剩余電流自動重合閘塑殼斷路器創新設計(電力）

劉  權

（新馳電氣有限公司，浙江省樂清市325601）

摘要：介紹新馳電氣有限公司SCBR62系列剩余電流自動重合閘塑殼斷路器的工作原理，并描述該系列斷路器創新設計要點：采用帶隔離功能的控制器強行將主電路和控制器電路完全接通和斷開：采用旋轉拉動及齒輪抱死的電動操作機構，確保電機轉動軸受力更加均勻；采用超低功耗、16位精簡指令系統( RISC)的微控制器MSP430F147為核心器件，構建一個低功耗、高性能的測控系統。

關鍵詞：斷路器；自動重合閘；剩余電流；隔離

功能；創新設計；安全可靠；操作機構；微控制器

 中圖分類號：TM561     doi:   10. 3969 /j. issn. 1003 - 8493. 2016. 06. 011

0  引言

    在低壓配電系統中，剩余電流斷路器是防止電擊事故、防止線路或設備接地故障引起火災事故的有效措施。傳統剩余電流斷路器只具有剩余電流保護功能，不帶自動重合閘功能，因此不管是對用電用戶還是對用電管理部門來說，維護和管理都是非常麻煩的事情。

    新馳電氣有限公司快速響應新的市場需求，著眼于提高產品的可靠性，采用創新的設計理念，自主研發了SCBR62系列剩余電流自動重合閘塑殼斷路器，該系列斷路器在實現操作的簡易性，使用的可靠性、安全性和速動性方面的優勢明顯。

1  剩余電流自動重合閘塑殼斷路器的工作原理

    SCBR62系列斷路器在供配電系統中的主要作用是對線路中的過載、短路、剩余電流、缺相、“斷零”和欠過壓等故障進行檢測和保護。采用以微控制器(MCU)為核心控制單元，通過檢測線路中的電流、電壓和剩余電流信號，完成監測和控制斷路器的工作。原理如圖1所示，采用電流互感器和零序電流互感器檢測主回路的電流和剩余電流信號，通過智能控制器完成有效的計算和邏輯信號控制。當控制器監測到電流、電壓和剩余電流異常后，在規定的時間內命令磁通變換器迫使斷路器脫扣；在電壓和剩余電流恢復正常時，在規定時間內由電機控制斷路器重合閘。該控制器包括整流電路、電流信號調理電路、電壓信號調理電路、剩余電流信號調理電路、電源電路、微控制器(MCU)、脫扣和電機控制電路、MCU所需電路、通訊電路和人機操作界面電路。

2  剩余電流自動重合閘塑殼斷路器的創新設計

    經過大量的市場調研、樣機對比，以及摸底試驗和技術難點的攻關，SCBR62系列剩余電流自動重合閘塑殼斷路器具有以下創新設計要點：帶隔離功能的控制器強行將主電路和控制器電路完全接通和斷開，有效提高斷路器安裝及維修時的安全性和簡易性：旋轉拉動及齒輪抱死的電動操作機構，確保電機轉動軸受力更加均勻，可靠性高；采用超低功耗、16位精簡指令系統( RISC)的微控制MSP430F147為核心器件，構建一個低功耗、高性能的測控系統。

2.1  控制器強行接通和斷開裝置設計

    傳統剩余電流自動重合閘塑殼斷路器的控制器強行接通和斷開裝置采用船型開關或自鎖開關設計。其缺陷：裝有剩余電流自動重合閘塑殼斷路器的成套柜，在驗收介電試驗時，需拆除斷路器或斷開此部分電路，導致驗收非常不方便；同時船型開關或自鎖開關只是接通和斷開控制器的一部分電路（只控制MCU供電電源的接通和斷開），導致在斷路器安裝和維修時安全性降低。

    SCBR62系列斷路器采用帶隔離功能的控制器強行接通和斷開裝置，同時將主電源直接通過控制器強行接通和斷開裝置連接控制器電路，大大提高了斷路器安裝和維修時的安全性。如圖2所示，該裝置包括底座、蓋子、手柄，手柄暗裝在底座和蓋子之間，底座與滑塊之間設有彈簧，控制滑塊在底座上平行滑動，其滑塊中插有出線端接線片，底座中固定有進線端接線片，通過滑塊的運動完成隔離功能的接通和斷開。當斷路器進行介電試驗時，將控制器強行接通和斷開裝置的手柄掰到斷開位置，隔離并斷開主電源和控制器電路，可以方便進行介電試驗；掰動手柄到接通位置，主電路和控制器電路可靠接通。

