智能脱扣器的设计学士学位论文.docx
《智能脱扣器的设计学士学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能脱扣器的设计学士学位论文.docx（44页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
智能脱扣器的设计学士学位论文
提供全套毕业论文图纸，欢迎咨询
毕业设计
题目：
智能脱扣器的设计
系：
电气信息学院
专业：
电气工程及其自动化班级：
电气0705学号：
200701010511
学生姓名：
廖浩安
导师姓名：
施晓蓉
完成日期：
2011年6月10日
诚信声明
本人声明：
1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；
2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；
3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。
作者签名：
日期：
年月日
湖南工程学院
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
智能脱扣器的设计
姓名廖浩安学院电气与信息工程系专业电气工程及其自动化班级0705学号200701010511
指导老师施晓蓉教研室主任谢卫才
一、基本任务及要求：
在规定时间内，设计一套配有微处理器程序控制的人工智能型脱扣器：
1、整体方案的确定；
2、保护功能的设计；
3、实时监控电流、电压、故障，显示并报警；过载预报警及故障记忆；对电参数的测量。
4、软件设计；
5、智能脱扣器硬件系统设计。
二、进度安排及完成时间：
（1）2月20日至3月12日：
查阅资料；撰写文献综述、撰写开题报告。
（2）3月13日至3月25日：
确定设计方案。
（3）3月28日至4月9日：
毕业实习、撰写实习报告；
（4）4月10日至5月31日：
毕业设计；
5月中旬：
毕业设计中期抽查
（5）6月1日至6月10日：
撰写毕业设计论文,修改论文，准备答辩；
（6）6月11日至6月13日：
毕业设计答辩。
智能脱扣器的设计
摘要：
断路器作为电力系统中用于对各种故障进行保护控制的一种开关电器，而脱扣器是断路器的核心检测和控制单元，对被保护线路电参数进行检测，在符合条建设进行检测和控制单元。
本课题利用微电子技术及单片机技术，采用微处理器，设计出小型的智能脱扣器，不仅能够实现脱扣功能，即实现预想的保护功能，还能对脱扣器的电参数进行选择即可实现对多种不同场合的保护，使得脱扣器的性能得到提高，功能得到增强，符合配电系统的要求。
关键词：
断路器，脱扣器，电参量，智能化
DESIGNONTHEINTELLIGENCERELEASER
Abstract：
Circuitbreakerusedasaswitchingequipmentforprotectionandcontrolofvariousfaultsinthepowersystem,whilethereleaseisthecoremonitoringandcontrolunitofthecircuitbreaker,testingelectricalparametersoftheprotectedcircuit,testinginlinewithaconstructionandcontrolunit.
Thesubjectusingmicro-electronicstechnologyandmicrocontrollertechnology,usingmicroprocessorstodesignasmallintelligentrelease,notonlytoachievereleasefunction,whichistoachievethedesiredprotection,butalsocanchoosetheelectricalparametersoftherelease,whichistoachievetheprotectionofavarietyofdifferentoccasions,makingtheperformanceofthereleaseisimproved,functionalityisenhanced,inlinewiththerequirementsofpowerdistributionsystem.
Keywords:
breaker,releaser,electricityparameter,intelligentize.
