智能型断路器：实现智能保护的必备选择

智能型断路器的主要特征是内置智能控制器（智能脱扣器），应用场合与普通低压断路器相同。也有单独的智能控制器产品，可直接安装在断路器框架上构成智能型断路器。智能型断路器有智能型万能式断路器和智能型塑料外壳式低压断路器两大类。

1.智能型万能式断路器

目前，智能型万能式断路器应用较广泛的产品有西门子公司3WN系列、ABB公司F系列及国产DW45、DW48、CW2等系列。智能控制器具有L型（经济型）、M型（标准型）和H型（可通信型）三种类型，从而可构成三种不同功能的智能型万能式断路器。可通信智能型断路器除带有智能控制器外，还带有网络通信接口，可实现联网和工业网络通信。

（1）智能型万能式断路器的结构。智能型万能式断路器按机械结构可分为框架、触头及灭弧系统、手动操作机构、电动操作机构、智能控制器、抽屉座和附件（二次插接件、欠电压、分励脱扣器等）等8个完整独立的部件，总装时只需用螺钉固定即可。框架有固定式和抽屉式两类，把固定式断路器本体装入专用的抽屉座就成为抽屉式断路器。断路器外壳、框架采用塑料压制而成，触头、灭弧系统都放在绝缘小室中，防止相间短路，确保电弧向上喷出，保证下进线可靠分断。触头由主触头和弧触头组成；每个极均设有一个灭弧室，灭弧室全部置于断路器的绝缘底座内。操作机构和手动、电动传动机构位于断路器正面。操作机构采用五连杆储能自由脱扣机构，在使用过程中，总是处于预储能位置，只要断路器一接到合闸命令，断路器就能立即瞬时闭合。预储能的释放可用手动释能按钮或合闸电磁铁来完成。电动传动机构自成一体，储能轴与主轴之间通过凹凸形楔口活动连接，装拆方便。抽屉座由带有导轨的左右侧板、底座和横梁等组成，底座上设有推进结构，并装有位置指示，抽屉座的上方装有辅助电路静隔离触头。桥式主回路触头前方设置安全隔板。抽屉式断路器有三个工作位置：“连接”位置、“分离”位置、“试验”位置。位置变更通过手柄的旋进或旋出来实现。三个位置的指示通过抽屉底横梁上的指针显示。当处于“连接”位置时，主回路和二次回路均接通；当处于“试验”位置时，主回路断开，并有绝缘板隔开，仅二次回路接通；当处于“分离”位置时，主回路与二次回路全部断开。此时即可拉出断路器本体部分。断路器只有在连接位置或试验位置才能闭合，而在连接与试验的中间位置，断路器不能闭合。

（2）智能脱扣器的工作原理

智能脱扣器的核心是一种采用SoC系统级芯片作为微控制器的电子脱扣器，典型的电子脱扣器是Teridian公司的71M6403电子脱扣器，广泛应用于ACB和MCCB断路器和其他类型的智能开关。典型的智能脱扣器原理框图如图2-13所示。

图2-13 智能脱扣器原理框图

智能脱扣器由控制器、执行机构和互感器组成。控制器的主要作用是通过微处理器（MCU）实时采集断路器的电流信号、电压信号和各种辅助信号，当控制器采集到主回路电流符合设定的断路器保护条件时，选择性发出脱扣信号，控制断路器分断故障回路。控制部分主要由电源回路、信号回路、显示和键盘、CPU等功能单元组成。实现信号的输入、输出和计算，并显示相应的状态和数据，输出脱扣指令。

执行机构主要由磁通变换器、复位指示按钮和联锁机构组成。磁通变换器是一种永磁操动执行器。正常工作时，永久磁铁保持在吸合状态，当故障电流达到控制器脱扣值时，磁通变换器收到励磁信号，在反向磁场的作用下触发，动作于跳闸。当电路出现故障，磁通变换器动作，复位指示按钮弹出，断路器断开。排除故障后，只有在人工按下复位指示按钮后，断路器才能重新合闸。联锁机构用来保证当复位指示按钮压下时，断路器才能合闸，否则，无法合闸。

