摘要：智能框架断路器（下称ACB）是用16位、32位MCU或数字信号处理芯片（DSP）嵌入到断路器中，利用电流、电压传感器对三相电网中的参数进行实时采样，并当负载发生过载、短路时进行保护。

关键词：智能控制器、现场总线、保护特性、电流（电压）采样

1  综述

 随着微电子技术、计算机和网络技术的迅猛发展，以16位、32位MCU或数字信号处理芯片（DSP）嵌入到ACB中，将使ACB成为智能化、网络化、高可靠、小型化、节能、环保、安全的新一代电器。

 发电、输电、变电、调度、配电、储能等智能电网的高速发展将极大地带动了智能电器的发展，智能ACB是配电系统中重要的元件，因此了解智能控制器的原理并正确使用尤为重要。

2  智能控制器的电流、电压采样

 智能控制器的原理框图如图（1）所示：

图（1） 智能控制器原理框图

图中：CT为电流采样互感器

 为速饱和供电互感器

2.1 电流采样

 由于电流采样动态范围很大，从几十安培到150千安（kA），因此使用线性度较好的茹柯夫斯基（Rogowski）线圈，即空芯线圈，工作原理是根据安培环路定律和法拉第电磁感应应律，其输出电压为mV至V（伏）级。当主回路电流较小时，输出只有几十mV电压信号，因而互感器次级引出线传输和放大器阻抗匹配与滤波电路的选择非常重要。

2.1.1 差动放大器采样电流

 对功能较多的带数字表头功能的控制器，因要计算有功功率、无功功率、功率因数，有功电度等，空芯互感器是电感线圈，是一微分环节，用差分放大器进行相位补偿，一般空芯互感器原边与付边 的相移约60°～70°，即互感器的角差。图（2）所示为具有补偿72°相移的差动放大器。(R2=100K  c3=0.1)

图（2）差动放大器电流采样电路

   由于电流测量动态范围较大，使用二级放大器，第一级（KIH）缩小，使最大电流可测120kA～150kA，第二级（KIL）为放大，一般在2倍电流时（2In）满量程。用简单的反相放大器。

   差动放大器抗共模干扰较强，但抗谐波能力较弱。放大器可用Microchip公司的MCP6004轨——轨放大器件。

2.1.2 带通滤波放大器采样电流

  对功能较简单的智能控制器，只有电流显示和短路、过载保护，可用图（3）所示的带通滤波放大器电路，中心频率（f0）为50Hz，带寬设在100Hz～300 Hz，这种电路适用于谐波比较严重的非线性负载中。

图（3）带通滤波放大器电流采样电路

2.2 电压采样：

2.2.1  2mA/2mA电压型电流互感器采样三相电压

 图（4）为电压采样电路，采样相电压时，限流电阻可用150kΩ，AC300V满理程；采样AC690V时，限流电阻可用500 kΩ，AC1000V满量程，使用电压型电流互感器测量电压，其强弱电之间的地线是隔离的，比较安全。

图（4）2mA/2mA电压型电流互感器采样电压

2.2.2  电阻降压型采样三相电压

图（5）为电阻降压型采样三相电压，这种电路的特点是成本低，但强弱电之间的地线不隔离，容易引起干扰或意外事故。

图（5）电阻降压型电压采样电路

2.3 采样频率和电压、电流计算

 根据采样定理：采样频率必须大于信号源频率的2倍，我国电网频率为50Hz，少数进口设备为60Hz。一般采样频率为5～10倍信号源頻率。因此可采用1KHz（1000/50＝20倍）或1.6K(1600/50＝32倍，0.625ms采样一点)或3.2KHz（3200/50＝倍，0.3125ms采样一点）对于有谐波分析功能的控制器，采样频率较高，如分析到15次谐波，则需1.6KHz采样频率，分析到31次谐波，需用3.2KHz采样频率。

