低压断路器智能脱扣器设计

1、目目 录录摘 要：.IABSTRACT.II第 1 章 绪 论.11.1 引言.11.2 脱扣器概述.11.3 课题研究目的及意义 .31.4 课题内容概述 .31.4.1 硬件电路设计.31.4.2 软件设计.4第二章 智能脱扣器结构设计.52.1 智能脱扣器的设计原理 .52.2 智能脱扣器的工作原理 .5第 3 章 智能脱扣器的硬件设计.63.1 硬件总体设计及工作原理 .63.2 信号采集与处理 .73.3 空心电流互感器的计算 .73.4 单片机的选用 .113.4 各分电路及相关计算 .143.4.1 真有效值转换电路.143.4.2 过载保护.163.4.3 短路保护.193.4

2、.5 模拟脱扣电路.223.4.6 脱扣输出电路.243.5 负载监控 .253.6 自诊断和监察 .25第 4 章 软件设计.274.1 软件系统的总体设计 .274.2 初始化子程序 .294.2.1 定时器初值的设定.294.2.2 定时器 T1 的设定.294.2.3 定时器 T0 的设定.304.2.4 与 A/D 转换相关的寄存器.304.2.5 A/D 控制寄存器 ADCON1 的设定 .304.2.6 A/D 控制寄存器 ADCONO 的设定 .314.3 过流判断子程序 .314.4 过流处理子程序 .314.4.1 过流处理子程序流程图.314.4.2 非首次过流处理子程序

3、.324.5 中断子程序 .33第 5 章 人机交互界面.355.1 智能脱扣器外壳 .355.2 硬件电路设计 .355.3 软件设计 .36第 6 章 可靠性与抗干扰设计.386.1 电器可靠性设计 .386.1.1 硬件设计方面.386.1.2 软件设计方面.396.2 电器抗干扰设计 .39结 束 语.43致 谢.44参考文献.45附录 A：元件明细表.47附录 B：总电路图.48低压电器智能脱扣器设计I低压断路器智能脱扣器的设计低压断路器智能脱扣器的设计摘摘 要要：低压断路器是用于接通、分断配电电路及对各种故障进行保护的一种开关电器，广泛应用于低压配电系统中。断路器的保护功能是由脱扣

4、器实现的，传统的脱扣器多为电磁式的，其特性不易控制。本课题利用微电子技术及单片机技术，采用微处理器，设计出小型的智能脱扣器，不仅能够实现脱扣功能，即实现预想的保护功能，还能对脱扣器的动作参数进行选择即可实现对多种不同场合的保护，使得脱扣器的性能得到提高，功能得到增强，符合配电系统的要求。论文中详细叙述了设计的理论基础，重点介绍了硬件的选择依据和工作原理，以及软件程序的设计思想和编制方法。关键词关键词：断路器，脱扣器，智能脱扣器 低压电器智能脱扣器设计IIThe Low-voltage Breaker Research on theIntelligent releaseABSTRACT ：The

5、 low-voltage breaker is a kind of switch electrical appliance .It can get-on and cut the distribution circuit and protect all kinds of faults. It can be widely used in the low-voltage distribution system. The releaser executes the function of breaker. The traditional releasers always are electromagn

6、etic and it is not easy to control their trait. The task uses the microelectronics technology and single-chip technology and utilizes microprocessor to develop the mini-intelligence releaser. It can not only fulfill the function of releasing, i.e. fulfill the protecting function which is pre-designe

7、d, but also select the parameters of motion, i.e. it can realize protecting in the multi-situations. By using the system, the target of remote controlling is realized .All of them strengthen the releasers functions and make it accord with requirements of distribution system. The basic principles of

8、the design are accounted detail，the selective bases and the operational principle of the hardware are introduced chiefly and the design reasons and program means of the software are recommend in this thesis.KEYWORDS: breaker, releaser，intelligent release低压电器智能脱扣器设计1第第 1 章章 绪绪 论论1.1 引言低压断路器是低压配电系统中的主

9、要元件，其保护功能的触发是由脱扣器实现的。早期脱扣器的过载保护功能是利用了双金属片在通过人电流时受热产生变形，从而使机械系统动作来实现的。由于不同金属片的受热形变系数不同、所以可以近似模拟多种时间/电流特性曲线。其缺点是体积较人，过流保护特性不够理想。70年代开始出现了电子式脱扣器，90年代逐步推出了智能型脱扣器。智能型脱扣器由于采用了计算机技术、数字处理技术、控制理论、传感技术和通信技术等，使其功能更趋完善。除实现了各种保护功能外，还有监察显示功能、故障记录功能、通信等各种辅助功能，现已在低压配电系统中得到了广泛应用。1.2 脱扣器概述低压断路器主要用来对发电机、电动机、变压器和电缆等设备进

10、行过载，短路和接地故障保护。脱扣器是断路器的中枢部件，它承担着断路器的各种保护、报警、显示与控制功能。早期的脱扣器为电磁式的.其工作原理是利用双金属片在流过电流时发热变形而使脱扣器动作，这类脱扣器制造调整困难，精度低和可靠性差。60年代，美国开始研制电子脱扣器，并应用于低压断路器。电子脱扣器具有保护功能多、延时精度高、选择性好、整定范围大和返回系数高等特点。此外还可以增加接地保护，过载保护功能，使低压电器的保护特性更完善，性能得到了提高。此后国外先进工业国家相继开发出多种电子脱扣器，从分立元件、集成电路发展到利用微型计算机技术的智能脱扣器。80年代开始，法国MG公司研制成功ST-608型智能脱