2.2  電動操作機構設計

    傳統剩余電流自動重合閘塑殼斷路器的電動操作機構普遍采用旋轉拉動及彈簧抱死結構設計，其缺陷：曲柄連桿機構轉動時受力不均勻，導致電機轉動軸及齒輪損壞，同時抱死彈簧容易斷或變形損壞，導致其可靠性降低；齒輪齒條結構設計雖然推拉力大，但結構設計復雜、機構容易卡死，導致其可靠性降低。為解決上述設計缺陷，電動操作機構采用旋轉拉動及齒輪抱死結構設計，如圖3所示，包括：手柄、連桿、手動推桿、曲柄、彈片、棘爪、棘輪和電機。電機旋轉操作時，由電機轉動軸帶動棘輪旋轉，然后由棘輪的旋轉帶動棘爪的旋轉構成齒輪抱死，再帶動曲柄作旋轉圓周運動，使連桿前后運動來操作斷路器的手柄，實現分閘、合閘和再扣等動作；手動操作時，順時針旋轉由彈片限位柄解除棘輪、棘爪的齒輪抱死，實現手動可靠合閘，逆時針旋轉時由棘爪、棘輪構成齒輪抱死，防止手動逆時針旋轉對機構的損壞。

    通過上述創新設計的電動操作機構，不但能有效解決傳統旋轉拉動及彈簧抱死結構由于曲柄連桿機構轉動時受力不均勻導致電機損壞和抱死彈簧容易斷或變形損壞的缺陷，而且也能有效解決齒輪齒條由于結構設計復雜而導致機構容易卡死的缺陷，大大提高斷路器的可靠

性，更加符合客戶的實際需求。

2.3微控制器電路設計

    為滿足剩余電流自動重合閘塑殼斷路器速動性、可靠性和安全性的基本要求。本系統選用超低功耗的16位精簡指令系統(RISC)的微控制器MSP430F147作為核心器件，構建一個低功耗、高性能的測控系統。其中MSP430F147微控制器系統結構如圖4所示。該器件和其所需電路配合使用，具有以下特點：

    a．  快速復位電路和低功耗：在3.3 V@1 MHz全速運行模式下僅有400A的電流消耗。加上微控制器獨有的超快速復位能力(50s)，保障系統能在上電后的3—5 ms內投入正常運行。這兩大特性確保斷路器在電路故障狀態合閘時迅速啟動保護功能，從而最大限度地保障配電系統的安全。經實際測試，本系統電路能在通電的第一個周波內建立起穩定的工作電壓，系統從通電到投入正常工作的時間不超過6 ms。

    b．  微控制器內嵌8通道12位模數轉換器(ADC)，簡化了采樣通道信號調理電路的設計，尤其是該ADC的自動掃描(Auto-Scan)模式能實現嚴格意義上的等周期采樣，從而保證現有數字信號處理理論的有效性。

    c．微控制器配備雙時鐘系統，確保在系統主時鐘失效情況下立即啟動備用時鐘，使得整個系統的可靠性和安全性大大提高。

    d．微控制器內嵌的Flash存儲器使整個系統避免使用外部存儲器，從而極大地降低了數據存儲的誤碼率，提升了系統的可靠性、安全性。

    e．微控制器配置兩套監控系統，以兩個不同的周期監控微控制器的運行狀態，一個采用計數驅動方式，另一個采用邊沿觸發驅動方式，能有效保障微控制器的正常工作，更加符合抗電磁兼容的設計要求。

3結語

    經試驗和實際應用證明SCBR62系列剩余電流自動重合閘塑殼斷路器的設計，更加符合實際工作需求，具有以下創新設計：

    a．采用帶隔離功能的控制器強行將控制器電路和主電路完全接通和斷開，有效提高剩余電流自動重合閘塑殼斷路器安裝及維修時的安全性和簡易性。

    b．采用旋轉拉動及齒輪抱死的電動操作機構，確保電機轉動軸受力更加均勻，棘輪、棘爪構成的齒輪抱死設計大大提高剩余電流自動重合閘塑殼斷路器的可靠性。

    c．采用超低功耗、16位精簡指令系統(RISC)的微控制器MSP430F147為核心器件，其各配備兩套監測系統和時鐘系統，構建一個低功耗高性能的測控系統，更加符合剩余電流自動重合閘塑殼斷路器的可靠性、安全性和速動性的基本要求。