摘要：研制实践教学用断路器保护特性实验装置，系统以C8051F410单片机为微控制单元，外围设计了电流、电压信号处理电路，采用电流有效值等效法计算流过被试品电流值的大小，利用单片机定时器完成对断路器保护动作时间的测量。通过实际制作表明：该实验装置的设计方案合理可行，能有效消除电流波动、计时误差等因素对测试结果的影响，提高了检测精度及一致性，具有一定的推广价值。
关键词：断路器；保护特性；实验装置；电流有效值等效法
作者简介：凌荣耀（1989-），男，浙江绍兴人，温州大学物理与电子信息工程学院本科生；潘益斌（1988-），男，浙江乐清人，温州大学物理与电子信息工程学院本科生。（浙江 温州 325027）
基金项目：本文系温州大学科研基金资助项目（11jg45B）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）01-0037-01
断路器是低压配电网中的主要开关器件之一，具有过载长延时、短路短延时和短路瞬动等保护功能。当电路或用电设备发生过载、短路等故障时，它将及时动作，断开故障电流，以保护低压配电电路及用电设备[1]。为培养学生断路器保护特性相关知识及产品质量意识，国内很多高校电气类专业都设置了低压电器相关课程，并进行了相应的实验实践教学。目前，相关高校断路器保护特性实验所用到的仪器设备主要包括变压器、电压表、电流表和电子式秒表等[2]。上述仪器设备操作方便，价格便宜而且易于维修，但存在实验测量结果精确度低、重复性差，并且学生只能进行验证性实验，不能满足对学生创新能力培养的需求。本文设计一种基于C8051F410单片机的断路器保护特性实验装置，能够实现自动检测电压、电流及计时功能，能有效减小因电流波动、计时误差等因素对测试精度的影响。另外，学生可以利用该装置自行设计扩展实验。
一、实验装置工作原理
本实验装置符合国家标准GB14048.2-2001《低压开关设备及控制设备、低压断路器》测试要求[3]。该实验装置主要由控制保护、调压、升流、信号处理、微控制器等模块组成，如图1所示。
控制保护电路由接触器、常开按钮开关及常闭按钮开关组成，点动常开按钮开关使交流接触器辅助线圈通电，在电磁力的作用下，辅助触头闭合通电，形成自锁电路，此时虽然断开常开按钮开关，交流接触器主回路仍然正常工作；当点动常闭按键开关时，交流接触器辅助线圈断电，电磁力消失，使得交流接触器主回路断电，达到系统电路的控制保护功能。调压升流模块主要由交流调压器及电流变压器组成。手动调节交流调压器控制输出电压在0～250V范围内变化，其输出电压接入匝数比为100/1的升流变压器初级。根据能量守恒定律，理想状态下的变压器一次侧与二次侧的功率相等，即UiIi=UoIo，在负载一定的情况下变压器输出电流将放大100倍，通过手动调节交流变压器就可以设置通过被测件的电流。被测件电流经电流互感器采样、放大处理后送微控制器C8051F410电路中，该模块可自动测算实验期间流过断路器的电流有效值并计时，同时消除电流波动对实验的影响，得到精确的测试结果并显示输出。
二、硬件电路设计
本实验装置可以测试断路器过载保护特性及短路保护特性，最大测试电流能达到120A。因被测电流幅值较大，需进行衰减及转换，装置采用输入输出电流比为250/5的电流互感器感测被测电流信号，并通过1Ω/36W采样电阻将其转换为电压信号，经信号调理电路后输入单片机进行A/D采样，进而计算测试电流有效值及脱扣时间并判断被测产品是否合格。下面具体说明电流信号处理电路的工作原理。
经电流互感器及采样电阻转换后，过载保护实验输出交流电压信号峰峰值为0.79~0.88V，短路保护实验输出交流电压信号峰-峰值为4.52~6.79V。实验装置采用C8051F410微控制器内部集成的12位ADC对测试电流进行采样，其电压采样范围为0~2.2V，因此还需通过图2所示电路对其进行调理。在图2中，以采样电阻输出电压作为输入信号，第一级运算放大器起到阻抗匹配的作用，第二级运算放大器用于信号衰减，其中电阻R1为4KΩ，R2为1KΩ。为了增加系统的稳定性，根据输入阻抗匹配原理，R3=R1*R2/（R1+R2），选取电阻R3的值为800Ω。短路保护实验时断开S1，闭合S2，使输出信号衰减为输入信号的四分之一，即1.13~1.70V。过载保护实验时则闭合S1，断开S2，不对输入信号进行衰减。第三级运算放大器为同相加法器，考虑到信号波动对其幅度的影响，选取VADD为1.1V。VADD信号起到直流偏置作用，使交流电压信号以1.1V为中线上下波动，并确保信号不失真。