11、扣器，ABB公司也开发出PR1型智能脱扣器，日本、美国、德国也都开始将智能型脱扣器应用于低压断路器中。我国的智能脱扣器研究起步较晚，但在科技人员的不懈努力下已取得很大成绩，开发出了多种产品并形成了系列化，在功能上也已达到了一定水平。传统的断路器保护功能是通过脱扣器中机械系统的动作来实现的，其效果也不够理想。为了防止用电设备故障以及在供电网络出现异常时损坏用电设备，在传统断路器的基础上逐步开发出更可靠和更具保护性能的断路器。随着微电子技术的发展，集成电路的出现，大大缩小了普通电子电路的体积，因而出现了以专用集成电路为基础的多功能脱扣器，从而促进了多功能断路器的发展。低压电器智能脱扣器设计2同时微

12、型计算机技术的发展也为低压电器的智能化提供了条件。智能脱扣器是智能断路器的核心部件，它不仅能够提供普通断路器的各种保护功能，还能实时显示电路中的各种参数(电流、电压、功率、功率因数等)，以及和PC机进行通信等功能。由于用电设备数量的迅猛增加，对电力系统的运行安全可靠性、电能的质量、经济性等指标提出了更高的要求。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常运行状态，故障中最常见危害最大的就是各种形式的短路和过载，其危害是:(1) 故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧，将故障设备损坏；(2) 电源到短路点间

13、流过短路电流，它们引起发热和电动力将会造成在该路径中有关的非故障元件损坏；(3) 靠近故障点的部分网络供电电压大幅度的下降，使用户的正常工作遭到破坏甚至影响产品质量；(4) 造成较人范围的停电，破坏电力系统运行的稳定性，引起系统震荡，甚至使该系统瓦解和崩溃 。所谓不正常状态是指系统的正常工作受到干扰，使运行参数偏离正常值，如一些设备过负荷、系统频率或某些地区电压异常、系统震荡等。故障和不正常运行状态若不及时处理或处理不当时，就可能在电力系统中引起事故。事故是指人员伤亡和设备损坏、对用户停电或少送电、电能质量降低到不能允许的程度。断路器就是在当电网不正常情况时，如过载、过压、欠压和短路等，能自动

14、的把负载从电网上断开，从而避免危及操作人员安全和设备的正常运行，防止人身事故和火灾事故。其执行机构智能型脱扣器的基本功能是:(1)当出现过载时，能依据运行维护的具体条件和设备的承受能力延时跳闸。(2)当出现短路情况时，能瞬时跳闸或短延时跳闸。智能脱扣器的多种保护功能中，最基本的就是过流保护，其它保护功能都是在过流保护的基础上派生的，它们的基本原理大体相同。随着科技 的不断发展，人们对脱扣器提出了更高的要求，可通信化，高性能、高可靠性、小型化、模块化、组合化、电子化和智能化已成为了脱扣器发展的方向。目前，国外已开发出了系列化智能脱扣器。这些智能化脱扣器的性能大大优于传统的脱扣器产品。我国在这一研

15、究领域还有很多工作需要我们去作。(l)一直以来，传统的装有电磁式脱扣器的断路器在电力系统领域发挥着巨大的作低压电器智能脱扣器设计3用，但由于其检测和执行装置均为机械结构，故存在着性能指标低、耗材、耗能、保护特性单一、规格及品种少、反时限拟合效果差等问题。(2)利用微电子技术发展起来的以模拟电路和数字电路为基础的电子式脱扣器弥补了这些不足。但由于供电系统中大量使用软起动器、变频器、电力电子调速装置、不间断电源等装置，使电网和配电系统中出现了大杖的高次谐波，而模拟式电子脱扣器一般只反映故障电流的峰值，造成断路器在高次谐波的影响下发生误动作。(3)随着计算机技术、智能化技术、通讯技术的进步及应用领域

16、的不断扩大，配电自动化系统得到迅速发展，对电器产品提出了可通信要求，以实现各种电器元件与计算机之间的双向通信联系。可通信己成为今后一段时间脱扣器的发展方向。1.3 课题研究目的及意义90年代随着微处理器的蓬勃发展，出现了带微处理器的智能型脱扣器，标志着进入了智能化阶段。而今在信息技术和计算机网络的发展下，并借鉴国外低压电器领域的先进技术，利用近年来出现的现场总线技术，使智能脱扣器与中央控制设备实现双向通信成为可能，可见具有此类功能的产品前景十分广阔。因此，对其的研究非常符合目前低压电器的发展趋势，尤其我国开发智能化电器正处于起步阶段，从我国配电系统发展的实际需要看，随着石油、化工、冶金及高层建

17、筑等行业的技术进步，此类智能化电器必将在我国存在着巨大的潜在市场。此外，将智能化脱扣器做成独立于某一型号断路器的通用型产品也成为了一个发展趋势。因此，开发和研制新一代的智能脱扣器具有重要的现实意义。1.4 课题内容概述本课题以脱扣器为研究对象，利用微电子技术及单片机技术，采用微处理器，设计出的小型智能脱扣器，不仅能独立完成过流和短路保护功能，还能对脱扣器的动作时间参数(电流和时间值)进行选择。综合日前国内低压电器的发展现状，并在国外新技术发展趋势的基础上，硬件部分采用Microchip公司的PIC16C73单片机作为核心部件控制脱扣器的工作，实现保护功能。为了实现上述功能，研究主要内容包括硬件

