测量单元,即统一的物理总线、统一的数据传输协议。
2)运用了自主知识产权的电参数测量技术。
3)可实时的将电网的各参数,通过总线的途径实现远程、全自动、全天候、网络化的实时监测。
4)具有三相电流的三段式反时限的保护功能。
5)智能断路器运行时要求安全可靠,准确、稳定。
 
智能保护器系统概述
 
2.1 系统设计结构
1 智能断路器总体结构图
如图1所示本系统由电流互感器、信号处理电路、单片微机、信号传递回路等部分。在低压配电系统中以工业总线RS485网络实现信号的传输,数据通过总线传输到远方的上位机,上位机软件通过对数据的处理,将信号显示到上位机的界面当中,起到实时的监控和查看配电系统中的三相电流,同时可以实时的控制智能断路器的通断。
2.2 系统硬件结构

三相电    流信号bhs自动化在线网

 
单片机PIC16F767
拨码开关设定
整定
信号调制
信号解调
转换器
RS232
数据传输
下 位
上 位
图2 系统硬件结构图

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如图2所示本系统的硬件采用的是两层结构,分为上位机和下位机。下位机主要负责对电网三相电流信号取样、信号的整定及接收上位机命令和向上位机发送三相电流数据;而上位机主要是负责发送脱扣命令,及负责数据的接收和对数据的处理和显示。
2.3 系统硬件模块的选择与建立
在电力电子设计中,实现某一目的常可以有多种方式,考虑系统的精简、方便与稳定,在多方面比较之后采用了自主设计的采样回路,PIC16F767作为控制模块,具有BCD类型的拨码快关作为输入模块,NTC元件作为温度检测模块。具体功能特点在下面几节介绍。
2.3.1 控制单片机PIC16F767简介
 Microchip的中级产品PIC16F767,采用14位的RISC指令系统,该单片机具有高速的MCU和自带10位的A/D转换器,有较强的信号处理能力,满足了系统的要求。同时保持低价的前提下除了增加了 A/ D还有内部 E2PROM存储器、 比较输出、 捕捉输入、 PWM输出(加上简单的滤波电路后还可以当成D/ A输出) 、 I2C和 SPI接口、 异步串行通讯(USART)接口、 模拟电压比较器、 LCD驱动、 F LASH程序存储器等许多功能 ,可以方便地在线多次编程调试 ,特别适用于初学者学习和产品的开发阶段使用 ,其品种最丰富的系列 ,广泛应用于各种电子产品。由于该控制芯片是整个系统的核心,所以有必要在这里将其相关的一些功能做简要的介绍,PICl6F767是PICl6F7x7系列中的一种,考虑到本系统的设计要求本文主要介绍:1、PICl6F767存储器和堆栈;2、PICl6F767模/数转换器;3、PICl6F767定时器。
(1)PICl6F767存储器和堆栈
PICl6F7x7系列单片机采用的是硬件堆栈方式,其堆栈具有8层×13位的独立空间(即
8级堆栈),既不占用程序存储器和数据存储器空间,也不需要进栈和出栈之类的堆栈操作专用指令。只有当执行“调用指令call或者CPU响应中断而发生程序跳转时,才把当前程序计数器PC的值自动压人堆栈;而只有当执行“返回指令RE—TuRN、RETFIE或RETLW”时.才会从堆栈中弹出并恢复程序计数器PC原先的值。
传统概念上的RAM存储器,—般只能实现数据的读出和写入操作。而PICl6F7x7中用于存储数据的RAM比普通RAM的功能要强大的多.它除了具备普通RAM的功能之外,还能实现移传、置位、清位、位测试等一系列寄存器才能完成的复杂操作。因此。对于PICl6F7x7的RAM数据存储器,在Microchip公司的技术资料和开发软件环境中又被定义了一个别称—文件寄存器。
(2)PICl6F767模/数转换器
10位500kspsA/D转换器模块:多个采样通道,在睡眠模式下可以进行转换。10位A/D转换器模块将模拟输入信号转换为10位数字量。该模块以逐次逼近原理为基础,提供最高200KS/s的转换率。该A/D模块有11个模拟输入引脚,通过多路开关连接到采样/保持放大器,采样/保持放大器的输出送入转换器,产生A/D转换结果。该A/D转换器有一独特功能,即可通过选择RC振荡器使其在器件休眠状态下也能工作。
A/D转换过程如下:
模拟输入引脚电压的采样通过S/H放大器来实现。10位A/D转换器有余个S/H放大器通过模拟多路开关连接到模拟输入引脚。模拟输入多路开关由ADCON0、ADCON1、ADCON2寄存器控制。在ADCON0寄存器中有两组多路开关控制位,两则功能相同。这两组控制位可以允许设置两种不同的模拟输入多路开关配置。图3所示为一个A/D转换基本转换过程。