三、软件设计
系统软件主流程图如图3所示。初始化后系统控制ADC对信号处理模块输出的电压信号进行采样。当断路器断开时，ADC采得信号VADD为1.1V，系统判断测试尚未开始，继续采样。当断路器闭合后，ADC检测到的信号偏离VADD，系统开始计时，同时记录检测到的电流信号以计算有效值。当断路器自动脱扣，ADC检测到交流信号终断，采得信号恒为1.1V，微控制器停止计时。计时时间即为测得的脱扣时间。同时，系统计算测试电流有效值并据此判断断路器是否合格。结果由液晶输出显示。编程中采样的电流有效值等效算法如图3所示。
本装置对测试电流进行离散化采样[4]，其原理如公式（1）所示，其中N是信号一个周期内采样的点数，I为电流有效值，Ik为各次AD采样值。
（1）
本实验测试电流为正弦信号，根据等效积分公式（2）可知，当采样频率N较大时，离散化采样的结果相当于对信号进行积分，因而可据此公式近似地计算测试电流有效值。
（2）
系统ADC相邻两次采样的时间间隔T=0.1ms，测试电流周期T=20ms，可知N=T/T=200。即每个周期内对测试电流采样200次，采样频率远远大于被测信号的频率，因此通过离散化采样可以较好地还原出被测信号，较精确地实现测试电流有效值的计算。
实验中，电源电压的波动、电流的热效应、被测产品的温度漂移等因素都会使测试电流发生波动，从而偏离设定值，影响实验结果的准确性[5]。为此系统应用电流热效应等效原理，利用公式（3）修正实验结果，计算设定电流下断路器的等效脱扣时间T1。
（3）
其中I1为设定的测试电流值，T2为实际脱扣时间，I2为测试电流有效值。
四、数据测试及分析
用断路器保护特性实验装置检测合格断路器试品的过载长延时、短路短延时及短路瞬时保护特性数据如表1所示，表中的实测电流、等效时间及测试结果等参数都是由实验装置自动测试获取的。下面对实验装置设计中的误差因素及实验数据进行说明。影响本系统测试精度的主要误差因素包括：AD采样误差、电源波动、测试件热效应等。为减小上述因素的影响，系统通过离散化采样及电流有效值等效算法提高采样精度，准确计算交流信号的有效值，同时应用等效原理减小由电源波动、测试件热效应造成的电流波动对实验的影响，从而提升检测精度。分析表1数据可知：在短路短延时保护实验中（8倍电流），脱扣时间仅为数百毫秒，因此测试电流的波动将对检测结果产生较大影响，系统应用等效原理修正了电流波动对实验的影响，保证了测试结果的准确性。而分析电流倍数为12时的短路瞬动保护数据可知：断路器脱扣时间在0.1s左右，使用机械秒表很难精确计时。而C8051F410微控制器的时钟周期为24MHz，最小计时时间远小于断路器的脱扣时间，因此可以准确地检测脱扣时间。综上所述，本装置可以准确地实现断路器保护特性的检测。
五、结束语
本文阐述了一种基于C8051F410单片机的断路器保护特性实验装置。实际测试证明其系统架构合理，性能优良、稳定，可以精确测量断路器保护特性，完全满足相关课程中实验教学的要求并有效克服了传统实验方法存在的不足，提升了测试结果的准确性及一致性。该装置成本低，拓展性强，通过实验，学生不仅可以掌握相关课程知识，更可在此基础上设计拓展实验，充分发挥自主创新能力。因此上述实验装置可有效用于教学实践。
参考文献：
[1]傅启国.低压断路器智能测控系统设计[J].电工电气,2009,(3).
[2]王宣东,张国钢,孙丽琼,等.低压断路器保护特性实验的设计[J].实验室研究与探索,2009,28(4).
[3]GB 14048.2-2001低压开关设备和控制设备低压断路器[S].国家质量技术监督局,2001.
[4]徐垦.交流信号真有效值数字测量方法[J].华中科技大学学报(自然科学版),2006,(2).
[5]王铁镰,徐卫生,张远矩.数字式全自动塑壳断路器保护特性检测台[J].低压电器,2007,(17).
（责任编辑：刘丽娜）