  电压、电流计算有三种方法：

  （1）最大值法：

 计算机采样一个周期（20ms）中的最大值，除以即为有效值。

 ，（Urms为电压有效值，Um为电压最大值）

 ，（Irms为电流有效值，Im为电流最大值）

 这种方法简单，适用于波形不畸变且谐波较小的场合。

  （2） 方、均、根法，并称真有效值法：

 式中： N：为一周期（20ms）内采样点数

 ，In为第n点采样值

 为放大器抬高电平。如5V基准，抬高2.5V（）。

（3）查表法

  查表法有平方根查表法和二分查表法两种，用查表法求数值的平方根（即实现开平方运算）可以降低计算机的运算量，但需用较多的存贮单元，目前较少使用。

  一般采用方、均、根法，这种方法，需对采样值进行平方、累加平均、开方运算，占用计算机时间较多，但抗谐波能力较强。

3  智能控制器中的保护特性。

3.1  过载长延时反时限保护特性

  ACB控制器提供6种过载保护特性曲线，在同一电流条件下，各种保护特性的动作时间各不相同。

  （1）SI标准反时限：T＝0.01396 tR/（N0.02-1）

  （2）VI快速反时限：T＝tR/（N-1）

  （3）特快反时限EI（G），（一般用途）

 ＝3tR/（N2-1） 

 （4）特快反时限 EI(M），（马达保护）

 5 tR×Ln[N2/(N2-1.15)

(5) HV高压熔丝兼容

                    T＝15tR/（N4-1）

 （6）I2t通用反时限

  上式中：，过载倍数，I：为主回路采样电流有效值。

 R：为过载长延时保护整定电流。

 R：长延时保护整定时间。

 ：断路器实际脱扣时间。

 目前国内用得最多的保护特性是曲线（6），与过载电流平方成反比。

 3.2 短路短延时保护特性

 短路短延时保护有两种特性，其（一）为反时限十定时限保护，以前的断路器大多用此种特性。

 当：I≥Isd，且I≤8IR为反时限保护

 ＝tsd/N2

 当：I≥Isd，且I＞8IR时为定时限保护

 式中：I为主回路采样电流有效值

 为短延时保护整定电流

 为短延时保护整定时间（一般为0.1,0.2,0.3,0.4s）

 R为长延时保护整定电流

 为短延时保护实际动作时间

 其二为的反时限保护或定时限保护

 反时限保护时与过载长延时保护特性的六种曲线一样，只是动作时间为长延时保护的十分之一。

 当用定时限保护时，在采样电流有效值大于Isd（短延时保护整定电流值）时，按tsd(短延时保护整定时间，一般为0.1,0.2,0.3,0.4s）延时脱扣。

3.3  短路瞬时保护

 由于瞬时保护整定电流阀值较大，为减少短路大电流对电网和负载的危害，采用瞬时值电流脱扣动作，当采样电流连续2ms内均大于瞬时保护电流整定阀值（Ii），即发脱扣命令，计算机继续采样2个周波（40ms）分断时的电流，并存于E2PROM中，以便随后分析故障时参考。

 断路器瞬时保护动作全分断时间：15ms～30ms（含机械动作和电弧熄灭时间）。

3.4 接地故障保护

   接地故障保护用于单相金属性，对地短路保护，这种保护的电流阀值在100A～1600A范围内，是补充长延时过载保护不到的一种保护。它有两种方式，矢量和方式和地电流方式，矢量和方式有3PT（三极断路器）、4PT（4极断路器），（3P+N）T（3极断路器十外接N极电流互感器），可用硬件矢量和（模拟加法器相加）或软件矢量和（采样各极电流的代数和），由于一般MCU只有一个A/D转换器，对各极电流顺序采样，因而采样会产生时差。可用4个采样、保持（S/H），一路A/D，或多个A/D同时采样。

   地电流方式采样变压器次级中性线直接接地电流，用精度为0.2～1.0级的电力互感器，次级输出5A或1A，计算机采样侧再用5A/5mA或1A/5mA的精密测量互感器，其精度和线性度均较好，角差只有几角分。图（6）为接地保护原理图。

图（6）为接地保护原理图。

接地故障保护用于过载长延时无法保护的单相金属性对地短路保护，用于三相电流平衡度较高的场合，如电动机保护，对电流小于800A以下的ACB且用于电动机时，可用此种保护。ACB控制器中的故障最多的是接地保护使用不当。由于大电流条件下，三相电流互感器制造工艺的不一致性，电磁藕合的不一致性，本耒平衡的负载也会出现不平衡电流，建议用户尽量少用接地保护来保护电动机，可使用专用的电动机保护器，软起动器、变频调速器来控制、保护、电动机。