采样时间                  A/D转换时间bhs自动化在线网

 
A/D总转换时间
A/D转换完成
结果装入A/D转换结果缓冲寄存器
可选择产生中断
S/H放大器从输入端口断开并保持信号电平
A/D转换由转换触发源启动
S/H放大器连接到模拟输入引脚进行采样

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                     图3 A/D转换基本转换过程
在上图中采样时间是指A/D模块的S/H放大器连接到模块输入引脚的时间。转换时间是A/D转换器转换S/H放大器保持的电压所需的时间。采样时间和A/D转换时间之和就是总转换时间。
                  
       4 A/D转换流程图(中断方式)   图5 A/D转换流程图(查询方式)
在实践中使用PIC16F767的内置模数转换器的时候,有以下两种使用方法:如图4是用中断的方式来使用转换器,这种方式的好处是,在转换的过程中可以执行其它的相关程序,系统的实时性好;如图5是通过查询数模转换器转换完成的标志位来实现数模的转换,该方法稳定性好。
(3)PICl6F767定时器
定时器T0的核心是一个8位宽的由时钟信号上升沿触发的循环累加计数寄存器TMR0,给TMR0赋一个初值,即开始累加,当TMR0计数溢出时,其相应中断标志会置1,可以申请中断。本次设计把T0作为数码管的刷新显示之用。
定时器T1的核心是一个16位宽的由时钟信号上升沿触发的循环累加计数寄存器TMR1,给TMR1赋一个初值,再开通T1计数,即开始累加,当TMR1计数溢出时,会其相应中断标志会置1,可以向CPU申请中断。
定时器T2总体上和T1类似,但在具体功能上还是有点差别,将不做介绍。
MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。采用单一电源+5 V工作,额定电流为300 μA,采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能。MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端,与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可;/RE和DE端分别为接收和发送的使能端,当/RE为逻辑0时,器件处于接收状态;当DE为逻辑1时,器件处于发送状态,因为MAX485工作在半双工状态,所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可;A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时,代表发送的数据为1;当A的电平低于B端时,代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻,一般可选100Ω的电阻。
该接口芯片具有如下特点:
1、用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器,每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。2、具有限摆率驱动器,可以减小EMI,并降低由不恰当的终端匹配电缆引起的反射,实现最高250kbps的无差错数据传输。
3、驱动器摆率不受限制,可以实现最高2.5Mbps的传输速率。
2.3.3 BCD拨码开关
BCD代码。Binary-Coded Decimal,简称BCD,称BCD码或二-十进制代码,亦称二进码十进数。是一种二进制的数字编码形式,用二进制编码的十进制代码。这种编码形式利用了四个位元来储存一个十进制的数码,使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行。这种编码技巧,最常用于会计系统的设计里,因为会计制度经常需要对很长的数字串作准确的计算。相对于一般的浮点式记数法,采用BCD码,既可保存数值的精确度,又可免却使电脑作浮点运算时所耗费的时间。此外,对于其他需要高精确度的计算,BCD编码亦很常用。由于十进制数共有0、1、2、……、9十个数码,因此,至少需要4位二进制码来表示1位十进制数。4位二进制码共有2^4=16种码组,在这16种代码中,可以任选10种来表示10个十进制数码,共有N=16!/(16-10)!约等于2.9乘以 10的10次方种方案。常用的BCD代码列于末。
2.3.4 NTC热敏电阻
热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件.热敏电阻由半导体陶瓷材料组成,利用的原理是温度引起电阻变化.热敏电阻包括正温度系数(PTC)和负温度系数(NTC)热敏电阻,以及临界温度热敏电阻(CTR)。
热敏电阻的主要特点是:
①灵敏度较高,其电阻温度系数要比金属大10~100倍以上,能检测出10-6℃的温度变化。
②工作温度范围宽,常温器件适用于-55℃~315℃,高温器件适用温度高于315℃(目前最高可达到2000℃),低温器件适用于-273℃~55℃。
③体积小,能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度。
④使用方便,电阻值可在0.1~100kΩ间任意选择。
⑤易加工成复杂的形状,可大批量生产且稳定性好、过载能力强。
2.4 系统软件流程图                          
图6 智能断路器下位机软件流程图
图6 为智能断路器下位机软件流程图,大致表明了控制程序的书写原则。其余数据处理、显示等模块的程序流程图在后面的内容中再做介绍。
                     图7 智能断路器上位机软件流程图
图7为智能断路器上位机软件流程图,大致表明了控制程序的书写原则。智能断路器界面的相应设置将在后面介绍。
智能断路器电路设计
3.1 智能断路器设计方案
         图8 智能断路器设计方案图
如图8所示该智能断路器有三相电流测量传感器、电流信号处理电路、单片微机(MCU)、现场总线收发电路组成,测量过程包括三相电流信号的获取、三相电流的信号处理、三相电流的数据发送。
3.2 三相电流采样单元
三相电流是电力系统配电网络的最主要、最重要的物理量,是配电系统网络的重要指标。整个系统中对三相电流采样的准确性会直接影响智能断路器的动作特性和动作效率。本系统的设计如图9所示:
                    图9 三相电流采样电图路(其中一路)
如图9所示VT1是2.5伏的精密并联稳压器,TLC27M4为运算放大器,该电流采样电路的采样原理为如下:
智能断路器工作中的交流电流互感器输入信号为:
         (1)
在电路中将电流信号转换成电压信号为:
     (2)
在交流信号当中有正负电位的变化,所以在整个系统中运用2.5伏的稳压管将电压信号的电位抬升,将其转化为单片机可以采样转换的电平。即处理转化后的电压信号为:
              (3)
其中  
 
