支持无线组网功能智能漏电监测微型断路器的设计

韩卫兵

摘要：智能漏电监测微型断路器是智能电网中重要的低压安全保护电器，具有蓝牙无线组网和通信功能，主要用于对用户剩余电流进行监视与控制，支持短路瞬时保护、过载长延时保护功能，同时具备断路器状态判断、故障指示及故障录波功能，支持板级温度检测和万年历计时等功能，根据控制中心的要求，实时读取本节点主回路的电流、剩余电流和断路器的通断状态等参数，为控制中心提供供电决策依据，以确保供电和用电安全。

关键词：无线组网;智能;交流断路器;用电安全

中图分类号：TP3        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）03-00112-04

開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

近年来，我国居民和企业对于电能的需求量迅速增加，导致电网的容量激增，同时现代企业对供电稳定性的要求也愈加苛刻[1]。小型断路器在供电过程中起着非常重要的保护用电的作用，作为保护装置广泛应用于日常民居及各种公共场所电气线路的终端。当线路发生漏电、过载或短路故障时，小型断路器能够及时分断触头，切断线路，保护供电线路及设备[2]。

随着无线通信和物联网技术的快速发展，支持无线组网功能的智能断路器产品近年来开始显露端倪，其优势在于性能稳定、组网方便、功耗较低、便于维护，避免了485通信的布线繁杂与维护困难。

本文介绍了一种基于无线蓝牙组网功能的智能交流断路器的产品规范与性能特点、设计方案和试验测试数据等。

1 产品规范与性能特点

1.1 智能断路器设计满足的规范和标准

（1）DL/T 645-2007《多功能电能表通信协议》

（2）GB/T 16917.1-2014  家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器（RCBO）

1.2 总体性能描述

该断路器的性能特点主要有：

（1）额定工作电压Ue为AC220V/50Hz;

（2）过电流保护功能：断路器具有过载和短路保护功能;

（3）剩余电流保护功能：在剩余电流保护功能打开的情况下，超过剩余电流动作整定值时，在规定的延时时间内剩余电流保护执行动作;

（4）测量功能：主回路电流和剩余电流测量功能;

（5）故障电流录波功能：将过载或短路电流保护脱扣前后各2个周波的电流波形上传;

（6）状态检测功能：断路器通断检测和过载或短路脱扣检测;

（7）LED指示功能：LED指示断路器运行状态、通信状态和故障状态;

（8）通信功能：将本地监测的主回路电流、剩余电流以及断路器的通断、过载或短路脱扣状态通过通信转接模块上传监控中心;

（9）试验功能：具有试验按钮，在按动试验按钮时，能够验证断路器剩余电流测量和保护动作的功能;

（10）支持无线蓝牙自动组网，与上一级的塑壳断路器自动连接;

（11）板级温度检测功能;

（12）计时功能：支持万年历计时和广播校时;

（13）抗干扰能力强，工作可靠。

2 系统硬件设计

2.1 硬件方案介绍

该断路器设备的硬件总体构成由MCU电路、电源电路、双金压降监测电路、漏电信号调理电路、脱扣驱动电路、复位电路、蓝牙通信接口等部分组成，如图1所示。下面依次就各电路子模块功能与原理进行介绍。

2.1.1 控制系统电源

使用空心互感器测量主回路电流，电流测量和漏电流测量信号和主回路进行了隔离，采取上口取电的方案，即使在断路器分闸的情况下，也能够和电表进行正常通信。

2.1.2 信号采集与传输

过载保护与短路保护的信号由双金两端采集（双金阻值一定时，流过的电流越大，双金两端的压降越大），双金采集的信号通过差分放大电路放大，放大后信号由单片机检出并通过通信电路传输给控制系统。

2.1.3 漏电信号采集与传输电路

漏电采集电路由零序互感器将漏电信号检出，通过运算放大电路，放大后由单片机采集处理。单片机将采集的漏电信号通过蓝牙通信传输给中控系统，中控系统通过远程通信可设定漏电动作时间、漏电动作电流和漏电跳闸功能开启。

2.1.4 脱扣驱动电路

脱扣驱动电路主要用于驱动执行器动作，脱扣电路的实现与执行的工作电压有关，需要与电器研发共同设计。

2.1.5 断路器状态检测

断路器下口L、N端子连接状态检测电路，并通过整流和光耦隔离给单片机输出脉冲波形。断路器在分闸时，没有脉冲输出，合闸时有脉冲输出，单片机系统据此判定断路器的分合闸状态。

2.1.6 试验按钮检测

试验按钮检测电路与断路器状态检测是一个整体检测模块，当试验按钮按下时，经过整流和光耦隔离输出的脉冲周期会延长1倍，以此区分试验按钮按下与否。

2.1.7 蓝牙通信接口

BLE从模块通过硬件SPI接口与断路器进行设备数据交互，协议格式采用DLT/645通信协议。系统上电后BLE从模块会循环读取断路器地址，读取间隔为2秒，直到成功获取断路器地址。

