目录
摘要：..................................................................................................................................... I ABSTRACT .............................................................................................................................. II 第1章绪论 (1)
1.1引言 (1)
1.2脱扣器概述 (1)
1.3课题研究目的及意义 (3)
1.4课题内容概述 (3)
1.4.1 硬件电路设计 (3)
1.4.2 软件设计 (4)
第二章智能脱扣器结构设计 (5)
2.1智能脱扣器的设计原理 (5)
2.2智能脱扣器的工作原理 (5)
第3章智能脱扣器的硬件设计 (6)
3.1硬件总体设计及工作原理 (6)
3.2信号采集与处理 (7)
3.3空心电流互感器的计算 (7)
3.4单片机的选用 (11)
3.4各分电路及相关计算 (14)
3.4.1 真有效值转换电路 (14)
3.4.2 过载保护 (16)
3.4.3 短路保护 (19)
3.4.5 模拟脱扣电路 (22)
3.4.6 脱扣输出电路 (24)
3.5负载监控 (25)
3.6自诊断和监察 (25)
第4章软件设计 (27)
4.1软件系统的总体设计 (27)
4.2初始化子程序 (29)
4.2.1 定时器初值的设定 (29)
4.2.2 定时器T1的设定 (29)
4.2.3 定时器T0的设定 (30)
4.2.4 与A/D转换相关的寄存器 (30)
4.2.5 A/D控制寄存器ADCON1的设定 (30)
4.2.6 A/D控制寄存器ADCONO的设定 (31)
4.3过流判断子程序 (31)
4.4过流处理子程序 (31)
4.4.1 过流处理子程序流程图 (31)
4.4.2 非首次过流处理子程序 (32)
4.5中断子程序 (33)
第5章人机交互界面 (35)
5.1智能脱扣器外壳 (35)
5.2硬件电路设计 (35)
5.3软件设计 (36)
第6章可靠性与抗干扰设计 (38)
6.1电器可靠性设计 (38)
6.1.1 硬件设计方面 (38)
6.1.2 软件设计方面 (39)
6.2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)
低压断路器智能脱扣器的设计
摘要：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：断路器，脱扣器，智能脱扣器
The Low-voltage Breaker Research on the
Intelligent release
ABSTRACT：The 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 electromagnetic 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-designed, 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 releaser's functions and make it accord with requirements of distribution system. The basic principles of 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
第1章绪论
1.1引言
低压断路器是低压配电系统中的主要元件，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。同时
微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，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。
第二章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3章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:
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(A／D)转换成数宁信号；CPU根据这些信号进行逻辑运算和处理，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，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：
n
1I Rogowski 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
dt
t dB NA dt d t e )()(-=-=φ （3-1） 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
0()()2i t B t r
μπ= （3-2） 式中， 70410(/)H m μπ-=?，为真空磁导率。
合并式（3-1）与式（3-2）可得
dt
t di r NA dt t dB NA t e )(2)()(0πμ-=-= （3-3）
图3-3给出了图3-1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()()()h di t e t L R i t dt =+
式中，2()i t 为流过线圈的电流，0h h R R R =+。
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 R L -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22()/()h Ldi t dt R i t <<或02()()2h NA di t i t rR dt
μπ=-时，可得 2()()/h i t e t R
= 从而有
02()()2h NA di t i t rR dt μπ=-
一般地，采样电阻都远大于绕线的电阻，可以认为00()()di t u R i t K
dt ==-。令0/2K NA r μπ=，由式（3-5）可得从采样电阻0R 上输出的电压为
00()()di t u R i t K dt ==-
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0u 与被测电流i 之间会存在/2π的相位差。若直接用0u 作为被测电流信号，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。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0u 与()i t 的相位达到一致。
（3-4） (3-5) (3-6)
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
..
0U j K I ω= （3-7） 由图3-3可知，RC 积分电路中，电容C 上的电压为
..K Uc I RC = （3-8）
将式（3-7）代入式（3-8）即得
RC
j k j U c ωω+=1 （3-9） 适当选择R 和C 的值，使1j RC ω>>，上式可近似等效为
I RC
K U C = (3-10) 式（3-10）表明，经过RC 积分环节后，测量回路输出电压.Uc （t ）与被测电流()
i t 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。
1
2
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