第1章绪论
随着社会的发展、技术的进步，电力在工农业生产与人民生活中发挥着越来越重要的作用。
如何保证电力系统高效、稳定运行，提高供电质量，保护用电设备及人身安全，一直是电力系统设计中面临的重要问题。
为了满足实际应用的需要，出现了用于电力线路接通和分断控制的器件——断路器。
断路器作为电力系统中一种重要的开关器件，广泛应用于各类电网的供配电系统，其核心器件为脱扣器。
脱扣器在断路器中负责信号的采集与控制执行元件完成线路接通和分断操作，所以脱扣器的性能关系着断路器是否可以准确、高效的实现对线路的控制和保护作用。
1.1脱扣器的国内外发展现状
脱扣器的发展基本上经历了以下几代：
第一代脱扣器是电磁式过电流脱扣器，该种脱扣器功能简单，精度低，动作单元为热继电器，靠双金属片受热弯曲变形发出脱扣信号，但在通过大电流或机械碰撞后双金属片易产生永久变形，使脱扣器工作不稳定。
第二代脱扣器即电子式脱扣器出现在70年代，它利用阻容回路的充放电调整动作时间，通过调整电位器来设定动作电流整定值，在很大程度上提高了断路器的保护性能，但其动作时间的整定精度不高而且也不具备监控、显示和联网通信功能。
第三代脱扣器出现在80年代后期到90年代初期，它不仅具有第二代脱扣器的保护功能，还增加了显示和网络通信功能，用户可以借助网络通信功能对脱扣器进行远程控制（第三代脱口器中的网络通信功能只能完成单一主机和单一脱扣器之间的通信，无法实现单一主机与多个脱扣器之间的通信）。
同时由于微处理器在脱扣器中的应用，使脱扣器更加智能化，脱扣器的功能也越来越强，它可以实时显示电路中的各种参数：
可以监视、设定和修改各种保护功能的动作参数；也可以保存电路动作时的故障值。
具有代表性的第三代产品包括国外梅兰日兰的M系列、ABB的F2系列、三菱的AE系列和西门子的3WN系列等，我国上海电气科学研究所与其他厂商联合研制并自行设计的DW45和S系列产品也属于第三代脱扣器。
第四代脱扣器还处于发展的初期阶段。
第四代脱扣器的一个显著特点就是网络化，可实现单一主机与多个脱扣器的联网通信功能。
国外对第四代脱扣器的研究起步较早，已有第四代脱扣器产品应用于电力、石油和化工工业。
例如，ABB公司的SACEEmax系列和SIMENS公司的3WL系列。
国内也在致力于第四代脱扣器的研发，部分厂商已经推出自己的第四代脱扣器产品。
但是与国外产品相比，国内脱扣器的质量不高，运行的可靠性较差。
脱扣器概述。
1.2智能脱扣器的基本功能
智能脱扣器的监控对象是输配电用高、中、低压断路器及成套开关电器设备的一次元件，它必须在系统正常工作时能及时检测和处理大量的实时动态数据，并在被控制和被保护的线路、用电设备及开关设备自身出现故障时，及时判断出故障，切断故障源。
因此智能脱扣器对现场各种被测参量检测和处理的实时性、快速性、准确性要求很高，同时也要求他有尽可能完善的监控和保护功能。
具体的说，智能脱扣器应具备以下基本功能。
1.2.1保护功能
保护分为按电参量和非电参量保护两大类。
其中按电参量保护又有电流保护和电压保护两种情况。
电流保护通常包括反时限（过载）、瞬时（短路）、短延时、差动保护。
电压保护主要有过压、欠压、失压和反相序保护。
按非电参量保护主要用于线路和用电设备的温升、绝缘、工作环境温度、湿度，开关设备及其一次元件自身的性能变化等。
一般说来，不同电压等级、不同应用场合的智能电器，应用不同的保护配置。
1.2.2测量和显示功能
可测量相电流、相电压、线电压、频率、功率因数、功率、电能量等。
测量出的数据，可就地显示（数值显示），也可经数据传输到中央控制室显示。
1.2.3通信功能
部分智能型控制器具有数据通信功能，可以传输下列数据和断路器状态：