18、电路的设计和系统软件的设计。1.4.1 硬件电路设计(1)检测单元:其功能是将线路的电信号(电压、电流)线性的转换成模拟电路能处理的低电压信低压电器智能脱扣器设计4号，其转换的准确性和精度直接影响脱扣器的性能。(2)真有效值转换单元:其功能是将在一个采样周期内采集到的交流低电压信号真有效值转换成直流电压信号，以供单片机处理 。(3)中央处理单元:通过A/D转换模块，将输入的电压信号转换成对应的8位二进制数，与基准电压对应的8位二进制数进行比较。若出现过流情况，则找到对应的过流倍数并要考虑到热积累效应，进行折算，如此时仍过流，则脱扣器动作。(4)短路电流处理单元:本系统充分考虑到短路电流发生时，

19、数字电路在反应时间上的滞后性，为此专门设计了相应的模拟电路。1.4.2 软件设计软件部分设计的主要任务是用汇编语言编写程序以实现预期的功能。它主要包括软件结构设计和软件程序设计。软件结构设计的目的是分清任务的执行顺序，明确任务执行条件和分支，重复执行某项任务直到定义的条件满足为止。软件程序设计的目的则是将各任务进一步细化，直到分解为程序设计语言的语句。本设计系统软件主要由初始化程序、数据采集程序、计算程序、查表程序、主程序等部分组成。低压电器智能脱扣器设计5第二章第二章 智能脱扣器结构设计智能脱扣器结构设计本课题的主要目的和任务是:在了解智能脱扣器结构的基础上，根据预期要实现的功能，进行系统的

20、软、硬件设计，以实现设计要求。智能脱扣器结构设计的主要任务是智能脱扣器的设计在设计和工作原理上有进一步的了解。2.1 智能脱扣器的设计原理低压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、接地等故障进行保护，它通过检测单元获取主线路中的电流、电压信号，经脱扣器的逻辑控制单元分析判断后发出信号控制断路器的动作。断路器的动作与否和断路器的动作时间取决于脱扣器的控制线号。智能脱扣器的设计也是基于这个原理，但逻辑控制单元由高性能的单片机及其外围电子电路组成、检测单元由空心互感器和信号处理电路组成。其原理框图如下： 图 2.1 智能脱扣器原理框图2.2 智能脱扣器的工作原理 空心电流互感器检测供

21、电线路中的电流并将其转换成数字电路和单片机可处理的电平信号，经隔离后进入采样和保持电路，经滤波、放大等处理后送入微处理器，微处理器内带A/D转换单元将模拟信号转换成数字信号，供CPU进行逻辑运算与处理；各种故障保护的动作电流和时间的整定值通过键盘设定并存于EEPROM中；CPU将检测到低压电器智能脱扣器设计6的电流信号与整定值比较，判断是否脱口。若脱口，则确定动作时并发控制信号和警报信号，显示故障电流和故障类型，否则，脱扣器刷新显示，并进行自我诊断和检测。第第 3 章章 智能脱扣器的硬件设计智能脱扣器的硬件设计硬件设计的主要任务是综合考虑系统所要实现的各种功能和各部分硬件之间的关系，来选择所需

22、芯片，设计出系统电路原理图以及印制电路板。3.1 硬件总体设计及工作原理本设计研究的智能脱扣器采用单片机作为主控单元，使其控制其它外围电路来实现各种功能。硬件设计的总体思路是:智能脱扣器通过互感器将主电路的电压、电流信号转换成模拟电路可以处理的电平信号:经过真有效值转直流单元，将交流电压信号转换成单片机可处理的直流电压信号;中央处理单元则对这些信号进行采样、模数转换、运算和处理，运算结果和整定值比较后输出符合预设保护特性的电平信号，这些信号经放大后可直接驱动脱扣器的执行机构动作。此外，还应设计模拟电路以使电路出现短路电流时，脱扣器能瞬时动作。硬件电路主要包括以下几个部分，如图3.1所示:操作机

23、构执行输出驱动电路抗干扰电路IaIbIcIn空心互感器信号处理真有效值转换微 处理 器脱扣输出模拟脱扣自诊断环境温度检测通信接口串行储存器键盘显示图 3.1 硬件设计原理图智能脱扣器的原理框图如图3-1。主要由检测单元、信号处理单元、模数转换单元、中央处模块组成。检测单元由空心电流互感器和信号处理电路组成，逻辑控制单元由高性能的单片机及其外围电子电路组成。在工作时，智能化脱扣器通过空心电流互感器将主线路的电压、电流信号转换成 低压电器智能脱扣器设计7模拟电路可处理的电平信号，信号处理单元则对这些信号滤波和采样；采样信号经多路开关送人模数转换模块(AD)转换成数宁信号；CPU根据这些信号进行逻辑

