低压断路器智能脱扣器.docx

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低压断路器智能脱扣器

湖南工程学院

毕业设计（论文）开题报告

学生姓名：

学号：

专业：

电气工程及其自动化

设计（论文）题目：

低压断路器智能脱扣器的设计

指导教师：

黄绍平教授

2012年3月11日

开题报告填写要求

1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。

2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。

3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。

4．统一用A4纸，并装订单独成册，随《毕业设计说明书》等资料装入文件袋中。

毕业设计（论文）开题报告

1．文献综述：

结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。

一、文献综述

1、前言

低压断路器（又称自动空气开关）是低压电网中一种重要的控制电器和保护电器，应用广泛，主要是在变压器的低压侧到负载间起分配电能、保护和控制配电线路的作用，对负载进行起动，调节、停止和显示。

低压断路器主要是由触头系统，灭弧装置，脱扣器和操动机构组成。

而脱扣器是与断路器机械上相连的（或组成整体的），用以释放保持机构并使断路器自动断开的装置。

一般说来，传统的双金属片机械式或电子电磁式脱扣器与脱扣机械部分组成整体，其动作精度低，动作值整定困难，而且为了获得不同的保护特性，要配置不同的脱扣器。

随着经济的发展，对电能的需求和依赖不断地增大。

因此承担电能的传输与分配、用电设备保护与控制任务的低压电器显得更为重要，传统的脱扣器已经不能满足发展需要。

于是，运用计算机技术、数字信号处理技术和通信技术的智能脱扣器成为国外开关电器行业的研究开发热点。

目前智能脱扣器则不包含机械脱扣部分，仅指控制板（即可理解为断路器的内置“控制器”）。

智能脱扣器的优点是其可以提供三段甚至四段保护；灵敏度高，动作值比较精确，而且可以调节；加装通讯模块后还可以与上位机连接，进行远程控制；基本不受环境温度影响。

2、智能脱扣器的功能与要求

低压断路器主要用来对发电机、电动机、变压器和电缆等设备进行过载，短路和接地故障保护。

脱扣器是断路器的中枢部件，它承担着断路器的各种保护、报警、显示与控制功能。

早期的脱扣器为电磁式的。

其工作原理是利用双金属片在流过电流时发热变形而使脱扣器动作，这类脱扣器制造调整困难，精度低和可靠性差。

传统的断路器保护功能是通过脱扣器中机械系统的动作来实现的，其效果也不够理想。

为了防止用电设备故障以及在供电网络出现异常时损坏用电设备，在传统断路器的基础上逐步开发出更可靠和更具保护性能的断路器。

由于用电设备数量的迅猛增加，对电力系统的运行安全可靠性、电能的质量、经济性等指标提出了更高的要求。

但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖地域辽阔。

因此，受自然条件、设备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常运行状态，故障中最常见危害最大的就是各种形式的短路和过载，其危害是:

（1）故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧，将故障设备损坏；

（2）电源到短路点间流过短路电流，它们引起发热和电动力将会造成在该路径中有关的非故障元件损坏；

（3）靠近故障点的部分网络供电电压大幅度的下降，使用户的正常工作遭到破坏甚至影响产品质量；

（4）造成较大范围的停电，破坏电力系统运行的稳定性，引起系统震荡，甚至使该系统瓦解和崩溃。

断路器就是在当电网不正常情况时，如过载、过压、欠压和短路等，能自动的把负载从电网上断开，从而避免危及操作人员安全和设备的正常运行，防止人身事故和火灾事故。

其执行机构智能型脱扣器的基本功能是:

（1）保护包括电流三段保护（长延时过电流、短延时过电流、瞬时短路）、单相接地故障保护、欠压保护等，而且保护参数可设定；

（2）测量可测量电流、电压、频率、有功功率、无功功率、功率因数、电能等各种电量，并可以显示；

（3）断路器状态在线监测例如：

①断路器操作次数统计——监测断路器是否达到规定机械寿命次数或达到需要进行维修的次数；

②开断电流加权值——间接监测断路器触头的电磨损，预测其剩余电寿命；

（4）通信智能脱扣器与配电自动化系统的主控计算机（上位机）进行通信，一方面，上传电参数测量值、断路器工作状态（断开还是闭合）、故障信号、断路器自诊断信息等；另一方面，上位机可对断路器进行遥控（断路器分、合闸）、遥测、遥调（调整保护整定值）、遥信的“四遥”功能。

目前，世界上各大开关电器制造商均推出了智能型低压断路器（装有智能脱扣器的断路器），如ABB公司的F系列，施耐德公司的M系列，西门子公司的3WN系列和3VF系列，三菱公司的AE系列等，这些产品均在国内有所应用。