每相电流值、分断电流值、断路器的设定值和参数、断路器的状态（断开、闭合）、闭值过量和脱扣指令、故障信号、自监控和触头磨损状态、负载监控输出状态等。
中央控制器可以通过数据传稳通道对本系统的断路器（最多可有256台）进行遥控（如合闸、分闸等）、遥调（如调整有关保护参数）、遥测和遥信，统称为四遥。
1.2.4监控功能
监控功能包括以下三个方面：
（1）对一次开关电器工作位置变化状态及监控单元键盘按动情况的定时检测，记录一次开关电器分、合操作次数，并在达到一定次数后提示维修信息。
（2）对电压互感器PT，电流互感器CT及一次开关电器操作线圈等进行断线检测，一旦发现断线情况，立即给出报警信号。
（3）智能监控单元的自检，包括对存储器、I/O接口寄存器、开关量输入通道、继电器命令出口电路的定时检查和校验。
1.2.5人机交互功能
有键盘与现场总线或通信网络，向上级管理计算机（上位机）或远方控制中心服务器、工作站发送现场的各种运行参数和工作状态，同时接受上位机或控制中心下传的数据和命令，以便实现对现场设备的监控、管理和调度。
1.2.6故障示波功能
记录故障发生前、发生中和发生后，在规定的时间段内的电压、电流波形及一次元件分、合闸信息。
例如可检查主触头磨损状况，显示器显示分断的电流值，故障指示器显示引起断路器故障的所在等。
1.3课题的主要内容
根据根据我们专业的特点和我们的实际动手能力，我们针对当前我国的断路器发展状况及今后的社会需求，我们对智能型断路器的脱扣器进行设计，其只要内容有：
1.智能脱扣器的硬件设计。
2.智能脱扣器的软件设计。
3.参量测量及采样
4.实施监控系统的设计
第2章硬件设计
2.1智能脱扣器的原理
智能型控制器主要由CPU、信号采集、电源、显示和键盘、执行输出等几个部分组成，其原理框图见图2.1。
·
图2.1智能脱扣器原理框图
2.1.1智能脱扣器电源
智能型脱扣器采用双路电源以或的方式供电，任何一路电源正常，即可供控制器可靠工作。
一路电源为自生电源，通过快速饱和铁芯互感器从三相供电线路感应能量供控制器工作。
该电源只与通过母线电流有关，当三相运行电流达到0.4In时，或在线路大电流短路故障状态时能保证足够有能量供控制器工作，但在所配断路器非运行状态或在较小电流运行状态时控制器不能工作。
为此，设计了另一路辅助电源电路，由变压器或直流外接逆变电源提供工作电源，便于用户对智能控制器在所配断路器运行前进行参数整定、功能检查、试验等；另外，在断路器故障分断后，亦可实现各种故障状态指示、报警触点输出等辅助功能；同时便于上位机随时与各种接口子站进行通信。
电源处理部分早期设计采用开关电源，由于其工作频率较高，电解电容工作寿命短，一般情况下开关电源的使用寿命相对较短。
但在直流情况下只能采用开关电源方式，并采用外接方式可由用户更换。
智能型脱扣器
5V工作电源采用突加电路，当工作电压升到19.5V时打开
5V生成电路，低于15.5v时关断，较宽范围的电压值可保证
5v电源快速生成和稳定，从而保证了CPU的可靠工作。
整个系统的工作电源利用场效应管收，达林顿
管作为电子开关，控制系统总工作电压不超过30V，性能比较稳定。
电源部分的结构框图见图2.2
图2.2电源结构框图
2.1.2信号采集处理电源
信号采集处理原理框图见图2.3。
智能型脱扣器的信号取于套在母线上的空芯互感器的二次输出。
其感应的二次电流输出与一次母线电流的微分成正比。
进入控制器信号处理电路，首先进行积分处理，使二次感应信号与一次母线电流成正比。
空芯互感器由于无铁芯，具有较好的线性范围，感应信号适用于CPU处理。
考虑到一次回路电流高达50kA/75kA，进入A/D转换的电流信号范围较大，为了提高精度和采样分辨率，把信号分为小信号和大信号两组，对于小信号利用硬件电路进行放大处理，而大信号直接输入。