3.5  其它保护

3.5.1  负载监控保护

这种保护针对变压器的容量过载保护。有二种方式，其一为卸载二路次要负载，当负载超过变压器容量时，易引起变压器过载而损坏，先卸载一路次要负载；若仍过载，再卸一路负载，如要合闸，需人工合闸。其二为卸一路负载，并自动重合闸，当负载太大时卸一路次要负载，以后负载又恢复正常，持续一分钟后，控制器会自动发出重合闸命令。

3.5.2  需量电流，需量功率保护

 这也是针对变压器容量过载的一种保护，计算机对15分钟～1小时窗口内滑动平均三相中最大的电流或功率，与变压器的容量进行比较，进而实施保护。

3.5.3  过频、欠频、逆功率保护

这种保护是针对发电机的一种保护，当发电机的频率失控或功率流向发生错误时，进而保护。

3.5.4 缺相及三相电流不平衡、相序保护

这种保护针对电动机进行，建议用户最好选择专用的电动机保护器，软起动器进行保护。用ACB保护电动机不合适。

3.5.5  MCR保护和越限跳闸

 功能是用于断路器合闸瞬时（100ms以内），因负载则产生相间短路或对地短路而立刻分闸，其动作阀值比瞬时保护阀值小，尽量降低短路电流对电网和负载的危害。合闸100ms以后，由瞬时保护完成。

 越限跳闸是完全由硬件电路实现，当短路电流大到一定阀值时，超过比较器的设定门限，比较器翻转直接驱动脱扣电路分断断路器，相当于一后备保护。但当雷击浪涌来扰容易误脱扣。正常的脱扣命令是经硬件和软件滤波、平滑的，而越限跳闸没有滤波措施。

3.5.6  漏电保护

ACB中不适用漏电保护，因其安装比较困难，且零序互感器中穿过主回路导体时绝缘较难处理，漏磁严重，很难实现mA级的人身保护，建议用户用塑壳漏电断路器，和微型漏电断路器实现保护。

4  智能控制器中的可选功能：

4.1  数字仪表功能

4.1.1  三相三线制系统采用二元件法计算有功功率（P）、无功功率（Q），视在功率（S）、功率因数（PF）:

图（7）二元件测量方法

 相为公共点，也可用A相或B相作公共点。

  ——三相总无功功率

    ——三相总视在功率

  ——三相总功率因数。

上式中：N：一个周期（20ms）内电压、电流采样点数，可为16、20、24、32、点。

 、Ubcn为第n点采样线电压瞬时值

 、Ibn为第n点采样线电流瞬时值

、计算无功功率时Q和P相移90°，为采样点。

当＞N时需减N后再计算。

P：三相总有功功率

Q：三相总无功功率

S：三相总视在功率

PF：三相总功率因数。

4.1.2  三相四线制系统采用三元件法计算P、Q、S、PF

图（8）三元件测量方法

 上式中： N为一个周期20ms内采样点数，可为16.20.24.32.点

  为第n点采样相电压

 an 、Ibn 、Icn为第n点采样相电流

 ＞N时，减去N

 ：总有功功率，可以分相计算

 ：总无功功率，可以分相计算

 ：总视在功率，可以分相计算

 ：总功率因数，可以分相计算

4.2 通信功能

目前国内ACB可通信联网的接口大多数是RS—485接口，MODBUS—RTU协议，一般使用9.6K或19.2Kbps速率，其最高速率为38.4Kbps。

MODBUS—RTU协议通信数据格式是一位起始位，八位数据，二位停止位。第一位停止位自动发出，第二位停止位用第九位数据为：“1”作为停止位，由于串行通信为异步方式，虽然两边的计算机都是同一个波特率，但由于两边晶体振荡器的频率不完全相等，采用二位停止位可以降低通信误码率。

如要提高通信速率，可以外接协议转换接口，根据用户不同数据速率要求，外接不同的转换接口，现常用的接口有：PROFIBUS-DP，DeviceNET，CAN、EtherNET等。其通信速率如表1：