国内一些电器厂家也推出了引进技术的智能型低压断路器，如M系列、DW45系列、DW48系列等。

3、低压断路器的智能化发展

3.1大电流电弧分断技术：

　随着电网容量不断增加，对低压断路器分断能力要求不断提高，对低压断路器分断性能提出了更高的要求。

为了提高系统运行可靠性，新一代万能式断路器一般均达到Icu=Ics=Icw，在提高Icu、Ics同时，重点提高Icw。

新一代塑壳断路器要求Icu=Ics，重点提高Ics。

为了提高分断性能，主要采取以下措施。

（1）采用双断点触头灭弧系统：

双断点触头灭弧系统过去在控制电器中应用较为普遍，其主要目的是缩小产品体积。

低压断路器分断能力高，触头灭弧系统较为复杂。

如采用双断点系统，产品结构更为复杂，有一系列技术关键需要解决。

其中最主要的二个技术难点是设计可靠的卡住机构，又不侵犯专利，以及两个触头闭合与断开时同步性问题，且制造工艺要求高。

为此对双断点触头灭弧系统是不是低压断路器发展方向存在明显分歧意见。

随着现代设计技术不断发展与应用，上述技术难点已经得到有效解决。

作者认为作为高性能MCCB产品双断点触头系统肯定是发展方向，是单独点结构无法比拟的。

它使塑壳断路器具有更好的限流性能，更高的分断能力，较好实现了Icu=Ics。

并为实现限流选择性保护，以及产品小型化、高寿命、高可靠、环保等创造了更好条件。

但是，作为经济型MCCB产品，考虑制造成本不宜采用双断点系统。

因此，对新一代高性能MCCB如何合理构成系列产品是值得探讨的问题。

传统的系列型式高分断型、较高分断型、标准型、经济型结构型式基本相同，在新一代MCCB中可能是不适宜的。

（2）作为高性能ACB产品，双断点触头灭弧系统也是发展方向之一。

它为ACB分断性能进一步提高，提供了更大的空间。

为在极短时间内实现全电流选择性保护创造了更好条件。

但是，作为普通型（标准型）ACB产品也不宜采用双断点系统。

 运用低压电器现代设计与测试技术对触头灭弧系统进行优化设计，并采用气吹等辅助手段使电弧快速、可靠进入灭弧室。

同时，有效控制游离气体扩散途径，避免相间、相对地飞弧，使飞弧距离控制在最小范围。

3.2过电流保护新技术

　　低压断路器主要承担低压配电系统过电流保护以及其它各类故障保护，目前性能基本满足了系统故障保护要求。

但是，就配电系统过电流保护看，目前保护方式是不完善的。

主要存在以下问题：

（1）目前选择性保护一般局限于低压断路器短延时电流以下范围。

当故障电流达到上级瞬动电流时，容易造成上、下级断路器同时跳闸，甚至越级跳闸。

（2）由于终端过电流保护用小断路器目前均为限流瞬动型，所以终端配电系统基本没有选择性保护。

　　（3）目前系统短路时选择性保护通过短延时实现，短延时时间一般为0.2秒～0.4秒。

对三级供电系统，主开关短延时时间可达0.6～1，秒甚至更大。

所以，目前低压配电系统实现选择性保护时间较长，对低压电器、成套装置及系统动、热稳定要求高

　　（4）配电系统运行可靠性难以保证。

新一代低压断路器采用过电流保护新技术达到的目标要求主要包括二方面内容：

（1）实现低压配电系统全范围、全电流选择性保护。

（2）在极短时间内实现选择性保护，整个选择性保护时间从原来1秒～1.2秒缩短至0.2～0.5秒。

为实现上述目标，新一代低压断路器应达到以下要求：

（1）新一代ACB实现全电流范围选择性保护。

（2）新一代MCCB应具有限流选择性保护功能。

　　（3）开发具有短延时保护功能MCB。

　　（4）新一代ACB、MCCB均应采用区域选择性保护技术。

过电流保护新技术采用后达到的主要效果如下：

（1）从根本上避免低压配电系统越级跳闸和故障级断路器正常分断后，上级断路器同时分闸。

使配电系统短路故障限制在最小范围，大大提高配电系统供电可靠性。

（2）大大缩短实现选择性保护时间，降低电器设备动、热稳定要求，有利于节材、节能和产品小型化。

3.3可通信与综合智能化技术

　　为了提高低压配电与控制系统运行可靠性以及自动化程度，实现系统网络化是发展的必然方向。

一旦系统实现网络化，低压电器必须具有双向通信功能，经通信适配器能与各种现场总线系统连接。

工业以太网技术发展与应用，使配电系统通信网络变得更简洁、更高效。

　　配电系统实现网络化，低压断路器实现可通信后，将使断路器智能化功能得以充分发挥，并促进智能化功能进一步完善与扩大。

从国内外新一代智能化断路器发展情况看，将保护、测量、故障预警、自诊断、监控、能量管理等功能集中于一体。

3.4低压断路器小型化与模块化技术

产品小型化既是低压电器技术水平的体现，也是成套设备及系统小型化的需要。

对推进电器产品节材、节能具有重要意义。

低压断路器小型化主要借助于新技术、新工艺应用以及产品结构上创新，新一代产品与第三代产品相比，体积平均缩小20～50%。