24、运算和处理，运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑电平信号，这些信号经放大后可直接驱动断路器的执行机构使断路器动作。各种故障保护的动作电流和时间整定值通过键盘设定预先存储在EEPROM中，并可以在应用中随时进行修改。3.2 信号采集与处理脱扣器所需的信号由套在母线上的空芯互感器提供。采样信号的准确度直接影响脱扣器的保护和显示精度。传统铁芯互感器线性度小，当出现大电流时，其二次输出与一次电流不成线性关系，造成欠保护及显示与实际电流值不符。本设计采用空芯互感器，具有宽范围的线性度，可保证脱扣器实时处理、显示线路中的各种情况。信号处理电路首先对互感器采集的多路信号分别进行积分处理，使之与母

25、线 IU 流成正比，经过跟随隔离、隔直滤波处理后送入多路模拟开关，CPU 通过控制模。3.3 空心电流互感器的计算迄今为止，铁心电磁式电流互感器一直是电力系统主要的电流检测工具，在继电保护应用中占主导地位，但是它本身有着难以克服的缺点。首先，这类互感器的体积、重量随着电流等级的升高而增加，价格上升也很快。其次，高压输电线路中使用的铁心式互感器中必须充油，防爆困难，安全系数下降。第三，在传统的电器设备二次测量和保护电路中，采用了各种电磁式或电动式仪表及电磁式继电器，它们的线圈都需要从互感器中汲取能量，所以铁心电磁式互感器都必须有相应的负载能力。但对智能电器而言，其二次电路已全部由智能监控单元取代

26、，监控单元本身所需的功率比传统设备大大降低，不再需要互感器输出较高的功率。此外，互感器铁心的磁化曲线（B-H曲线）线性范围有限，在智能电器应用环境下，被监控的电流变化范围往往很大，当原边电流很大时，铁心会饱和，这将使副边电流波形发生畸变，影响测量和保护精度。在有些场合下，如低压框架式断路器中，流过主触点的电流变化范围可以从几安培到短路时的几千安培，要在这样大的范围内进行测量检测，用传统的铁心电磁式电流互感器根本无法实现，必须采用新的电流互感器（Rogowski 线圈） 。Rogowski 线圈组成的空心电流互感器具有结构简单、输入电流变化范围宽、线性度好、性能价格比好等特点，是目前在智能电器中

27、应用比较多的一种电流传感器。Rogowski 线圈其本身结构不设一次绕组，载流（负荷电流）导线由 L1 至 L2 穿过低压电器智能脱扣器设计8硅钢片擀卷成的圆形（或其他形状）铁芯起一次绕组的作用。二次绕组直接均匀地缠绕在圆形铁芯上，与仪表、继电器、变电器等电流线圈的二次负载串联形成闭合电路，如下图所示:由于穿心式电流互感器不设一次绕组，其变比根据一次绕组穿过互感器铁芯中的匝数确定，穿心匝数越多变比越小；反之，穿心匝数越少变比越大，额定电流比： n1IRogowski 线圈基于电磁感应原理实现电流的测量，其工作原理如下图所示： 图 3.2 Rogowski 线圈原理图设线圈的匝数为 N，绕制在横

28、截面积为 A 的非磁性材料骨架 FR 上，磁通密度为B(t)，根据电磁感应原理，线圈两端的感应电动势 （3-1）dttdBNAdtdte)()(因此，在绕组两端接上合适的电阻 R0 就可以测量电流。由于绕组本身与主电流回路完全通过磁场耦合，没有直接的电联系，所以与主回路间有良好的电气隔离。上式中，B(t)由被测电流 i(t)产生。若设线圈的平均半径为 r，则有 （3-2）0( )( )2i tB tr式中， ，为真空磁导率。70410 (/)H m低压电器智能脱扣器设计9 合并式（3-1）与式（3-2）可得 （3-3）dttdirNAdttdBNAte)(2)()(0图 3-3 给出了图 3-

29、1 所示测量回路的等效电路。在线圈骨架的横截面均匀时，由等效电路可得 22( )( )( )hdi te tLR i tdt式中，为流过线圈的电流，。2( )i t0hhRRR由于 Rogowski 线圈的饶线框架为非磁性材料，自感量 L 很少。L-线圈电感 RL-线圈电阻 图 3.4 加入 RC 等效电路后的等效电路图Ro-取样电阻图 3.3 测量回路等效电路图当或时，可得22( )/( )hLdi tdtR i t02( )( )2hNA di ti trRdt 2( )( )/hi te tR从而有 02( )( )2hNA di ti trRdt 一般地，采样电阻都远大于绕线的电阻，可

30、以认为。令00( )( )di tuR i tKdt ，由式（3-5）可得从采样电阻上输出的电压为0/2KNAr0R 00( )( )di tuR i tKdt 可见，输出电压正比于被测交流电流的有效值。由式（3-6）还可以看出，在工频正弦交流电路中采用 Rogowski 线圈检测电流，取样电阻上的电压与被测电流 i 之间会存在的相位差。若直接用作为被测电流0u/20u信号，智能监控单元中的 CPU 将无法根据测得的电网电压和电流正确计算其他点参量。（3-4）(3-5)(3-6)低压电器智能脱扣器设计10为此，在实际使用中，通常需在 Rogowski 线圈回路中加入积分环节，是与的相0u( )

