智能低压直流断路器的设计

0  引言

随着微计算机技术、电力电子技术、现代控制理论和信息网络技术的发展，智能化成为开关电器的发展趋势[1]。智能低压直流断路器是直流系统中一种重要的智能开关电器设备，它具有通断直流回路的开关功能和可靠切断故障电流的保护功能；同时通过各种通信接口实现遥测、遥调、遥控、遥信等功能，便于电力系统组网实现集中监控。

1  智能低压直流断路器的组成

本文所设计的智能低压直流断路器为框架式固定结构，组成框图如图1所示，主要部分包括触头系统、灭弧系统、操作机构、框架支撑系统、脱扣器、辅助开关、智能保护装置和信号变换器。智能断路器的中枢部件是智能保护装置，基于数字信号处理器（DSP）的保护装置已较多地用于线路保护中[2~3]。

2  智能低压直流断路器控制系统

智能低压直流断路器的控制系统框图如图2所示。直流母线主回路电流用分流器测量，经过隔离变送器变换后输入给AD7606采集；直流母线电压经过隔离变送器测量变换后输入给AD7606采集；采样的电流电压信号送给DSP处理器进行分析计算，当回路过载时，DSP经长延时发出动作信号，经CPLD芯片驱动继电器接通分励脱扣器回路使断路器触头打开，分断主回路；当回路过流时，DSP经短延时发出动作信号，经CPLD芯片驱动光纤口接通快速脱扣器回路使断路器触头打开，分断主回路。为了提高智能保护装置的可靠性，我们将保护装置的核心部件DSP、AD7606和EEPROM进行了双机热备容错设计，两部分硬件结构和软件配置完全一样，当主机发生故障时，CPLD芯片能自动切换到备用机进行工作。

图1 智能低压直流断路器组成图

图2 智能低压直流断路器控制系统图

2.1 智能保护装置

综合考虑运算速度、精度、片内硬件资源等因素，选用TI公司的 TMS320F28335型DSP做装置的处理器。TMS320F28335型数字信号处理器是TI公司的一款32位浮点型DSP控制器，它主频可达150 MHz，内嵌256 K×16位的flashROM、34 K×16位的SRAM和8 K×16位的BootROM；还配置有CAN控制器、异步串行通讯口（SCI）、同步外设接口（SPI）、2×8路12位的A/D转换通道、硬件看门狗电路、以及大量的数字I/O端口[4]。该器件具有速度快，性能高，信号处理能力强等优点，能较好地满足故障电流快速分断的技术要求。

本装置选用ADI公司推出的新一代16位、8通道模拟数字转换器AD7606进行母线电流电压采集。AD7606器件每通道的采样率能达到200 ksps，可以在较宽的动态范围内，对双极性信号进行采样。

在本装置中，使用TMS320F28335片内的存储器存放程序和变量，使用SPI接口扩展一片串行EEPROM芯片25LC512用于存放参数，具体参数包括电流整定值、时间整定值等。

本装置使用CAN总线接口，与系统的上位机通信。装置向上位机传送直流母线电压电流信号、断路器状态、各种整定参数；同时上位机可设定各种整定参数以及对断路器进行分合操作。装置通过RS485接口外扩西门子人机界面，根据中文菜单和提示可以简单地完成定值输人、测量数据管理、状态管理等功能。

2.2 快速脱扣器驱动模块

断路器的速断是由快速脱扣器驱动模块驱动线圈来完成，由于要求机构动作快，因此需使用半导体开关器件作驱动开关。图3为快速脱扣器分闸原理图。图中，L为分闸线圈；C为分闸储能电容；K1是可控硅；R1是限流电阻。

图3 快速脱扣器分闸原理图

3  软件设计

智能断路器软件主要由主程序和中断程序两部分组成。

主程序流程如图4所示，断路器在上电或硬件复位后，开始初始化，读取EEPROM数据后进行系统自检判断，若自检不能通过将发出告警信号并闭锁保护；若通过进入主循环。在主循环过程中进行事件记录和故障录波；最后执行CAN发送程序和modbus协议处理程序。

图4 软件主程序结构图

定时器每隔一个周期产生一次中断，定时周期设为100 μs。在定时请求中断信号到来时，DSP可相应中断，执行中断服务程序。定时中断服务程序流程如图5所示，程序首先对AD7606进行诊断，若正常则进行直流母线电流电压等模拟量和开关量数据的采集和处理，然后执行电流电压保护算法，最后进行保护判断完成保护功能并进行事件记录和故障录波。

4  应用对象和实验

本文研制的智能断路器用于船舶直流配电系统中，当回路中出现过载和短路电流时，断路器能可靠地自动断开电路。智能断路器具有信息记录和通信功能，能记录开关状态、故障电流、保护动作类型等信息并通过总线向主站传输这些信息；同时接收主站命令进行相关分、合操作。

该断路器在中国船舶工业电工产品试验检测中心进行了分断试验，试验电压为900 V，试验回路时间常数为10 ms，试验波形见图6，断路器从故障电流达到整定值800 A开始经过不到4 ms时间触头打开，大约16.4 ms完成全分断，故障电流变为零。

图5 定时器中断程序流程图

图6 试验波形图