斷路器開題報告

斷路器開題報告

　　低壓斷路器也稱為自動空氣開關，可用來接通和分斷負載電路，也可用來控制不頻繁起動的電動機，以下的開題報告便是對低壓斷路器的研究。

　　一、選題的背景與意義

　　低壓斷路器又稱自動開關，它是一種既有手動開關作用，又能自動進行失壓、欠壓、過載、和短路保護的電器。它可用來分配電能，不頻繁地啟動異步電動機，對電源線路及電動機等實行保護，當它們發(fā)生嚴重的過載或者短路及欠壓等故障時能自動切斷電路，其功能相當于熔斷器式開關與過欠熱繼電器等的組合。 但是隨著電力技術的高速發(fā)展和供電規(guī)模的日益擴大，系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構和運行方式日趨復雜，對電源的可靠性、安全性及供電質(zhì)量也提出了更高的要求，相應地對系統(tǒng)設備的操作簡便性和安全性以及可靠性也提出了新的要求。低壓斷路器作為電力供配電系統(tǒng)中廣泛使用的主要控制電器，除了要能正常分合相關系統(tǒng)額定電流外，還要在相關系統(tǒng)故障時能快速有選擇性地可靠分斷相關系統(tǒng)短路故障電流，且不能出現(xiàn)越級跳閘或拒動現(xiàn)象。

　　特別是隨著電力系統(tǒng)控制方式數(shù)字化進程的發(fā)展應用以及電力系統(tǒng)綜合自動化的廣泛應用，對系統(tǒng)可視化、自動化、網(wǎng)絡化、實時化、精確化的要求越來越高，相應地對應用面積廣、網(wǎng)絡結果復雜、操作較頻繁、故障率高的低壓斷路器也就提出了更高的要求，傳統(tǒng)斷路器根本無法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)綜合自動化的需要。智能化技術的應用于是成了低壓斷路器的一個重要發(fā)展應用方向，所以對于低壓斷路器的智能化研究越來越有必要。

　　智能化斷路器中智能化技術的應用核心是保護、測量、監(jiān)控于一體的多功能脫扣器，它主要由微處理器單元、信號檢測采集單元、開關量輸入單元、顯示和鍵盤單元、執(zhí)行輸出單元、通信接口、電源等幾部分組成。

　　該次設計主要以MSP430F147微控制器為核心控制單元的優(yōu)化方案展開，采用帶增益可調(diào)和反混疊濾波器的電流信號調(diào)理電路設計，電源電路采用帶滯回特性的并聯(lián)穩(wěn)壓電路設計，微控制器監(jiān)測系統(tǒng)和時鐘系統(tǒng)及低功耗的電路設計。正是由于滿足上述設計理念，因此，與傳統(tǒng)智能控制器的電路相比，具有電路設計簡單、可靠修煉果高、抗電磁兼容性強等優(yōu)點。

　　二、研究內(nèi)容和擬解決的主要問題

　　為了實現(xiàn)反時限保護，必須進行電流采樣，再進行電流的顯示與計算，這樣能更好的實現(xiàn)反時限保護。所以主要的研究方向是如何進行電流采樣、電流的顯示與計算，還有就是在前兩個基礎上設計反時限保護，過載反時限保護采用MCU控制，短路、缺相采用硬件直接控制以縮短斷路時間。

　　為此我們要設計電流采樣電流，還要對采樣的電流現(xiàn)實與計算。

　　對于上述的要求。研究的內(nèi)容包括：

　　1.查閱有關低壓智能斷路器方面的資料，了解國內(nèi)外低壓智能斷路器設計的狀況以及未來的發(fā)展趨勢。理解智能低壓斷路器的基本原理、組成和特點。

　　2.反時限保護：過載長延時、短路短延時、短路瞬時;

　　3.漏電保護;

　　4.顯示電流有效值，保護狀態(tài);

　　5.各種參數(shù)可進行調(diào)節(jié);

　　6.能消除輸入信號中的高次偕波，避免誤動作;

　　7.帶通訊功能。

　　研究目標：通過對低壓斷路器智能化的設計與研究，對該設計有一個深刻的認識與理解，完成上述的設計要求和內(nèi)容。

　　三、技術路線、研究方案和可行性分析

　　1.智能斷路器控制部分設計方案

　　三相四線輸入電流經(jīng)電流互感器獲取電流信號，經(jīng)電流處理部分將電流信號轉變?yōu)?-3.3V的電壓信號輸入到AD，單片機進行信號處理，根據(jù)電流大小設定延時時間，顯示電流有效值，整定電流等電參數(shù)，同時這些參數(shù)通過串行口發(fā)送到上位機。

　　一旦負載過電流超過設定的時間，單片輸出控制信號到脫扣器部分，使斷路器斷開(如圖1)。

　　圖1智能斷路器控制器框圖

　　2.電路互感器

　　電流互感器原理是依據(jù)電磁感應原理的。電流互感器是由閉合的鐵心和繞組組成。它的一次繞組匝數(shù)很少，串在需要測量的電流的線路中，因此它經(jīng)常有線路的全部電流流過，二次繞組匝數(shù)比較多，串接在測量儀表和保護回路中，電流互感器在工作時，它的2次回路始終是閉合的，因此測量儀表和保護回路串聯(lián)線圈的阻抗很小，電流互感器的工作狀態(tài)接近短路。