31、i t位达到一致。积分环节的实现有多种方法，常用的有两个：一是通过 RC 积分电路实现，另一个是通过电压频率变换实现，本次设计采用前者。采用 RC 积分电路，整个采样绕组回路由绕组回路、测量回路和积分回路三部分组成，等效电路如 2-4 所示。式（3-6）改写为复数形式为 （3-.0Uj K I7）由图 3-3 可知，RC 积分电路中，电容 C 上的电压为 （3-.KUcIRC8） 将式（3-7）代入式（3-8）即得 （3-RCjkjUc19）适当选择 R 和 C 的值，使，上式可近似等效为1j RC (3-10)IRCKUC式（3-10）表明，经过 RC 积分环节后，测量回路输出电压（t）与被

32、测电流.Uc在相位上基本一致，且具有较好的线性关系。图 3-5 给出了某型号空心电流互感器( )i t的输入输出特性曲线，由图可以看出，其线性区很长，因此空心互感器具有很宽的线性测量范围。低压电器智能脱扣器设计11100020003000400050006000700000.20.40.60.811.21.41.61.82空心互感器-大电流图 3.5 空心电流互感器在大电流时的输入输出特性3.4 单片机的选用Microchip 技术公司具有先进的类-RISC( Reduced Instruction Set Computer)结构的PIC系列微控制器的简洁性，为8位微计算机市场设立了一种事实上

33、的新的性能标准。为了达到独一无二的高速性能，PIC微控制器采用了小型机设计结构。先进的类-RISC结构体现在每一条高效率和强大的指令上。其三个系列微控制器的指令都是单字的宽字位指令:低档、中档和高档系列的指令位数分别为12, 14和16位，且分别只有33, 35和58条指令，它们向上兼容:而CISC(Complex Instruction Set Computer)结构的微处理器通常有50到110条多字节多周期的指令。单宽字指令提高了软件编码的效率和减少了所需的程序存储器单元，使系统具有最高处理效率和突出性能。在相同情况卜，PIC微控制器所需要的编码比一般微控制器要少一半，其指令的高效率又可使

34、编码开发时间节约30%。令流水线结构可以在一个周期内同时完成一条指令的执行和下一条指令的取指。最大限度的提高了每一个内部时钟周期的效率。高速的指令执行时间，在20MHz时钟情况下达到200ns，在25MHz时可快达160ns。在单周期内可 以 对 I/O口的任一位直接进行位操作。美国 Microchip技术公司经过十多年的努力在嵌入式控制技术领域己经成为先进技术的先锋，推出的Plcs位微控制器系列是业内率先采用精简指令集计算机(Rlsc)结构的低压电器智能脱扣器设计12高性能价格比的嵌入式控制器。其指令系统除了程序分支指令是单字双周期指令外，其它指令都是单周期、单字节指令。在这些指令中，由于没

35、有功能相交叉的指令，使所有的指令具有简洁性。其高速度、低工作电压、低功耗、较大的输入输出直接驱动能力、一次性编程芯片的低价位、小体积等。都体现了微控制器工业发展的新趋势。本设计在综合考虑设计要求、所要实现的功能以及性能价格比的基础上，通过对各种微处理器的比较，决定选用Microchip公司的PICI6C73芯片作为本设计的微处理器。PIC16C73芯片不仅能够实现所需的全部功能，而且工作速度快、价格比较便宜(只有三十元人民币左右)，这使得产品的生产成本大幅度降低，有利于增强产品的市场竟争力。其主要硬件资源包括:(1)4096xl4位EPR服程序存储器(2)192字Y通用RAM(3)22根双向I

36、/0线(4)3个8位的定时器/计数器(5)n个内部和外部中断源(6)有5个通道8位A/D转换器(7)T2C和3线SPI兼容的同步串行接口SSP(8)串行通信接口SCI提供异步串行通信接受器和发送器USART功能(9)时钟频率可从直流到20MHz由于 PICI6C73自带有5个通道的8位A/D转换器，所以省去了A/D转换器件，同时通过软件编程可以选择采样通道，这就省去了多路开关等器件。因此使外围电路大大简化，有效的减小了电路板的面积。PIC16C73还带有一个串行通信接口SCI，这个SCI可被设置成可以与诸如CRT终端和PC机等外围设备进行通信的全双工异步系统。因此，利用SCI可以方便的实现智能

37、脱扣器与PC机之间的通信。此外，PIC16C73还具有监视定时器(看门狗)、上电牌电复位、程序代码加密保护等功能。微处理器PICl6C73的引脚排列如图2-6所示，其内部结构和功能表分别如2-7所示。本设计所用到的引脚及其功能如下：引脚9，10是振荡器晶体输入/输出引脚；引脚1是芯片复位编程电压输入引脚；引脚2、3、4是A心通道模拟输入，可分别连结三相线路中的一相；引脚5是A/D通道模拟输入/基准电压V比f输入，通低压电器智能脱扣器设计13RA0/AN02RA1/AN13RA2/AN24RA3/AN3/VREF5RA4/T0CKI6RA5/AN4/SS7RB0/INT21RB122RB223R

38、B324RB425RB526RB627RB728RC0/T1OSO/T1CKI11RC1/T1OSI12RC2/CCP113RC3/SCK/SCL14RC4/SDI/SDA15RC5/SDO16RC617RC718MCLR/VPP1OSC1/CLKIN9OSC2/CLKOUT10PIC16C73图 3-6 PIC16C73（双列直插式）引脚排列图过改变其输入电压的大小，可调整动作电流的基准值，从而改变动作时间;引脚17，18是异步发送/SCI同步时钟线和异步接线SCI同步数据线;引脚8，19接地:引脚1、20接电源正极。 图 3.7 PIC16C73 的内部结构低压电器智能脱扣器设计143.4