互感器（CT）由辅助工作电源线圈、信号输出线圈（空心线圈）组成，有安装在断路器主回路上的内置互感器和外接互感器两种。辅助工作电源绕组用于为控制器提供辅助工作电源，并通过过载电流按比例显示。信号输出绕组为MCU提供采样信号。辅助工作电源绕组和信号输出绕组封装在同一个互感器的外壳中，断路器的每极配有一个互感器。当大电流流过互感器时，辅助工作电源线圈将产生激励磁场和感应电动势，即可为控制器提供辅助工作电源。当互感器流过电流时，将在信号输出绕组副边产生一幅值比较小的信号，此信号经控制器处理后，作为MCU的采样信号。信号输出绕组（空心绕组）把断路器主回路上的大电流转换为毫伏级信号，然后先经模拟量处理，再经八选一电子选择开关进入MCU，电流信号在MCU内进行A/D转换为数字量，并与用户整定的保护参数进行比较。如果电流信号的数字量达到保护值，MCU根据保护特性实施保护的延时过程，延时时间到，MCU发出脱扣指令，磁通变换器使脱扣机构动作，断路器分闸，完成主保护动作过程。另外，模拟量与相应保护值的双限比较器进行模拟量比较，如果电流信号的模拟量达到保护值，双限比较器发出脱扣指令，磁通变换器使脱扣机构动作，断路器分闸，完成后备保护动作过程（MCR功能）。

图2-13中，电源电路通过电流互感器（CT）为智能脱扣器供电。专用集成电路ASIC（Application Specific Intergrated Circuits）将电流互感器检测到的信号放大，并通过矢量合成检测接地故障电流。微处理器根据智能脱扣器所检测的或放大的信号执行脱扣操作。特殊设置模块用于设置智能脱扣器特性的电路。由图可见，智能脱扣器不再是简单的脱扣保护，而是将保护功能与各种显示、控制功能一体化，形成智能控制器。智能控制器的一般功能包括：

1）保护特性：具有过载长延时反时限、短路短延时反时限及定时限、短路瞬时保护，不对称接地（接零）、缺相、三相不平衡故障保护等四段保护特性。

2）整定功能：采用数码显示、编码开关或按键整定方式，可根据需要整定各保护参数，组成所需的保护特性。

3）显示功能：用负载电流光柱显示断路器的工作电流；显示整定电流、整定时间；显示各种保护状态。

4）自检功能：环境温度过热自诊断；微控制器内部的CPU、ROM、RAM及I²C通信自检。

5）记忆功能：记忆过载和短路引起线路或设备的发热程度。记忆线路故障引起脱扣时的故障电流、延时动作时间、故障类别。

6）试验功能：模拟现场的故障状况进行断路器的脱扣或不脱扣试验。

7）可增选功能：短路短延时定时限保护、不对称接地（接零）故障保护、电压表功能、负载监控功能、报警信号输出功能。

8）通信功能：通过通信接口对断路器实现远距离的“四遥”功能。即遥控、遥信、遥调、遥测。可通过上位机可集中监控。遥控是通过主站计算机对系统中每一从站断路器进行储能、闭合、分断等操作控制；遥调是通过主站计算机对系统中的从站进行保护整定值的设定和更改；遥测是主站计算机对系统中从站采样的电网运行参数进行监测；遥信是在主站计算机上即可完整的查看从站的各种运行参数、故障参数、整定参数和型号、生产商、生产日期、控制器编号等参数。支持Modbus-RTU、PROFIBUS-DP、DeviceNet、CAN等通信协议。

9）通信接口：RS-485。通信线路为双绞屏蔽线。

10）波特率：19200bit/s，支持1200bit/s、2400bit/s、4800bit/s、9600bit/s、38400bit/s。

11）帧格式与通信数据：1位起始位，8位数据位，2位停止位，偶校验，支持无校验、奇校验。通信数据包括实时电流、电压、基波电流、基波电压、功率、功率因数、电能、频率、谐波电流和电压含量、谐波电流和电压的总谐波畸变率，以及报警、故障、欠电压、合闸准备就绪、分合闸位置等断路器状态数据。通信数据还包括断路器整定值的读取和修改、历史故障记录数据，断路器产品编号、型号等概要数据。