低压断路器模块化水平也是低压电器设计与制造能力体现，是实现低压电器多功能、提高产品使用与维护性能的需要。

低压断路器零部件、附件模块化水平一定程度上反映了一个国家低压电器研究与制造水平。

断路器模块化水平包括：

功能附件模块种类、标准化程度、制造工艺性、维护方便性以及模块小型化等。

3.5低压断路器可靠性与环保技术

　　提高断路器可靠性以及环保技术的应用是新一代低压断路器研发工作的主要任务之一。

低压断路器可靠性是低压配电系统运行可靠性的必要条件。

主要包括以下内容：

（1）动作可靠性：

包括低压断路器操作可靠性和系统发生故障时保护可靠性。

通过操作机构运动与受力仿真分析研究、优化零部件设计，能有效提高低压断路器机械寿命与操作可靠性。

通过智能控制器可靠性分析研究，以确保断路器接受故障信号后动作可靠性以及动作特性一致性等。

（2）分断可靠性：

运用现代测试技术分析断路器分断过程电弧运动与熄灭过程，通过优化设计使断路器熄弧性能与可靠性达到最佳状态。

　　（3）承受环境变化可靠性：

包括气候环境变化如高、低温下动作可靠性，电磁环境变化即EMC性能应全面符合标准要求。

　　（4）内外部附件工作可靠性是目前低压断路器运行可靠性存在的主要问题，也是新一代产品和其它新产品研发时急需解决的问题。

低压断路器环保技术，包括产品制造过程，投入系统后运行过程不污染环境，产品寿命终了时便于回取等。

参考文献

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毕业设计（论文）开题报告

２．开题报告：

一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施

开题报告

一、课题的目的和现实意义

在当今以电能作为能量传输和使用的主要方式的时代，从电力的产生、传输到分配使用的过程中，各个方面对电能质量都有较高的要求，出现故障的几率和范围越小越好，故障持续时间越短越好，而且要有较高的自动化、智能化水平。

断路器是能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常电路条件下接通承载一定时间和分断电流的一种开关电路，具有过载、短路、漏电和接地等故障保护功能。

而对线路进行各种参数的检测，在符合预定条件下发出信号使断路器动作由脱扣器来完成，因此断路器的性能很大程度上取决于脱扣器的性能，脱扣器是断路器里最重要的核心部件。

老式断路器为得到不同的保护特性，要配置不同的脱扣器，如电磁式器件、热脱扣器和延时脱扣器等，其动作时间长，精度低，特别是整定比较困难。

随着计算机技术、微电子技术和网络通信技术的发展，脱扣器由热式、电磁式、电子式脱扣器，发展到具有微控制芯片的智能化脱扣器，智能脱扣器除了要实现断路器的分合控制和对线路过载、短路、接地故障进行保护的基本功能外，还可以测量和显示电流、电压、功率等电参数，进行软硬件自检，并且通过键盘可以修改保护整定值，通过通信接口实现遥测、遥控、遥调功能。

这对于变电、配电和供电的自动化和无人值守有很重要的意义。

在当前断路器的机械结构、触头系统等技术日益成熟的情况下，大力发展智能化脱扣器，使得断路器产品的性能有质的提高已经成了业内的共识。

二、课题发展现状和前景展望

在电力事业飞速发展的今天．工作环境中人身，安全是至关重要的。

电力设备故障时的电弧喷射是造成伤害的一个重要的安全问题。

近期国际上通过研究。

对工作在电力设备附近的人们由于电弧喷射的伤害和其危险性制定了标准，如美国的IEEE1584和NFPA70E--2004．后者定义喷弧伤害为“由于电弧释放的能量所造成的危险”。

在一个电弧喷射事故中，电能转变为热能、压力、可见光和辐射能，当估计电弧喷射的危害时，主要考虑热能，用J／cm2来表示。

当事故能量<5J／cm2时，按NFPA70E标准定伤害程度为0级。

要防止电力设备电弧喷射的危害，可采用如下4种措施：

①采用遥控技术使操作人员远离电力设备；②降低故障电流：

③采用动态电弧喷射检测技术。

利用传感器，当检测到有工作人员接近电力设备时。

自动降低断路器的脱扣时间，以减少电弧能量和提高安全性；（垄）IEEE1584规定工作人员接近电力设备时．为避免电弧喷射必须穿戴特殊的防护服。

西门子公司新推出的wL框架断路器的智能脱扣器已具有上述第③项措施的功能：

而cutle--Hammer公司则用该技术改造原有的智能脱扣器．并把该技术称为“防弧开关”，智能脱扣器装配了该技术后．可大大降低故障的能量水平。

IEEE1584提供了由实验室试验获得最大机率的电弧电流以及它的85％两个数值，基于这两个数据，电弧危害的等级可由电弧喷射事故的能量来划分，它决定于事故清除时间。