 
因此将三相交流信号转化为电压信号,再由单片机内置的A/D转换器转化为数字信号,在由单片机对信号进行处理、判断、执行相应动作。交流信号转换过程如图10、图11和图12所示:
        图10 电流信号图                    图11 电压信号图
        图12 转换之后的信号图
3.3 三相电流有效值计算
由于单片机的A/D输入端加上了运放和电压提升电路,故A/D采样得到的初始数据需要经过调整变换后才能得到实际电压值,该断路器用到的是均方根算法:
交流工频信号的采集,一般以有效值进行计算,计算公式为:
             4)
其中,T为信号的周期即20ms。
在微机采样系统中是离散值,故应该用下面的公式计算:
 5)
为了能够在1个工频周期内采足64个点,需要每间隔316启动一次A/D转换,此段程序采用PIC定时器T2定时的方式满足要求。此段程序的初始化部分对16位的定时器寄存器赋值03B2F即可。
该算法不仅适用于纯正弦的交流量计算, 也适用于叠加了其它频率分量的周期信号。算法没有滤波功能, 受高频谐波的影响, 计算时会产生误差, 实际应用中应采取必要的软、硬件滤波。
本系统在采样得到该电压信号后再进过软件的处理将其转化为三相电流的有效值,然后在对其三相电流进行判断,执行相应的动作。
3.4 温度采样单元
在该单元中断路器采用负温度系数的热敏电阻(NTC),对断路器接触点的温度进行采样,并且实时的对温度采用,将其反应到上位机中和处理程序当中,当温度过高时也对断路器进行保护。热敏电阻是一种半导体感温元件。它具有灵敏度高、体积小、热稳定性好、耐用、廉价等优点,应用的非常广泛。
          