39、 各分电路及相关计算3.4.1 真有效值转换电路 (1)AD536AAD536A 简介简介AD536A 是美国AD公司推出的执行从真有效值到直流值转换的单块集成电路，它的性能与混合电路和模块化电路相类似，甚至超过了他们。ADS36A可直接计算输入的任何复杂波形(包括交、直流成分)的真有效值，它的峰值因数补偿电路使在峰值因数达到7时只有1%的测量误差。AD536A宽扩的带宽扩展了其测量性能，使它可以测量电压值在100m v以上频率为300KHz并带有3dB误差的信号电平。AD536A 有效值转换器的非预先可用状态的重要特性是有一个辅助的dB输出功能。有效值输出信号的对数值被发送到一个单独的引脚上

40、，使其可以在60dB的动态范围内进行dB转换。利用外部提供的参考电流，用户能方便的设置0dB电平，使其可以对应从0.1v到2V之间的任何有效值。AD536A 的输入输出补偿晶片的电平、正负极波形的对称性以及在7V时的有效值满量程精度都经过激光微调，所以不加外部微调电路也能保证其单位比例精度。AD536A 的输入输出都进行了完善的保护，其输入电压能大大高于电源电压，而其输出电路则有短路保护功能。AD536A由输入连接引起的电源电压损耗不会影响测量精度。(2)AD536AAD536A的工作原理的工作原理AD536A 嵌入了有效值隐含解方程式电路，从而克服了动态范围小以及其它直接计算有效值时固有的限

41、制。AD536A的实际执行原理如下所示:由均方根定义有： 21niniVVrmsn经变换得： 221niniVVrmsn 2inrmsVVrmsAvgV(3)AD536AAD536A的标准连接的标准连接低压电器智能脱扣器设计15AD536A的连接非常简单，所需的唯一外部元件是用来建立平均时间常数的电容(如图2.4所示)。在这种配置中，AD536A将测量输入的交、直流电压的有效值，由于滤波电容的作用，在低频输入时将出现误差。例如在使用4uF电容时，如输入信号频率为10Hz，则其输出的有效值附加平均误差为0.1%。为此有必要测定AD536A应用在本设计时的转换精度。(4)AD536AAD536A的

42、转换精度测定的转换精度测定由AD536A技术资料手册知，当AD536A采用供电时，其所允许输入的交流信号5V的典型有效值为0-2V。由于采用士5V供电，所以输入交流信号的最大有效值为2V。测量AD536A转换精度时，接入电容，所用电表为DT9973型多功能高精4.7avCF度万用表，其转换精度等级为0.005。实验中采用同一块万用表分别测量交流输入端和有效值输出端，实验电路如图2-8所示:c+5VVIN+VSNCNCVSNCCAVNCdBCOMBUFO UTRLBUFINIOUTAD536A-5V业业业业业业业业UUout图3.8 AD536A转换精度试验电路实验结果如表3-1所示。由实验结果

43、可以看出:采用士5V供电时，随着交流输入电压有效值的增加，与其相对应的输出有效值的误差逐渐增加，但相对误差却逐渐降低，均小于5%。所以AD536A的转换精度完全可满足设计要求。表 3-1 AD536A实验结果组号12345678单位输入交流有效值1.8031.6231.3031.1170.8560.6790.4330.243V输出直流有效值1.7981.6191.3001.1150.8560.6750.4310.242V (5)AD536AAD536A与与PIC16C73PIC16C73的接口电路的接口电路低压电器智能脱扣器设计16在大多数有效值的精确测量中，AD536A只要外接一个滤波电容就

44、可工作(如图3.5所示)。在这种连接中，由于滤波电容的作用，可获得高精度的直流输出。B、 C相电路的接法与A相完全相同，为简单起见，图中未画出。AD536A与PIC16C73的接口电路如图3-9所示:RA0/AN02RA1/AN13RA2/AN24RA3/AN3/VREF5RA4/T0CKI6RA5/AN4/SS7RB0/INT21RB122RB223RB324RB425RB526RB627RB728RC0/T1OSO/T1CKI11RC1/T1OSI12RC2/CCP113RC3/SCK /SCL14RC4/SDI/SDA15RC5/SDO16RC617RC718MCLR/VPP1OSC1/

45、CLKIN9OSC2/CLKOUT10PIC16C73c+5VVIN +VSNCNCVSNCCAV NCdB COMBUFO UT RLBUFIN IOUTAD536A-5V业业业业业业业业U图3-9 AD536A与PIC16C73的接口电路图中D1、D2组成双向稳压电路，用来保护AD536A，以免其因输入电压过大而损坏。3.4.2 过载保护过载保护装置一般可分为测量部分、逻辑部分和执行部分，如图 3.10 所示。输入信号输出信号测量部分逻辑部分执行部分整定值图 3-10 过载保护原理框图测量部分时刻监视着被保护线路的运行状态，不断的采集电流信号并加以处理送入逻辑部分，逻辑部分不断的把输入信号

46、和整定值比较，以便判断保护装置是否应该动作，它的输出信号经放大后驱动执行部分的动作元件。目前电网中使用大量的功率补偿器、软起动器、电力电子调速装置和不间断电源等，这些装置都会使配电系统产生高次谐波，而热双金属脱扣器和模拟式脱扣器都不低压电器智能脱扣器设计17能反映故障电流的真实有效值，造成断路器的误动作。现以反映峰值的脱扣值来分析其误动作的原因，图 3-11（a）为一带 10%的 5 次谐波的畸变电流，其峰值电流为110A，真实有效值电流为 71.1A，而以正弦有效值标定的脱扣器，此时对应的电流值为，若反映峰值的脱扣器整定在 72A，则会产生“过保护”的现象。110/277.8A相反，图 3.