除以上的特殊功能外，近期推出的新一代低压断路器的智能脱扣器还增加了不少新功能，如日本寺崎公司的TemPower2框架断路器具有以下新功能：

①反时限特性可以有多种选择，包括标准反时限、过反时限和超反时限。

为适应多种保护对象的要求，有各种脱扣器型号，如AGR—L用于线路和变压器保护，AGR—S用于发电机保护。

②双电源转换的报警作用。

当后备电源为了保证连续供电而需要起动时，该功能起报警作用。

③发电机反向功率保护。

用于并联发电机保护时，如发现有反向功率传输时，保护作用动作。

④中线保护。

对三相四线制系统，当存在谐波畸变时，大量三次谐波电流会通过中心线，该保护功能能避免三次谐波电源对中线的烧损。

⑤触头温度检测功能。

对框架断路器的主触头温度进行监控，当触头温度超过1550C时发出警报。

近年来，低压断路器及其配电系统的通信功能也有大幅度提高。

例如西门子公司推出的新一代SentronsWL框架断路器，与老产品相比，老产品只能连接Profidus--DP。

新产品发展到能连接Profidus—DP、EtherNet、Modbus、Lonworks多种总线，开关内配置了cubiclebus内部总线，其Pm胁us—DP的通信接口Com15连接EtherNet的数据适配器BDA。

可进一步连接EtherNeL／Intra--net／Intemet，COM15支持扩展的Profibus规约DPV1，26可传送各种信息，包括非周期信息。

通信功能的增强进一步加强了低压电器元件和配电系统的联系。

由此，西门子公司提出了“综合电力”的新概念。

它把ACCESSlM电能监测系统、低压开关柜、电动机控制中心、母线和电力变压器综合在一起，这种综合还包含制造厂对用户的综合服务，即从系统的初始规划、设计、运输、安装、开车、投产连接起来，实行全面服务，给用户最大的方便。

把ACCESSlM是一种基于Web的电能监控系统，它提供实时企业级电力质量和工作可靠性监控，把ACCESSlM提供最新电力质量监控的硬件和软件技术，从该系统可获得大量的系统级数据信息，供分析、储存和共享。

由于把ACCESSlM基于web的。

故用户可在任何地点、任何时间方便地存取数据。

ABB公司也提出了一个类似的总体解决方案，称为工业IT，使新型的Emax框架断路器、Tmax塑壳断

路器和其他产品都作为一个完整解决方案的一部分，每个功能单元可执行测量、控制、优化和相互协调、配合等功能，并为用户提供安装、使用及维护指导，实现产品到用户服务综合解决方案。

Emax框架断路器有很强的通信功能，其通信模块可连接Modbus网

络，通信系统中BT030装置可与笔记本电脑用蓝牙技术进行通信，EPOIO--FBP作为一个总线插接件，采用ABBFieldbusplug新概念。

像一个插座，可以选择连接到Profibus、

DeviceNet或AS—I总线网络。

三、课题主要内容及要求

3.1设计原理内容

智能脱扣器的基本工作原理可以描述如下:

电流互感器从供电线路中吸取能量供给脱扣器的电源系统，同时将被测电流转换为与之成比例的电压信号。

电压信号经过信号调理电路后送入中央处理单元进行运算和处理，与整定电流和动作时间的整定值进行比较。

当发生过载、短路以及瞬动故障时单片机发出脱扣信号并控制断路器分断电路。

设计包括主要由电源模块、信号调理模块、中央处理单元、脱扣驱动模块、人机交互模块以及通信模块、软件设计等组成。

3.2设计要求

本课题要求设计一个以单片机作控制器的低压断路器智能脱扣器，要求具有过载、短路、欠电压、过电压、三相不平衡、接地保护、负荷监控、电气量测量、通信（RS-485）等功能，采用LCD显示。

四、研究方法、步骤和措施

4.1研究方法

查阅资料，论文文献确定各个元件的选用。

了解各个模块功能的实现，设计相应的控制程序软件。

4.2步骤

1、智能脱扣器总体结构与工作原理

2、单片机系统选定

3、模拟信号检测单元

4、执行电路的设计及运算

5、通信的实现

6、抗干扰设计

7、软件设计

毕业设计（论文）开题报告

指导教师意见：

1．对“文献综述”的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

年月日

所在专业审查意见：

负责人：

年月日