接地电流信号一般较小，需经放大处理，其取样方式有两种：
一种方式为测量中线电流，直接取三极电流信号矢量和İN＝İA+İB+İC。
正常运行情况下，系统平衡，İA+İB+İC＝0；在系统不平衡时或接地故障情况下，矢量和不等于零，取出此电流信号作为中线保护电流信号。
这种方式不能区分系统不平衡电流和接地故障电流。
另一种方式为测量接地电流。
接地信号取于中线互感器信号IİL与三极电流信号矢量和İA+İB+İC-İL=İG，İG仅与接地电流有关而与中线电流无关，此电流可作为接地电流的保护信号。
上述两种方式可由用户选择。
A、B、C三相大信号、三相小信号和接地漏电信号共7路输入经处理送多路电子开关，通过CPU控制电子开关选通所需的各路信号。
7路信号采样处理周期为0.5ms。
瞬动短路故障采用峰值采样，考虑抗尖峰干扰，信号处理时间为双周期1ms，最长捕捉到故障信号的时间为5ms，硬件抗干扰2~3ms，这样，总体上瞬动处理到执行时间为7~8ms，短路故障电流较大时瞬动处理较快。
一般过载长延时、过流短延时、单相接地等故障信号采用有效值处理，以20ms为一个处理周期，受电网信号变化、陶变谐波等影响较小，在电机保护中可避开起动过程中波形畸变，实施可靠保护。
图2.3信号采集原理图
2.1.3显示和键盘电路
智能脱扣器采用数码显示，发光管指示方式对各种状态和数值进行指示和显示，同时采用按键方式进行整定、试验、检测等。
早期显示曾采用液晶方案，由于液晶显示在高温和振动情况下容易损坏，特别是在部分现场环境较暗时．控制器是否正常运行不便监察。
但采用数码管又带来增加能耗问题较难解决，原方案中5V负载约150mA电流，-5V只需20mA左右。
约100mA能量只能通过吸收电路吸收。
ST智能控制器在设计上进行了改进，充分利用这部分空余能量，使数码管和指示订工作在-5V状态中，从而解决了整机功耗问题，在现场使用不仅直观、清晰，且不受环境影响。
键盘部分采用按键方式．对显示和键盘均采用动态扫描，0.5ms循环一次，通过INT1中断口线识别键中断，并进行实时处理中断子程序。
2.1.4自诊断检测电路
智能脱扣器可检测环境温度，并发出报警信号，其原理见图2.4。
图2.4电路检测与报警系统
P4.1为CPU一根检测口线，其正常输出为周期0.5ms、占空比1：
1的方波信号。
正常情况下，脉冲信号通过温度继电器常闭触头输入到比较器T1，当输入U1为低电平，U2为高电平时，CPU认为状态正常，当环境温度超过80℃+5℃时，温度继电器由常闭变为常开，比较器输出U1为高电平，U2为低电平，CPU控制数码管显示“E”字样告警，同时有报警触头信号输出。
此时，控制器自身各种保护特性在一定的时间内（大约1h）均正常运行，故障处理不受影响，用户根据实际工作需要可分断断路器或减轻负荷处理，使智能控制器回到正常工作状态。
2.1.5控制执行电路
智能脱扣器主要目的是能实时处理过载、短路、接地等故障信号，按保护特性要求延时或瞬时控制执行元件分断断路器，从而达到保护目的。
动作执行时，控制器发出脉冲方波．通过线圈的电流产生反向磁通抵消固有磁通，由执行元件中反力弹簧推动铁芯，从而带动断路器控制半袖分断断路器，线路原理见图2.5。
图2.5脱口执行电路
智能型脱扣器的脱扣方式有两种：
一种是CPU按保护特性对各种故障信号进行处理后，通过芯片口线发出动作指令。
正常运行情况下，P4.7为高电平，U1、U2、U3为低电平，单稳态电路处于稳态，复合管T被截止，控制执行元件线圈Q无电流通过。
当P4.7发出动作脉冲指令时．U1为脉冲方波输出，U2随电容C1的充电，电平逐步升高，充电时间约2ms。
P4.7脉冲宽度必须大于2ms，否则信号将被截止。