　　3.斷路器保護

　　斷路器的保護特性主要是指斷路器對電流的保護特性，一般用各種過電流情況和斷路器動作時間的關系曲線來表示，如圖4是斷路器三段電流保護特性曲線。

　　斷

　　路

　　器

　　的

　　動

　　作

　　時

　　間I(A)

　　圖4 斷路器電流保護特性曲線

　　在圖4中，ab段是過載長延時部分，具有過載電流越大，動作時間越短的反時限特性;cd，de段為短路延時部分，其中屬于定時限動作，就是當電流達到一定值時，經(jīng)過一段設定好的延時后再動作;cd屬于反時限特性，隨著電流越大動作時間越短;fg段為瞬時動作部分，當故障電流達到規(guī)定時，馬上動作，切斷故障電路。

　　由于定時限特性具有計算和調(diào)試方便等優(yōu)點，所以得到了廣泛的應用。反時限特性的優(yōu)點是：反時限特性和電流的大小有關，當電流越大時動作時間，動作

　　時間越短，在電流小時動作時間長。因此在電源附近的線路上發(fā)生短路時可以較快地切除故障，在遠端短路時動作時間變長，所以一般情況下反時限保護可以用較短的平均動作時間切除短路故障。

　　本文所研究的主要保護就是反時限保護。

　　過流反時限保護：反時限過電流保護的動作時間是一個變數(shù)，隨短路電流大小而變，短路電流大，動作時間快，短路電流小，動作時間慢，表現(xiàn)為反時限特性。就是說繼電保護的動作時間與短路電流大小有關，成反比例關系。與反時限保護相對應的是定時限保護,定時限保護的動作時間與故障電流無關，是一定的。

　　本設計中反時限保護包括過載長延時保護、短路短延時保護、短路瞬時保護。

　　4.電源電路

　　為了降低電源電路的工作功耗和工作溫升，電源電路采用帶滯回特性的并聯(lián)穩(wěn)壓電路設計，如圖2所示。圖2中，包括電壓檢測及控制單元、調(diào)整管IRLR024N、TVS管633/24A、濾波電容C4、C5和隔離二極管D7(1N4007)。當電壓檢測及控制單元通過分壓電阻R 、R 和電容C：檢測當前的輸出電壓Udd(DC 18 V)值高于或低于預設值時，由帶滯回特性的電壓檢測器HT7050控制調(diào)整管IRLR024N的導通或閉合，使輸出電壓Udd更加穩(wěn)定。

　　5.采樣電路

　　信號檢測采集單元作為智能化斷路器十分重要的組成部分, 要求有高的轉換精度、靈敏度、可靠性、頻率響應、測量范圍以及抗干擾能力, 以便微處理單元能夠作出精確的判斷處理。因此,信號檢測采集單元將保護信號和測量信號分別取自不同類型的電流互感器,以滿足保護和測量的要求。在測量大電流(短路電流)時基本上都采用線性度好、精確度高的空心電流互感器進行保護信號的檢測;而小電流及電參數(shù)的檢測則采用鐵芯互感器;測量和保護用的電壓信號則由電壓互感器獲得。上述信號經(jīng)過信號處理電路后,便能將主回路中的電壓及電流信號線性的轉換為數(shù)字電路和單片機可處理的電平信號,經(jīng)單片機分析判斷后發(fā)出信號或控制斷路器的動作。要對斷路器的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測，就必須對外電路的電流信號進行采集。本設計中的采樣電路如圖3所示。

　　6.放大電路

　　由于在信號采集電路中采集出來的信號非常的小(幾十毫伏左右)，所以要把該信號經(jīng)過放大電路的放大以后才能進行A/D轉化，這樣就需要一個放大電路來實現(xiàn)。通過放大電路將采集過來的小信號放大成稍大的信號進入單片機中進行處理，放大電路放大電路由四個相同的小放大電路組成，使用的芯片是LM224D放大芯片。

　　圖3 放大電路

　　圖中LM224D是由四個小的反向比例放大電路組合，反向比例的公式是(式1)：

　　u0=RfR1?ui (式1)

　　可行性分析

　　低壓斷路器是低壓配電系統(tǒng)中的重要電器件, 用來對電動機、變壓器和電纜等設備進行過載、短路和接地故障等保護。微處理器引入斷路器,對三相電流信號和漏電流信號的處理，來對斷路器后面的動作控制。通過傳感技術、控制通訊技術、電力電子技術等結合, 一方面可以在同一臺斷路器上實現(xiàn)多種功能, 使單一的動作特性有可能做到一種保護功能多種動作特性, 另一方面可使斷路器實現(xiàn)與中央控制計算機雙向通訊,構成智能化的監(jiān)控、保護、信息網(wǎng)絡系統(tǒng), 使斷路器從基本保護功能發(fā)展到智能化的保護功能，因此智能化在斷路器應用是可行的。

　　四、實施計劃

　　第一周至第二周 開題

　　第三周至第五周 查閱資料，對智能斷路器及設計的各個問題深入研究 第六周 中期檢查

　　第七周至第八周 實現(xiàn)設計中所要求的實物及要求

　　第九周 期末驗收，進行畢業(yè)論文撰寫

　　第十周至十四周 編寫資料形成畢業(yè)設計全部文件，交指導老師審查修

　　改，準備答辯

　　第十五周 畢業(yè)答辯

　　五、主要參考文獻

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