一种新型低压断路器脱扣控制及检测装置

韩群勇，陈裕成，沈炎松

（1.漳州职业技术学院 智能制造学院，福建 漳州 363000；2.漳州职业技术学院 电子信息学院，福建 漳州 363000)

低压断路器是用来接通和分断负载电路的器件，具有过载和短路保护等功能，是电网中一种重要的保护设备[1]。在机房或者数据中心中，断路器发挥着关键作用，是低压配电系统的重要组成部分，是后级设备保护的一道有利屏障，一旦断路器出现故障会造成巨大的损失[2]。实际使用中断路器的故障类型很多[3]，及时判断断路器的故障分类结果，并采取有效的检测技术措施是保障断路器运行效果的关键[4]。通常断路器自身具备脱扣保护功能，主要是靠断路器自带的脱扣器实现过载及短路保护[5]，这是断路器对自身遇到极端条件时的保护功能。

目前，有些低压断路器通过增加配件来实现远程控制脱扣保护功能[6]，但是在机房或者数据中心一些关键部位的断路器功能需更加完善，比如配置分励脱扣器（分励脱扣器可安装到塑壳断路器上）实现消防分励脱扣功能或者过欠压分励脱扣功能，以保护后端重要设备不受影响。一般断路器要实现各种脱扣功能时，如果没有合理的控制机制和清晰的状态检测机制，会导致脱扣状态混乱，会导致断路器脱扣时，运维人员无法准确判断断路器是何因素导致脱扣[7]。因此合理的脱扣控制和脱扣状态检测判断机制尤其显得重要。

1 新型低压断路器脱扣控制及检测装置系统设计

1.1 断路器脱扣控制及检测装置功能及系统框图

为使运维人员快速准确知道何原因导致有多种脱扣型式的断路器脱扣，本文设计一种新型断路器脱扣控制及检测装置，利用中间继电器的触点作为反馈信号以及断路器的脱扣检测信号综合判断断路器脱扣类型，发生脱扣时准确知道问题原因，及时排除故障，减少损失。本系统总体设计结构框图如图1。

图1 新型低压断路器脱扣控制及检测装置系统框图

本系统通过控制器检测判断断路器的脱扣状态，实现消防分励脱扣或过欠压分励脱扣，同时显示报警，及时保护机房的重要设备。具体有以下功能：

1）当有消防报警时，控制器检测到消防联动控制信号输入，启动断路器中的消防分励脱扣模块，实现机房里的关键设备的启动或断开保护等，同时显示断路器工作状态。

2）当电网电压过高或者过低时，控制器检测到过欠压控制信号输入，启动断路器过欠压分励脱扣模块，保护后端重要设备不受电网影响，同时显示断路器工作状态。

3）当控制器检测到断路器脱扣系统的控制状态和反馈不符合，声光报警脱扣系统异常，并显示系统故障情况。

1.2 控制器选型

控制器采用STC12C5A60S2芯片，单片机集成1 280字节RAM，具有高速、低功耗、超强抗干扰的功能[8]。代码完全兼容8 051，可通过软件设置分频，速度快8～12倍，I/O口可自定义，内置高精度ADC电路，可实现ISP/IAP，无须专用编程器，有看门狗，内部集成MAX810专用复位电路，可实现断电保护。

1.3 中间继电器选型

中间继电器可采用OMRON公司的中间继电器MY2N-J系列产品，动作时间小于20 ms，复位时间小于20 ms，工作温度-55～70℃（无结冰）有两组独立的继电器输出触点，额定负载为DC24V/5A和AC220V/5A，控制线圈的工作电压可根据实际需要进行选择有AC型或者DC型，引脚分布如图2(a)、图2(b)所示，AC型规格备有线圈断线自检功能，DC型规格在安装时要确保极性正确。工作时AC型LED指示灯为红色，DC型为绿色，其中指示灯代表线圈工作情况。

图2 MY2N-J系列产品

消防联动控制信号输出为DC24 V，消防分励检测模块中间继电器选用MY2N-JDC24 V，其控制线圈工作电压为+24 V，线圈浪涌吸收为二极管，允许最小负载为DC5 V，实物图如图2(c)。过欠压分励检测模块和消防分励检测模块一样采用MY2N-JDC24 V中间继电器。断路器脱扣检测模块用于检测断路器是否脱扣，采用MY2N-JAC220 V中间继电器，控制线圈工作电压为220 V。

1.4 检测及控制模块电路设计

检测模块包括消防分励检测模块、过欠压分励检测模块和断路器脱扣检测模块，其中脱扣执行机构可以安装在断路器内部或外部，是断路器的选配件，实现断路器分励脱扣等功能。

消防分励检测模块原理图如图3所示。具体工作原理为：消防分励信号其作为外部输入信号接中间继电器控制线圈触点13、14；常开触点8和12与三极管电路Q1构成继电器工作状态的反馈机构，反馈信号连接控制器I/O口P3.0并进行采样处理；控制器I/O口P2.3通过隔离电路后接固态继电器U3驱动电路，U3输出接中间继电器常开触点5和9，接断路器消防分励脱扣执行单元。