RC1电路主要用于抗干扰。
一般情况下，P4.7脉宽为4ms，当U2＞U4时，U3为高电平，单稳态电路被激活，输出3~6ms宽度方波触发复合管T，线圈Q接通电流产生反磁通而动作。
CPU控制信号为闭环设计，脱扣信号发出后，检测执行元件辅助接头，如执行元件未能动作，则CPU继续发脱扣脉冲直到动作为止。
脱扣的另一种方式称为模拟脱扣，故障电流信号达到一定值时，不经CPU处理，直接输出脱扣信号图中IA、IB、IC、IN电流信号经积分跟随隔离处理后，直接与U5、U6比较，由于R1＝R2，LM224运放构成反相电路，U5＝-U6，形成正负两个基准电压。
若信号峰值超过正基准或低于负基准，运放均可输出方波，其宽度与信号超过基准的绝对值大小相关。
所有输出方波以或的形式，通过选择开关K送脱扣电路。
当信号脉宽超过抗干扰脉宽时，激活单稳态电路并触发复合管T使执行元件动作。
模拟脱扣一般作为后备，动作电流为控制器瞬动最大定值，如50kA或75kA。
在模拟脱扣电路中另有一种MCR接通分断保护功能，MCR线路处理方式和模拟脱扣一样．只是动作定值较低，一般为10kA左右，在上电时．U7为低电平，比较器输出U8为高电平，T2饱和导通，U5＝-U6＝U10，合闸瞬间模拟脱扣电路基准较低，达到降低动作值目的。
而当C2上电平U7充电到＞U11基准电压（约100ms），U8为低电平，T2被截止，此时基准较高。
只有在特大短路电流出现时，模拟控制电路才能起作用。
设计开关K供用户选择，特别是在随断路器做短延时特性试验时，需关断K，以防瞬动。
2.2智能脱扣器硬件功能模块介绍
2.2.1输入模块
输入模块是被检测现场参量的入口通道，也是把被测现场参量转换成可与中央控制模块接口的信息功能部件。
2.2.2中央控制模块
这是智能监控单元的核心模块，负责处理和分析现场运行参量，以及上级管理中心或现场操作人员给出的操作命令，模块通常都要由中央处理器及必需的外围电路元件组成。
2.2.3开关量输出模块
该模块接收中央控制模块输出的相应指令，完成对一次电器元件的操作控制，并输出系统要求的各种闭锁信号。
因此，与一般智能化的工业控制设备不同，智能电器监控单元只输出开关量。
为了把中央控制模块输出的这些指令信息可靠地发送到一次设备，输出模块应保证可靠的隔离和足够的驱动能力。
2.2.4通信模块
通信模块是智能电器能够实现网络功能的关键，用来完成现场智能电器与管理中心上位计算机之间各类信息交换。
他把中央控制模块通过串行通信接口发出的信息，变成可以通过网络介质传送到上位管理计算机的数据；或把上位管理计算机通过网络介质发给现场智能电器的信息转换成中央控制模块可以接收的数据。
由于不同的现场环境有不同的网络介质和网络类型，通信模块设计芳案也不同。
2.2.5人机交互模块
对于监控单元与一次开关电器集成一体的智能开关电器，这是可选的一部分。
对于监控单元与开关柜体集成在一起的智能开关设备，这是完成就地设置开关柜功能和保护参数阀值及就地监测运行状态的重要环节。
2.3中央控制模块设计
中央控制模块是智能电器监控单元的核心，是开关电器完成智能控制和智能操作的关键。
它的基本结构必须是一个完整的微型计算机控制系统，包括中央处理器、存放表格和程序的ROM、存放数据的RAM，以及连接处理器和各种外部设备的I/O接口电路。
为适应智能工业设备的发展，各微处理器和外围电路生产厂商已向市场提供了许多不同的器件，给设计开发各种功能和类型的智能控制设备奠定了良好的基础。
2.3.1中央控制模块结构设计步骤
决定监控单元控制模块结构的因素主要有两个：
要完成的功能和使用的器件。
一般来说，中央控制模块设计的基本步骤如下所述。
1.分析智能电器对监控单元的功能要求