                      图13 温度采样电路图
如图13是温度采样电路该电路采用热敏电阻经过一个电阻分压之后,在通过运算放大器放大,这样就将温度信号送到单片机中。
负温度特性的热敏电阻,即当温度升高时,电阻值下降。如图14。
               
                           图14 热敏电阻特性曲线图
如图14所示热敏电阻的阻值—温度特性曲线是一条指数曲线,非线性较大,对测温精度要求不高的场合,可以看成线性的关系。当给热敏电阻通过一个恒定不变的电流是。在热敏电阻两端就能测到一个电压,当环境温度变化时,热敏电阻按特性曲线的规律变化,由于电流不变,所以热敏电阻两端的电压相应发生变化,可见电压变化反映了温度的变化。可以通过以下公式求温度。
          6)
式中   T——被测温度
       T0——与热敏电阻特性有关的温度参数
       K——与热敏电阻特性有关的参数
    V——热敏电阻端电压
根据这一公式,如能测出热敏电阻的端电压,在知道参数K和T0,就可以计算别测温度,这样就把热敏电阻值随温度变化的关系转变为电压随温度变化的关系。因此,只要把热敏电阻端电压A/D转换成数字量,然后通过软件计算可得到温度值。
3.5 智能断路器脱扣单元
断路器的脱扣单元是断路器的执行机构,当三相电流发生过载、短路等状况时。可靠的脱扣单元能有效的保护配电网络,一旦配电网络发生故障能可靠的进行保护从而减少经济财产的损失。
本脱扣单元中采用可控硅组成的控制电路来控制电子脱扣器的脱扣动作。电子脱扣器和可控硅的实物照片如图15和图16:
        