图3 消防分励检测模块原理图

当有火灾情况发生，消防设备发出消防联动控制信号使得中间继电器控制线圈获得+24 V工作电压而动作，常开触点5和9、8和12均闭合，控制器I/O口P3.0采样到高电平说明有检测到消防分励信号，I/O口P2.3输出高电平驱动使得固态继电器U3驱动电路导通，U3常开触头闭合，消防分励脱扣执行机构动作，控制器I/O口P1.3输出低电平驱动声光报警电路，显示模块显示当前工作状态为消防分励。用户可根据现场需要和控制电源的通断状态对机房某些关键设备进行启动或者断开，从而实现提醒和保护作用。

当无消防报警时，无消防联动控制信号输出，中间继电器控制线圈无工作电压，则两组常开触点为断开状态，控制器I/O口P3.0采样到低电平未检测到消防分励信号，I/O口P2.3输出低电平，固态继电器U3驱动电路截至，消防分励脱扣执行机构不动作，系统正常工作，显示模块显示当前工作状态正常。

过欠压分励检测模块的反馈信号连接到控制器I/O口P3.1并进行采样处理，工作原理与消防分励检测模块相同。当电网电压出现过欠压时，系统检测到有过欠压分励信号输入，声光报警并显示工作状态，过欠压分励脱扣执行机构动作；当电网电压工作正常时，无过欠压分励信号输入，过欠压分励脱扣机构不动作，系统正常工作。

断路器脱扣检测模块的脱扣器工作状态反馈信号连接控制器I/O口P3.2并进行采样处理，检测工作原理与消防分励检测模块相同。当断路器有脱扣时，控制器I/O口P3.2检测到高电平，系统声光报警并显示工作状态；当断路器无脱扣时，系统工作正常。

1.5 其他模块设计

按键模块设计使用4个独立功能按键。

声光报警模块由三极管放大电路、LED和蜂鸣器组成，控制器检测消防分励、过欠压、过载短路脱和故障时输出PWM信号，驱动报警模块同时实现声光报警。

工作状态显示模块选用LCD1602液晶显示模块，控制器将检测判断结果在LCD模块显示，正常工作显示“Normal”、消防分励脱扣显示为“Fire”、过欠压脱扣显示为“Undervoltage”、过载短路脱扣显示为“Overload short circuit”、故障则显示“Abnormity”。

2 系统软件设计及仿真

2.1 系统软件设计

整个系统工作流程如图4所示。

图4 新型低压断路器脱扣控制及检测系统工作流程图

系统开机后首先进行I/O口、按键功能、显示功能、报警功能、中断功能等初始化。

初始化完成后，系统对检测模块工作状态进行扫描采样。控制器根据脱扣检测模块和分励检测模块的信号来判断断路器是消防分励脱扣、过欠压分励脱扣或者短路过载自身脱扣哪一种脱扣状态，其判断结果具体如表1所示，表中“1”是指控制器检测到对应的检测模块有信号输入，“0”是指无信号输入。

表1 断路器工作检测状态对应表

控制器根据I/O口P3.0～P3.2采集的检测模块工作状态进行相关处理，正常工作时，状态显示正常；有异常情况时，启动声光报警程序和状态显示程序，启动按键扫描程序，待系统故障排除、恢复按键确认后，系统恢复正常工作。

2.2 系统仿真

为验证本系统的运行情况，使用Proteus软件及Keil软件对系统电路进行软硬件联合仿真，指示灯用于模拟消防分励脱扣的工作情况。Proteus软件元器件库没有MY2N-JDC24 V中间继电器仿真模型，故该仿真系统采用按键S1的闭合与松开来替代中间继电器的吸合与断开。在测试时要注意对不同的电源进行隔离。

消防分励脱扣检测模块仿真原理图如图5(a)所示。正常工作时，没有消防系统分励信号输入，按键S1松开，模拟中间继电器断开，控制器检测无信号输入，固态继电器驱动电路截至，指示灯不亮，LCD显示“Normal”，仿真结果如图5(b)所示。当有消防分励信号产生时，按键S1闭合，模拟中间继电器吸合，控制器采集到消防分励输入信号进行数据判断处理，确认后启动声光报警模块，LCD显示“Fire”，同时控制器输出高电平使得固态继电器驱动电路导通，指示灯亮，模拟机房控制电源被接通或断开，仿真结果如图5(c)所示。整个仿真过程运行稳定可靠，到达预期目标。

图5 消防分励脱扣检测模块仿真

3 结论

本设计的断路器脱扣控制及检测装置利用脱扣控制中间继电器的触点作为反馈信号，对断路器的脱扣检测信号综合判断脱扣类型，在脱扣发生时，运维人员可以准确知道问题原因，可实现对机房或数据中心等后端关键负载的保护、隔离，使得低压断路器能更加智能，在实际应用中更具有市场前景，可推广。此外，本设计下一步将往在线检测方面进行研究。