根据智能电器监控和保护对象的要求，监控单元完成的功能可以分成三类。
①监控单元只完成逻辑处理和开关量输出功能。
完成这种功能的监控单元，其输入、输出只有开关（或逻辑）量。
处理器不进行模拟量的采样和处理，只对输入的各种逻辑信号做逻辑运算和判断，并根据判断结果输出相应的操作和闭锁信号。
②监控单元只完成规定的保护和操作功能。
脱扣器保护功能有三段式和两段式，不需要检测现场参量。
它的保护特性误差范围较宽，但要求高稳定性。
它的过载保护特性可就地选择，瞬时和短延时脱扣电流阀值也能就地设定。
这类监控单元中央控制模块需要完成对被控开关电器工作电流的采样和数值处理，并根据处理结果完成开关电器操作控制。
③监控单元具有监控对象和一次开关电器的全部监控和保护功能。
所有智能化开关柜的监控单元及馈电开关智能监控单元（FTU）等都属于这一类型。
这类监控单元要完成对现场的电量、相关的非电量等模拟量的采样、数值处理和显示，还要完成对一次开关设备运行状态的监测，并根据处理和监测结果做出判断，输出相应的报警或操作信号。
2.根据监控和保护能确定模块的配置
模块配置主要是选择处理器的处理功能；估计程序代码需占用的ROM容量，数据缓冲区所需RAM的容量；确定I/O端口的数量和输出驱动能力。
此外，还应考虑满足处理器对地址译码、地址锁存、数据传输方向控制、总线驱动能力、复位和基准时钟、与外围芯片的时序配合等要求所需的辅助电路芯片。
3.确定模块的电路结构
在了解中央处理模块要完成的功能并确定了模块基本配置的基础上，还需综合监控单元能分配给模块的物理空间和允许的监控单元成本，正确选择模块的电路结构。
当前，在智能监控单元中常见的中央控制模块电路结构有单处理器、单处理器单芯片、单处理器双芯片和多处理器结构。
图2.6单处理器多芯片结构的中央控制模块电路示意图
①单处理器多芯片结构。
这是使用最普遍的结构，处理器、存储器（ROM，RAM）、I/O接口电路各自都是独立的集成电路芯片，所有电路芯片都通过内部总线连接。
图3–1所示。
采用这种结构，不需要处理器有片内存储器和足够数量的I/O端口，价格较低。
采用低价的独立EOROM，EEPROM作为存储器，修改方便，各种芯片配置比较灵活。
但由于芯片数量多，PCB板上连线数量大，给步线和电磁兼容性设计带来很多困难。
这种结构用在监控单元开发阶段比较合适。
此外，中央处理器带有在片存储器和I/O接口，存储器容量和I/O数量不够时，应选择这种结构，以便扩展存储器容量和I/O端口数量。
②单处理器单芯片结构。
采用这种结构的中央控制模块，其处理器带有满足程序和数据存放要求的在片存储器及足够数量的I/O端口，因此模块中只有处理器和必要的辅助电路元件。
可以把供电电源、输入通道全部集成在一块PCB板上，其体积小，价格低，但只能完成比较简单的功能。
③单处理器双芯片结构。
这是近年来发展起来的一种电路结构，由中央处理器和一片高性能的可编程外围系统器件PSD芯片组成。
芯片中有32~64KBEPROM，2KBSRAM，最多可提供40位I/O引脚。
此外，这类芯片具有可编程逻辑器件PLD阵列，通过对内部逻辑项编程，完成地址译码、地址锁存等功能。
采用这类外围接口芯片组成的双片结构电路，可以取代单处理器多芯片结构电路，大大简化中央控制模块PCB板的步线设计，减小PCB板面积，有利于提高模块的抗干扰能力。
④多处理器结构。
用于电力系统自动化管理和保护的高压、超高压开关设备的智能监控单元。
2.3.2中央控制模块常用处理器和外围集成电路芯片
智能控制单元中的中央处理器一般采用单片机。
由于单片机集成了微处理器内核、模拟输入、一般I/O接口、中断管理逻辑等多片微机系统中的主要部件，片内还有相当数量的寄存器和SRAM，有
升级会员 