（3）DW45智能型可通信低压断路器

DW45系列智能型可通信低压断路器具有高短路分断能力、智能化、模块化、体积小、操作可靠等特点。主要保护功能包括长延时反时限保护、短延时定时限和反时限保护、短路瞬时保护、不对称接地或漏电定时限和反时限保护、N相保护、电流不平衡保护、负载监控等。辅助功能包括测量和运行监视功能、数据查询功能、参数整定功能、模拟试验功能、系统自诊断功能、负载监控功能、系统时钟功能、区域联锁、后备保护MCR功能、状态选择功能、过载报警与记忆、历史故障查询、故障时的电流、电压录波功能、三相电流光柱显示和液晶显示、编程接口功能、通信连网功能等。可选过载预报警信号输出、自诊断报警信号输出、故障跳闸报警信号输出、接地不脱扣只报警信号输出等功能。可通过Modbus-RTU、PROFIBUS-DP、DeviceNet、CAN协议等现场总线方式联网，实现“四遥”功能。连网情况下，可在控制中心进行保护特性参数整定。

1）DW45系列智能型可通信低压断路器的结构。图2-14是DW45系列智能型可通信低压断路器的模块化结构图。

由图2-14可见，断路器由本体和抽屉座组成，抽屉座两侧有导轨，导轨上有活动的导板（抽出手柄），断路器本体架落在左右导板上。整体为立体分隔式布置，触头系统封闭在绝缘基座与底板之间，每组触头都被相间隔板分割在小室内，其上方是灭弧室。动触头通过连杆与绝缘基座外的主轴连接，从而完成闭合、分断的任务。每相触头系统为了降低电动斥力及提高接触可靠性，采用多档触头并联形式，多档触头安装在一个触头支持上。触头接触片的一端用软联结与母排连接。断路器在闭合时，主轴带动连杆使触头支持绕支点逆时针转动，当动触头与静触头接触后绕支点顺时针转动并压缩弹簧，从而产生一定的触头压力，确保断路器可靠闭合。智能脱扣器、操作机构、电动储能机构依次排在其前面形成各自独立的单元，可以分别拆装。断路器是通过本体上的母线插入抽屉座上的桥式触头连接主回路。摇动抽屉座下部横梁上的手柄，可实现断路器的“连接”、“试验”和“分离”三个工作位置（手柄旁有位置指示）：在“连接”位置，主回路和二次回路均接通；在“试验”位置主回路断开，并由绝缘隔板隔开，仅二次回路接通，可进行必要的动作试验；在“分离”位置，主回路与二次回路全部断开。抽屉座与断路器间有机械联锁装置，只有在连接位置和试验位置断路器才能闭合。断路器有手动和电动两种操作方式，并具有自由脱扣功能。

欠电压脱扣器有瞬动脱扣和延时脱扣两种工作状态。当电源电压降至（35%～70%）U_e时，瞬时脱扣，断开断路器；当电源电压降至（35%～70%）U_e时，延时脱扣，断开断路器，延时时间为1s、3s、5s；分励脱扣器可远距离操作断路器断开，其可靠闭合电压范围为（70%～110%）U_e；电动操作机构是电动机储能和自动再储能装置，其可靠动作的电压范围为（85%～110%）U_e；闭合电磁铁可使断路器在弹簧储能状态下的合闸机构动作，使断路器闭合，其可靠动作的电压范围为（85%～110%）U_e。辅助开关触头的约定发热电流为6A，一般为4常开4常闭桥式触头。DW45智能型万能式断路器的机械附件有联锁装置和面板等。联锁装置有多种形式，用于多路电源供电的系统，可将两个或三个抽屉式或固定式断路器垂直机械联锁或将两个抽屉式或固定式断路器水平机械联锁。面板固定在开关柜门上，起密封作用。控制器的附件包括外置互感器、编程器、通信线、集线器和通信协议转换器等。外置互感器用于测量N极电流（3P+N型）或漏电电流；编程器用于整定的一些特定参数；通信协议转换器可实现Modbus-RTU协议向PROFIBUS-DP或DeviceNet协议转换等。

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图2-14 DW45系列智能型可通信低压断路器的模块化结构图

2）智能脱扣器的结构和功能。智能脱扣器由上体、基座、互感器和附件等组成，上体和基座是完成保护功能的关键部件。上体完成信号处理、实现辅助功能、产生脱扣指令。基座承担实现脱扣动作和辅助供电。上体主要由控制器的电子组件板、机械复位按钮及外壳等构件组成；电子组件板由微处理器MCU板、电源及I/O板和人机界面板组成。MCU板主要进行电流和电压信号的模拟量处理、模/数转换、数字量运算和逻辑处理、产生脱扣指令、实现各种功能；电源及I/O板负责电源供给、电流及电压信号的输入、断路器机构动作信号输入、脱扣信号输出、信号触头功能输出等；人机界面板主要有按键和显示部分组成。通过面板上的按键可输入指令，整定保护参数，进行模拟试验，完成数据查询等，显示部分可显示相关信息。可根据需要选择集成信号触头输出组件及内含的通信组件等。