 目前国内外一些高端控制器具有电流、电压谐波分析功能，谐波次数分析到31次。对三相电流、三相电压的谐波分析，需要高速数字信号处理芯片（DSP）来完成，对31次谐波，其采样频率需大于信号频率的2倍。即需3.2Ksps——每20ms采样次(0.3125ms采样一批数据)。如此高的采样频率，又要完成大量的计算，一般的16位单片机，10MHz～30MHz时钟频率是很难胜任的。因此需采用时钟为50MHz～100 MHz的DSP来完成，同时有浮点运算协处理器以加速运算。而高速运算的DSP大多数用3.3V供电，它比5V供电的16位处理器（CPU）的抗干扰能力差得多。因而可以用+5V供电的双16位CPU来实现，其一用于信号采集与处理分析，其二用于LCD显示和对外通信联网，而CPU之间可以用SPI高速同步串口交换数据。

建议用户少用这种高端控制器，主要是这种高速处理芯片抗干扰能力较差，可靠性显著下降。且成本太高。

 可以用一只带21次或31次谐波分析的数字仪表装在成套配电柜的进线端，而ACB中的控制器可以用低端的。这样即可靠，又省成本，何乐而不为呢！

5  智能控制器中的可靠性措施

 智能型ACB在诸如电弧炼钢、轧钢机、点焊机、异步电机的变频调速、电机软起动器、中频加热炉、变频空调、节能灯、UPS、开关电源等非线性负荷中应用，会受到电磁干抗、电磁辐射、静电放电、雷击浪涌、谐波等的严重干扰，因此在设计和应用中要提高控制器的可靠性、可用性、可维性。

5.1电源回路中的滤波措施

图（9）电源回路的电磁兼容措施

 图中R1～R3为压敏电阻，AC220V中，可选14k471;AC380V中可选14K821。L1,L2为差模电感，可用几百微亨至 1毫亨，L3,L4为共模电感，可用2～10毫亨，C1,C2,C3为抗差模电容，可选0.1uf/1kV,C4,C5为抗共模电容，可选1000pf～3300pf/1kV。B为电源变压器，原付边之间加屏敝层，接PE保护地。

5.2  电流、电压采样电路和软件递推数字滤波。

 电流、电压采样电路采用滤波性能较好的带通、低通、差动等放大电路，软件使用多点递推平滑滤波。如用FIFO（先进先出）的8点（或16点）递推平滑滤波，每20ms用方、均、根计算一点数据，满8点后进行大、小排队，去掉最大2点、最小2点，中间4点求均值，已能获得较满意的效果。

5.3  加强PCB布线的抗扰措施

用四层印制板，增加电源层和地线层面积，模拟和数字分开布线，最后一点联接地线，强、弱信号分离，高频和低频信与分离。

5.4  选工业级芯片，从一级代理商采购元器件，经测试筛选和温度老化测试，芯片降额使用以提高其使用寿命。在功能能满足的前提下，尽量使用低速和+5V供电的MCU。

5.5  在谐波比较严重的场合使用ACB

尽量不用或关闭接地保护功能，增加中性极（N线）保护的电流阀值，可选1.5或2.0IR（IR为长延时，短延时、瞬时阀值）。必要时用谐波分析仪进行测试，并增加有源电力滤波或无源电力滤波措施后再接ACB 断路器。

6  结束语

 智能控制器在ACB断路器中是关键性部件，它的质量好坏直接关系到ACB可靠性和安全性。我国目前年使用ACB约60万台，其中的控制器性能已经比较可靠，功能也比较齐全，与国外同类产品相比，已完全可以替代。

智能控制器中的中、低端产品使用的是中速16位MCU，+5V供电，经多次改进，性能已较稳定。而高端产品，如具有谐波分析，数字仪表功能、区域联锁、网络通信等势必要用50MHz～100MHz时钟速率的DSP芯片，供电电源一般为3.3V，其内部高速运算部分的供电为1.8V或2.5V，电磁兼容性能不及+5V供电的MCU，因而用户选用智能控制器时不要过分要求功能多、速度快。而要综合考虑，可靠性是第一位的。

对设计者来说，选一款高速的32位DSP，不及选中速（时钟速度为20MHz～50MHz）的两款16位MCU来完成同样功能好得多。

本人研发智能电器已有十多年历史，文中提到的一些技术可供国内同行设计或用户选型时参考。下载本文