 图15 电子脱扣器的实物图           图16 可控硅实物图
① 电子脱扣器特性
该电子脱扣器是电流型的脱扣器,其动作电流为500mA,当线路中的电流达到500mA时,脱扣器动作从而带动断路器的机械结构,使其动作如此电源和负载分离起到保护配电网络的作用。
② 可控硅特性
经过测试该可控硅的最大导通电流为3A,最大耐压为400V,导通压降为1.4V,M门极触发电流为100 ,门极触发电压为0.8V。
                         图17 脱扣单元控制电路图
如图17在该单元中THY连接单片机的I/O端口,当THY为高电平时可控硅导通电路中形成回路电流,此时电子脱扣器动作,断路器分闸。D13为续流二极管,R27为限流电阻,VCC为脱扣器的供电电源。
3.6 智能断路器数据通讯单元
在信号传输电路中利用单片机内置的USART模块,结合MAX485信号调制芯片,进行信号传输,如图18所示:
                                  图18 信号收发电路图
如图18在该电路中MAX485是半双工的通讯芯片,TX/RX为单片机USART模块的接收和发送端口,RA5为信号收发的选通端,当其为高电平时信号发送使能,为低电平时信号接收使能。D15、D12为6.2V稳压二极管,增加了断路器在恶劣环境工作中的抗干扰特性,保证通讯数据的高效性、稳定性。
该断路器采用的是RS-485总线进行的数据传输,RS-485总线具有如下的几个特点:
1. RS-485的电气特性:逻辑“1”以两线间的电压差为+(2--6) V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2--6)V表示。接口信号电平比RS-232接口信号电平降低了,就样不易损坏接口电路的芯片,且该电平与TTL电平兼容,可方便与TTL 电路连接。bhs自动化在线网
    2. RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。bhs自动化在线网
    3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干能力增强,即能很好的抗噪声干扰。bhs自动化在线网
    4. RS-485最大的通信距离约为1219M,最大传输速率为10Mb/S,传输速率与传输距离成反比,在100Kb/S的传输速率下,才可以达到最大的通信距离,如果需传输更长的距离,需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点,如果使用特制的485芯片,可以达到128个或者256个节点,最大的可以支持到400个节点。
因此RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性,长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。 因为RS485接口组成的半双工网络,一般只需二根连线,所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。 RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座,与智能终端RS485接口采用DB-9(孔),与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9(针)。 在工业生产中大多数情况采用RS485的总线。考虑智能断路器的使用场合和信号传输抗干扰性等方面,故选择此通信协议。
3.7 智能断路器人机交互单元
在该单元中主要通过智能断路器面板上的拨码开关的设置从而整定智能断路器的三相额定电流。
对智能断路器三段式保护中的额定电流的设置和短路电流的设置,我们通过对BCD拨码开关的设置再结合软件的计算来完成该单元,可实现额定电流6 8=64 个系数的设置和短路电流2---10倍的设置。
 图19 智能断路器人机交换界面图
191——额定电流值的设定:Ir1 =In*Io*Ir
192——短路电流值的设定:Ir2=In*Io*Ir*Im
例:
         图20 电流整定图
如图20所示:如果前两个拨码开关设置如图所示则:I o=0.5, I r=0.8,过载保护电流整定值为:
Ir1 =In*Io*I r =40A。
3.8 智能断路器三段式保护
目前智能断路器普遍采用三段式过载保护特性。即长延时过载保护特性、短延时过载保护特性及短路保护。
1、长延时过载保护特性针对在一定范围内长时间过载保护,其跳闸时间与过载电流的关系可以表示为:      (7)
其中I为实际电流;T1为长延时跳闸时间;Ir1为长延时过载保护电流;t1为长延时过载保护时间;K1为一常数取2。Ir1和t1可以由用户来设定。长延时过载保护在物理上是模拟断路器触头的发热过程,一旦热量积累到一定程序则跳闸。例如设定Ir1为100A,t1设定为100秒,则如果电路发生电流为150A的过载并保持不变,断路器应该在T1=(2*100/150)*100=177秒时跳闸。这一特性称为反时限保护特性,即过载电流越大,跳闸时间越短。该智能断路器在考虑到在配电网络中电网中的电流会随时间有微小的波动,而这些微小的波动在配电网络中是正常的,所以断路器在检测到实际电流为1.2倍的额定电流时才进入反时限状态。
2、短延时过载保护特性适用于瞬时过载比较大的用电设备,在该断路器中该保护特性为定时限特性,即当过载电流超过K2*Ir1是跳闸时间为固定的T2值。此时启动定时器,定时时间到,脱扣器动作;在计时时间内,如故障电流值小于整定值,则保护退出。
3、短路保护也称为瞬动保护,当电路中的电流超过额定电流K3倍,即I=K3*Ir1(K3=10.1)时,则认为电路中发生短路,此时应立即跳闸。
通常情况下各段保护特性的设置不交叉,即有K3*Ir1>K2*Ir1>Ir1,以上这些系数中确定可通过智能断路器的人机交互界面来确定,同时可以画出如图21的断路器保护特性曲线。

图21保护特性曲线:bhs自动化在线网

① 长延时保护整定值
② 长延时保护延时时间
③ 短路保护整定值
④ 短路保护延时时间
⑤ 瞬时短路保护
 

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 图21 保护特性曲线图
3.9 智能断路器软件设计
    智能断路器的软件设计主要有:三相电流的采样及有效值的计算;各种保护的判断和处理;人机交换的处理;通信数据的接收、处理和发送等。断路器的软件处理采用模块化的程序设计方法。
   在主程序中,主要完成初始化、通信数据帧处理、电流的有效值的计算、温度采用的处理、BCD拨码开关的处理,其中初始化包括系统时钟的初始化、ADC10模块初始化、定时器T1、定时器T2的初始化、单片机I/O端口的初始化等。中断程序包括定时器中断、接收数据中断。
3.9.1 三相电流采集子程序
三相电流采集子程序中包括一个中断程序,一个采用单片机中的定时器T1来实现电流的定时采样,定时采样子程序流程图如图22:
 