47、11 畸变的电流波形如图 3-11（b）的畸变电流带 20%的 3 次谐波，峰值电流为 85A，以正弦有效值标定的脱扣器，此时对应的电流值为=60.1A，而真实有效值为 71.1A，相差近 15%，110/2若此时反映峰值的脱扣器整定在 65A，则会出现“欠保护”的现象。智能脱扣器为了对过载故障电流真实反映其真实值，必须计算电流的有效值。电流有效值当时，但单由于高次谐波的存在，,2mRMII( )sin()mii tIt,2mRMII已不能正确反映，所以，必须采用数值积分的方法计算 2mIRMI。11,1( )( )()( )njnkjj kkjknktttlxttttt数值积分的基本思想就是

48、将积分区间0，T细分为若干个小区间，在每一个小区间上用插值多项式代替被积函数，并对插值多项式进行求积，其结果就是所求积分的近似值。20( )Ti t dt令设插值节点为：2( )( ),f ti t120.hnttttT则拉格朗日插值多项式为： (3-11)1( )( ) ( )nnkkkP tf t l t低压电器智能脱扣器设计18其中： 11,1( )( ),()( )njnkjj kkjknktttlxttttt11( )()nnkkttt由于01( )( )nTkkkf t dtAf t所以(1)2(1)0000( )( )( )( )( )(1)!nTTTTnnfi t dtf t

49、dtP t dttn(1)(1)000( )( )( )( )(1)!nnTTkknkff tl t dtt dtn(1)(1)000( )( )( )( )(1)!nnTTkknkfl t dtf tt dtn 0( )( )nkkkAf tR f其中：为求积公式余项，( )R f 为插值型积分公式 （3-01( )( )nTkkkf t dtAf t12）要使式（3-11）具有 n 次代数精确度，就要求求积公式（3-11）对于都成立，即要求式（3-13）成立。这是含有求积节点和求积系数2( )1, ,.,nf tt ttkt的方程组，为确定值，需要解此方程组，这里选定求积节点，则方程组（3

50、-kAkA2I t13）是关于的线性方程组，方程组的系数行列式是由求积节点组成的范kA1ktTms得蒙行列式，因此方程组有唯一的一组解使求积公式（3-14）具有 n 次代数精确度。011nTkkAdtT20112nTk kkA ttdtT （3-13） 2230113nTk kkA tt dtT 低压电器智能脱扣器设计19011nTnnnk kkA tt dtTn解此方程组得：12.knTAAAAn由此可得22222120( )(.),TRMnTTITi t dtIIITnn令2222121(.)RMnTIIIITn （3-14）222121(.)RMnIIIIn式中：T 采样周期T采样间隔n

51、采样次数若上式中取，采样周期 T 为 20ms,采样频率相当于 1000Hz,一般智能化脱1Tms扣器采样频率取 1000-1620Hz，此时计算误差在 5%左右。3.4.3 短路保护在大型电力系统中，为了限制单相接地短路电流，一般均采用人为的方法将系统中性点经电抗器或消弧线圈接地，使单相接地电流不至超过最大可能的三相短路电流。因此在计算短路电流时，均按三相短路来进行。实际计算中，对于系统中电压的微变可不予考虑，认为系统电压保持不变，即，对于这样的系统称为无穷大系统。KTU常数设有如图 3-12 所示无穷大系统，三相短路前后均为对称电路，故可只讨论 低压电器智能脱扣器设计20图 3.12 系统

52、短路等效电路图一相，其端电压为振幅恒定的正弦波。在正常运行时电路中通过负载电流，若突然在 d 点发生短路，此时电路被短路点分成两个独立回路，右边电路中的电流由原来的值逐渐衰减，直到电感中的储存能量在电阻中转变为热能消耗尽为止。左边电路由于存在电源提供能量，短路瞬间出现过度过程。由于电路中存在电感，所以电流不会发生突变。各相中的电流与相电压满足下列微分方程式 （3-sin()ddmdiuRiLUtdt15） （3-16）sin()sin()mmUitItzz 解微分方程可得： （3-17）sin()sin()RRttmLLdzqmdzqfqUitceItceiiZ积分常数 c 可由 t=0 时初

53、始条件求得：sin()sin()mzqmdcII短路后的短路全电流为 （3-18）sin()sin()RtLdzqmdmdiItIe由短路电流表达式可知，当合闸相角此时的短路电流为最大值，即 0,0,mI （3-19）costTdzqmzqmiItIe 合闸瞬间，t=0，短路电流的波形图如上图所示。由图 3-13 可知，短路电流的最大值出现在短路后的半个周期，即 t=10ms 时，要使电力系统损失最小，脱扣器就必须在短时间内检测到短路电流并发出脱扣信号分断线路。短路保护分为两段：短路短延时和短路瞬动。在短延时保护中，对采集到的电流信号进行有效值处理，每一个采样周期采集 20 个点，用数值积分的