3 系统软件设计

3.1 基本设计概念

为了降低软件的设计复杂性，增强软件的易维护、易修改和移植性特点，本系统软件采用了程序的模块化设计。

程序的模块化设计中，选择合适的模块数量能降低模块的复杂性，减少模块之间的耦合并能增加模块本身的内聚性。结合本系统的功能需求和总体设计方案分析，现将其软件总体分为8个模块，分别为：计算模块、LED显示模块、通信模块、控制脱扣模块、故障判断、录波保存、故障数据保存、系数校准。

计算模块是通过计算采样到的一个完整周波的剩余电流或电流对应的AD值数组，将AD值与平均值相减后求平方和再开方，最后乘以对应的系数，即可计算出剩余电流或电流的有效值。

LED显示模块用来以1Hz的频率刷新显示系统运行绿色LED。

蓝牙通信模块是与上位机（中继器）通信模块进行数据指令的读写操作。与上位机（中继器）通信模块响应上位机发送过来的命令，实现上位机的相关操作，通信接口是SPI，软件协议是DLT645-2007。

故障判断模块是分别判断短路故障和过載故障的，具体判断原理分别是短路故障根据瞬时采样中连续2个点对应的AD值大于一定的阈值，则判断为短路;而过载故障是当前电流的有效值大于额定电流值的1.13倍，则系统脱扣并记录为过载故障。上述两个故障发生后，红色故障LED点亮。

录波保存模块是将短路故障和过载故障发生前后的各两个周波进行采样转换和保存，每个周波保存16个采样点，采样值经过系数计算得到瞬时电流值并发送到上位机。

故障数据保存模块是将故障发生类型、故障发生数值、故障设定参数在故障发生时将上述参数保存到系统的DataFlash中，当上位机软件读取时，可以正常读出。

系数校准模块包括剩余电流系数校准、电流I1系数校准、电流I2系数校准。

3.2 基本处理流程

单片机系统上电后，先进行一系列的初始化操作，包括：时钟初始化、端口初始化、全局变量初始化、外设初始化等，之后进行主循环的操作，先后执行的函数包括计算剩余电流有效值、计算电流I1有效值、计算I2有效值、LED显示处理、通信数据处理、控制脱扣处理、过载短路故障处理、故障前后各2个周波保存处理、故障记录保存和系数计算等。如图2所示：

其中，通信数据处理的基本处理流程如图3所示。

4 系统样机测试

4.1 测量功能

本断路器具有主回路电流和剩余电流测量功能。电流有效值测量和剩余电流的需求指标如表1所示。

电流和剩余电流有效值测量值如表2所示。

4.2 电流保护功能

电流保护分为过载保护和短路保护，过载保护通过内部双金实现，过载保护动作值：1.13In～1.45In;短路保护通过电磁结构实现，短路保护动作值：5In～10In。如表3所示：

4.3 剩余电流保护功能

断路器剩余电流保护功能的开启只能由远程通信控制，出厂断路器默认此功能为关闭。

剩余电流保护功能关闭时，断路器作为从机根据监控中心的命令要求上传本地的剩余电流测量值，而不进行剩余电流保护。

当监控中心需要某个节点的断路器进行剩余电流保护时，其会给此节点的断路器发送命令，将剩余电流保护功能开通，在开通使能的同时，监控中心可设置剩余电流保护的动作整定值和动作延时时间。剩余电流保护功能开通的条件下，如果断路器检测到负载回路的剩余电流超过动作整定值，且连续时间达到所设置的延时时间，断路器给内部的执行机构发出命令，使断路器分断。此时监控中心可读取断路器脱扣状态和断路器分断状态，同时可读取剩余电流动作的故障记录。如表4所示。

剩余电流保护特性实际值如表5所示。

4.4 故障电流录波功能

本断路器具有故障电流录波功能。

当断路器发生过载或短路故障时，断路器可以记录到其脱扣前后各2个周波的电流实时值，每个周波固定频率采集16个点，每个数据点以2个字节记录。实际测试故障点前后的录波数据和波形如图4所示。

4.5 故障记录功能

故障记录功能是记录最近一次发生故障的故障类型、故障参数值等，实际测试故障记录信息如表6所示。

该故障记录数据存储在单片机内部的DataFlash中，当故障发生时，故障记录的数据会发生更新并保存，待上位机软件读取时，可以从DataFlash中读出并回传到上位机。

4.6 其他功能

该断路器还具有板级温度检测、万年历计时、设备故障指示等功能，在此不再赘述。

5 结语

本文介绍了支持自动组网功能的智能小型交流断路器软硬件设计方案和试验测试数据。该智能断路器采用最新的蓝牙无线组网和通信技术，除了传统断路器的基本功能外，还包括故障录波、故障信息记录、板级温度检测、万年历计时等功能。根据控制中心的要求，实时读取本节点主回路的电压、电流、剩余电流和断路器的通断状态等参数，为控制中心提供供电决策依据，以确保供电和用电安全。

参考文献：

[1] 龚骏昌.小型断路器现状及发展趋势[J].电器与能效管理技术，2016（1）：1-7.

[2] 陈文华，张文，潘骏，等.小型断路器操作机构的动作可靠性分析[J].中国机械工程，2015，26（21）：2918-2922.

【通联编辑：代影】