                     图22 定时采样子程序流程图
在定时采样数据处理子程序中,采用交流采样算法,以一个周期内有限个采样数字量代替一个周期内的连续变化的电流函数值,再进行均方根的计算,相应的算法在上文中已经做了说明。在系统中对电流信号的采集,理论上采样点数越多则越能恢复原始信号,但由于受CPU速度、A/D转换时间等因数的影响,采样频率不可能太高。本系统对每个电流周期波采样64点,即312采样一次,设计中选用定时器T2,时钟源为8MHz的晶振,当定时器T2的中断发生时,启动A/D转换,依次对各通道电流信号进行采样。通过查询A/D转换标志位来判断A/D是否转换结束,将其转换值读出来放到RAM中,当64次采样完成时,就可以进行有效值的计算。
3.9.2 故障保护处理子程序
在该段子程序中包括一个定时器中断服务程,用于反时限时间的定时计数。流程为先将三相电流中的最大相电流作为判断基准,当超过瞬时短路保护值时,断路器跳闸瞬断,超过短路保护值时,启动定时限保护,超过额定电流阀值时,通过3.8中说明的方法来整定反时限保护时间,在保护时间内如果配电网络中的三相电流没有恢复则断路器脱扣保护。当断路器触点的温度超过基准温度时(75)时,也会进行保护。
该保护子程序包括三段式过流保护和超温保护的整定,如图23。
                   图23 故障处理子程序流程图
 
3.10 PCB设计注意事项
 本次毕业设计所采用的元件都采用贴片技术,各个元件都是贴片封装,采用该种封装的好处就是可以大大的减少电路板的体积,非常适合应用于智能断路器。在设计PCB时有几点注意事项,现总结几点:
1、由于采用贴片封装,所以在设计时要建立准确的封装库,防止封装过小或过大元件不能正常焊接。
2、线条有讲究:有条件做宽的线不做细;高压及高频线应园滑,不得有尖锐的倒角,拐弯也不得采用直角。地线应尽量宽,最好使用大面积敷铜,这对接地点问题有相当大的改善。
3、各个主要芯片供电电源之间要接104电容进行电源滤波,是芯片能更好的运行。
4、合理的布线,电源线、信号线要合理放置,减少线路上的干扰。
由于很多工程上的问题是由于自身因数造成的,所以要以PCB板的焊接可靠性为前提,从而去查找原因。
   4 智能断路器上位机界面
4.1 上位机开发环境VC++
VC++是微软公司开发的一个IDE(集成开发环境)。VC作为一个主流的开发平台一直深受编程爱好者的喜爱,但是很多人却对它的入门感到难于上青天,究其原因主要是大家对他错误的认识造成的,严格的来说VC++不是门语言,虽然它和C++之间有密切的关系,如果形象点比喻的话,可以把C++看作为一种“工业标准”,而VC++则是某种操作系统平台下的“厂商标准”,而“厂商标准”是在遵循“工业标准”的前提下扩展而来的。
VC++应用程序的开发主要有两种模式,一种是WIN API方式,另一种则是MFC方式,传统的WIN API开发方式比较繁琐,而MFC则是对WIN API再次封装,所以MFC相对于WIN API开发更具备效率优势。
VC基于C,C++语言,主要由是MFC组成,是与系统联系非常紧密的编程工具,它兼有高级,和低级语言的双重性,功能强大,灵活,执行效率高,几乎可说VC在 Windows平台无所不能。 最大缺点是开发效率不高。
    VC适用范围:
1、 VC主要是针对Windows系统,适合一些系统级的开发,可以方便实现一些底层 的调用。在VC里边嵌入汇编语言很简单。
2、 VC主要用在驱动程序开发。
3、 VC执行效率高,当对系统性能要求很高的时候,可用VC开发。
4、 VC主要适用于游戏开发。
5、 VC多用于单片机,工业控制等软件开发,如直接对I/O地址操作,就要用C++。    6、 VC适用开发高效,短小,轻量级的COM组件,DLL。比如WEB上的控件。
7、 VC可以开发优秀的基于通信的程序。
8、 VC可以开发高效灵活的文件操作程序。
9、 VC可以开发灵活高效的数据库操作程序。
10、 VC是编CAD软件的唯一选择,包括AUTOCAD,UG的二次开发。
    11、VC在多线程、网络通信、分布应用方面,VC++有不可比拟的优势。
 