54、方法计算有效值，CPU 将其与整定值比较，并作出逻辑判断。低压电器智能脱扣器设计21为了保证在出现短路情况时，脱扣器能瞬时动作，特别采用四运算放大器 LM324来实现此功能，其连接图如图 3.14 所示。00.020.040.060.080.100.12t/s-1-0 .50 0 .51 1 .52i图 3.13 短路电流波形图本设计采用 LM324 四运算放人器用于整定值比较电路。如图 2-14 所示，LM324 是由四个完全相同的运算放人器组成，其中运算放人器 1.2.3 的同向输入端分别接三相交流电流信号经 AD536A 转换后得到的直流电压信号;它们的反向输入端并联后接短路电流信号整定

55、值，由于基准电压设为 0.2V，且按过流时最人峰值R?RES41IN+ Vcc2IN+GND3IN+ 1out4IN+ 2out1IN- 3out2IN- 4out3IN- 4IN-LM324+5VR?RES4R?RES2R?RES2+5VA业 业业业业业业业业业业业业业业业B业C业业业 业业 业业 业业业业业图3.14 短路保护电路原理图电流值为止常电流值的9倍设计，所以该整定值设为1.8V.运算放大器4的正向输入端接单片机VO口RB6，当线路上出现过流情况，在过流倍数所对应的动作时间到后，单片机RB6脚被置成高电平，单片机1/O口的高电平大于5V;运算放大器4反向输入低压电器智能脱扣器设计

56、22端所接的整定值为2V；4个运算放人器的输出端分别串联二极管后再经并联后接继电器，只要有一个运算放大器输出高电平时，通过继电器就会驱动执行机构动作。由于运算放大器有抑制共模信号，放大差模信号的功能，因此只要同向输入端电压和反向输入端电压有极微小的差异，运算放大器就会立即翻转，这对于提高整定值的精度无疑是大有好处的。3.4.5 模拟脱扣电路Vcc业业业业V RE+IaIbIcVccVcc业业业业 业业 业业业 业业业业 业业业 业业业业业业UtripUout24v图 3.5 模拟脱扣电路原理图微处理器在上电初期要进行上电初始化，无法实现保护，要加入模拟脱扣电路，作为后备保护。模拟脱扣电路用于系

57、统上电初期的短路电流保护和系统运行期间特大短路电流的保护。如图3-15所示，模拟脱扣电路采用硬件比较器电路可以快速判断出断路器接通时出现短路的情况，并做出相应的动作保护。在微处理器运行期间，模拟脱扣电路实现特大短路电路的判断，如果出现特大短路电流，微处理器没有来得及反应，则模拟脱扣电路可做出相应的判断和动作。因此数字脱扣和模拟脱扣相结合，两者互补，增加可脱扣器的可靠性。模拟脱扣电路采用比较器监幅电路来实现，每一相使用两个比较器来完成。电流信号的幅值同参考电平VRE+和VRE-进行比较。比较器采用cbaIII、LM324，其输出是集电极开路的，因此图3-15中所有电压比较器输出并联起来，通过一个

58、上拉电阻接实现线与功能。在正常情况下，微处理器没有发出脱扣信号且电流ccV低压电器智能脱扣器设计23信号的幅值在基准电压范围内，则比较器的并联输出被上拉电阻拉高，否则TRIPU的低脉冲维持一定的宽度，则单稳态触发器被触发，输出一定宽度的脉冲通TRIPUOUTU过驱动电路时磁通变换器打开，从而分断断路器。在实际系统运行中由于干扰的存在，比较器的输出会出现一些不必要的窄脉冲，如果直接接单稳态触发电路，会产生误动作。为了消除干扰，在比较器的输出端加了脉宽检测电路，该电路由一个555器件组成，输出接由另一个555器件构成的单稳态触发电路，电路及工作波形分别如图3.16和3.17所示。脉宽检测电路的工作

59、原理如下：、表示图中各节点。TRIPUTHUQUOUTU来自电压比较器并联的输出端。在正常情况下，比较器输出高阻，此时图TRIPU中NPN三极管导通，被三极管嵌位在其饱和电压0.3V以下，输出高电平。THUQU当电流越限或单片机发出脱扣指令，比较器输出将把拉低，则NPN三极管截止，TRIPU此时接的电容通过R5、R6开始充电，电压升高。如果低脉冲保持一定的THUTHUTRIPU宽度，随着电容充电上升并达到2/3,则输出低电平，触发其后由555器件构成THUccVQU的单稳态电路，输出一个一定宽度的脉冲。由电路的工作波形可知，由于电容充OUTU电需要一定的时间，因此该脉宽检测电路只有在输出低脉冲

60、宽度保持一定的时间TRIPU才能使触发。如果的脉冲过窄，电压达不到2/3，则不会触发，OUTUTRIPUTHUccVOUTU因此通过该电路可以消除前级比较器出现的干扰问题。上述电容充电使电压上升THU到2/3的时间为，设充电电阻为R，电容为C，则ccV0T031.1TIn RCRC图 3.6 中的充电电阻由 R5 和 R6 串联而成。即 R=(R5+R6)。单稳态触发电路的TRIG2Q3R4CVolt5THR6DIS7VCC8GND1555TRIG2Q3R4CVolt5THR6DIS7VCC8GND1555+R3R4R5R6R7R8R9VccoutUUUUTRIPQTH图 3.16 脉宽检测电