断路器用智能脱扣器的设计

论文摘要

低压框架式断路器是电力系统中低压配电网中的主要电器开关之一,它不仅可以接通和分断正常负载电流和过载电流,而且可以接通和分断短路电流。主要在不频繁操作的低压配电线路或开关柜中作为电源开关使用,并对线路、电器设备等实行保护,当它们发生严重过流、过载、短路、断相、漏电等故障时,能自动切断线路,起保护作用,应用十分广泛。随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术和通信技术的飞速发展,断路器的保护装置已由传统的电磁式过流脱扣器发展成采用集成电路的电子式脱扣器,直至目前出现了带高性能微处理器的智能脱扣器。新一代的智能脱扣器采用了模块化结构设计,集测量、监视、控制、通信、保护等功能于一体,在低压系统中得到了广泛的应用。为了满足电网选择性保护的需要,适应市场需求及提高产品竞争力,设计出保护功能完善、性价比高的智能脱扣器具有重要的应用价值。本文主要解决了设计中遇到的一些实际问题。首先在硬件设计上,对于信号检测、处理、电源电路、瑞萨系列单片机的低功耗方式应用以及人机接口电路等问题提出了实现方法,基本实现了大范围电流、电压信号实时监控等功能;其次,本文还对当前各种微机保护算法进行了介绍,分析了傅立叶算法在实现智能脱扣器保护功能中的优缺点,并针对傅立叶算法中计算偏于复杂的问题对该算法进行了改进,提出了基于FFT的改进算法,通过算法的分析和比较,对改进算法的性能给出了评价.在设计中,优化了保护算法,克服了同类产品跳闸速度慢的缺点,很好地解决了跳闸出口灵敏性与准确性之间的矛盾。在本论文中,该智能脱扣器在硬件上以瑞萨公司生产的芯片M16C62LFGP为核心处理器,主要进行数据的实时采集处理和断路器的故障保护等。硬件设计采用了标准化模块设计方法,硬件电路尽可能选择标准化、模块化结构的典型电路,以便扩展。软件程序部分采用模块化的设计方法,设计思想和编制方法,重点介绍了快速傅立叶变换(FFT )的实现。为了保证智能脱扣器在恶劣现场环境下各种保护功能的可靠实现,论文中对智能脱扣器的电磁兼容性设计进行了分析,从硬件和软件两个方面采取了多项设计措施,提高了智能脱扣器的稳定性和可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 国内外低压电器的发展状况及趋势
• 1.2 智能脱扣器的概述
• 1.3 论文研究的目的及意义
• 1.4 论文目标及内容
• 第二章 智能脱扣器的设计原理
• 2.1 电网参数的测量
• 2.1.1 电流和电压的测量
• 2.1.2 频率的测量
• 2.1.3 功率和功率因素的测量
• 2.1.4 电能的测量
• 2.1.5 基于快速傅立叶变换的电网谐波分析
• 2.2 设计功能指标
• 2.2.1 功能指标介绍
• 2.2.2 保护原理算法分析
• 第三章 智能脱扣器的硬件设计
• 3.1 硬件总体设计
• 3.2 电路功能模块的设计
• 3.2.1 MCU 的选型
• 3.2.2 电源模块的设计
• 3.2.3 信号检测电路的设计
• 3.2.4 键盘输入和液晶显示输出的设计
• 3.2.5 开关量输入输出电路的设计
• 3.2.6 脱扣驱动电路的设计
• 3.2.7 温度检测和时钟测量电路
• 3.2.8 组网通信模块
• 第四章 智能脱扣器的软件系统设计
• 4.1 软件设计的总体方案
• 4.1.1 智能脱扣器软件的设计要求
• 4.1.2 智能脱扣器的软件结构
• 4.1.3 智能脱扣器软件的主流程
• 4.1.4 智能脱扣器各功能子程序软件的设计
• 4.2 特性保护功能的软件设计
• 4.2.1 电流保护
• 4.2.2 其他保护
• 第五章 智能脱扣器的电磁兼容设计
• 5.1 硬件抗干扰技术
• 5.2 软件抗干扰技术
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献