4.2   VC++开发控件MSCOMM简介
Windows与以往DOS下串行通信程序不同,Windows不提倡应用程序直接控制硬件,而是通过Windows操作系统提供的设备驱动程序来进行数据传递。因此串行口在Win 32中是作为文件来进行处理的,而不是直接对端口进行操作。对于串行通信,Win 32 提供了相应的文件I/O函数与通信函数,通过了解这些函数的使用,可以编制出符合不同需要的通信程序。
MSComm(Microsoft Communications Control)控件是Microsoft公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件,通过串行端口传输和接收数据,为应用程序提供串行通信功能。选用的事件驱动方式处理通信问题。事件驱动方式是指,当串口发生事件或者错误的时候,会产生一个OnComm的事件,通过对这个事件的捕捉,进行相应的处理来完成串口通信任务。而在事件驱动方式中,MSComm有一个重要属性--CommEvent属性。当串口发生事件或者错误的时候,MSComm就为它赋不同的代码,同时,产生一个OnComm事件。这时候,我们就可以针对不同的代码,进行相应的处理。这种方法的优点是程序响应及时,可靠性高。MSComm 作为一个串行通讯控件为程序员串口通讯编程节省了很多时间。在基于对话框的应用中加入一个MSComm控件非常简单。
MSComm控件提供了两种处理通信的方法:
1.事件驱动通信,是一种功能很强的处理串口活动的方法。例如,当在CD(Carrier Detect)线或RTS(Request To Send)线上有字符到达或发生了改变,在这种情况下,可以使用MSComm控件的OnComm事件捕获和处理这些通信事件。OnComm也可以捕获和处理通信中的错误。 
2.可以在每个重要的程序功能之后检查CommEvent属性的值来检测事件和通信错误。使用的每个MSComm控件都与一个串口对应。如果在应用程序中需要访问多个串口,必须使用多个MSComm控件,可以在Windows 控制面板中修改串口地址的中断地址。  
4.3 上位机界面简介
                              图24 智能断路器界面图
图24为智能断路器界面。该界面能实现对五个测试项目的测试数据进行实时监测。要求监测到的数据包括:断路器电流整定值、断路器温度值、断路器工作状态、断路器故障状态及故障时间记录。各个功能块的设置如上图中的标记所示,当用户接通该界面后就会进入监控状态。用户可以通过该界面,观察电网的工作状态、断路器的工作状态,同时可以通过界面上的控制按钮对断路器进行控制。
 
4.4 上位机界面测试情况
 智能断路器工作图如图25:
 图25 智能断路器工作图
 
智能断路器主要技术参数
5.1 智能断路器机械结构主要参数
① 额定绝缘电压:750V
② 额定冲击耐压:8kV
极限分断能力Icu ,使用分段能力Ics ,Icu =100%Ics 。当配电网络电压为380V时,断路器的极限分断能力为70kA。
5.2 智能断路器额定使用参数
① 额定电流 In:5A
② 额定频率 f:50Hz
5.3 智能断路器保护主要技术参数
① 电流整定范围:0.4In----10In
② 动作值准确度:一致性不大于动作值的3%;平均误差不超过± 3%
③ 时间整定范围:0.8-----100s
④ 动作时间准确度:动作时间平均误差不超过± 100ms
 
5.4 工作环境温度
① 环境温度范围: --
② 存储温度范围: --
长期工作温度: --
5.5 操作及安装方法
1、操作方法
 在初次操作时,手动合闸,此时将开关触头先向下扳动,当听到“咔”声后,在将触头向上扳动,再次听到“咔”声后,此时断路器处于合闸状态。如图26:
                       
图 26 操作方式图
2、安装方法
   本装置安装方式为嵌入式安装,封闭式外壳结构,接线方法为:三相电源线为上进线,下出线。接线方式如图27:
 
27 接线方式示意图

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 50A智能断路器的研制
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