基座由联锁机构、磁通变换器、机械复位机构、辅助开关和电源模块等组成。

联锁机构用于控制器脱扣推杆位置的锁定，并带动一组辅助开关的开、闭触头，用来指示断路器主触头的分、合状态。磁通变换器是控制器的执行元件，其内部有永久电磁铁，在正常情况下依靠永久磁铁吸合铁心而处于闭合状态；当通电时，在内部产生一个与永久磁铁极性相反的磁场，使其动铁心在反力弹簧作用下弹出，驱动脱扣推杆，使断路器分闸。当MCU发出脱扣指令时，电流通过线圈产生脱扣磁通，反力弹簧弹出铁心，使磁通变换器打开而动作，从而推动断路器脱扣半轴而分断断路器，分断后脱扣推杆被锁定在脱扣位置，同时断路器的主触头被锁定在分闸位置。

磁通变换器与欠电压脱扣器和分励脱扣器完全独立；机械复位机构用于控制器脱扣推杆的复位；辅助开关含有若干组触头，用于指示断路器主触头的分、合状态和断路器的工作状态，反馈分合闸机构的动作情况；控制器电源采用直流辅助电源和速饱和互感器共同供电，直流辅助电源模块就装在辅助电源变压器的位置上，不用外挂直流模块，但当智能控制器外接二次回路电源为直流220V时，须通过直流电源模块转换成直流24V电源提供给控制器。U、V、W三相内置互感器由速饱和互感器和空心互感器组成，装在一个圆形盒内。速饱和互感器用于为上体提供工作电源；空心互感器感应的毫伏电压信号为控制器提供主回路电流的测量信号，其他互感器只输出测量信号。

3）区域联锁功能。区域联锁功能可进行断路器上下级短路短延时和接地故障保护选择性动作保护，以减少故障波及范围，并缩短断路器的分断时间。这样，短路短延时或接地故障被隔离，并由离故障点最近的上级断路器分断，系统内其他区域的设备保持合闸持续供电，避免了因下级断路器短路故障而造成大范围停电事故。最低级断路器短延时和接地故障跳闸时间必须设为“0”ms，当检测到短延时或接地故障电流超过设定阈值时，则发瞬动脱扣命令，同时向上一级联锁断路器发出下级断路器已分断信息，则上一级断路器按既定延时执行。若某一级断路器分断后，故障已排除，则上一级断路器退出故障状态而正常运行。若本级和上级两个断路器均检测到短延时或接地故障电流超过设定阈值，下级因检测部件故障而不跳闸，上级断路器在40ms内没有接收到下级断路器送来的约束信号，且短路继续存在，则上级断路器不按预定设定时间而瞬时分断，并将约束信号向更上一级传递。通过控制线可联锁多个配有区域联锁功能的智能型控制器的断路器。图2-15所示有3级智能断路器联锁，一般最多可联锁5级。

图2-15 区域联锁功能示意图

图2-15中，当下级断路器出口处发生大于10I_r短路时，3级智能控制器均检测到有大于10I_r短路电流故障，下级断路器的短延时动作时间整定值t_sd=0s，在10ms内即发出脱扣分断命令，并立即向中级断路器传递，中级断路器在40ms内如收到下级断路器送来的级联约束信号，则不分断中级断路器，并向上级断路器传递故障解除级联约束信号，保证了中级和上级断路器的正常供电；反之若下级断路器因本身部件故障未能瞬动脱扣，中级断路器在40ms内未收到下级断路器送来的级联约束信号，则发出瞬动脱扣命令，并立即向上级断路器发送级联约束信号，上级断路器在70ms内如能收到中级断路器发来的约束信号，则不分断上级断路器，否则发出分断上级断路器脱扣命令。各级参数整定值见表2-5。

表2-5 区域联锁各级参数参考整定值

注：I_r：长延时整定电流阈值；I_n：智能控制器额定电流

2.智能型塑料外壳式低压断路器

智能型塑料外壳式低压断路器除具有普通塑料外壳式低压断路器的功能外，基本特征是具有智能脱扣器和通信功能，模块化结构。产品普遍采用新型灭弧技术和限流原理的封闭式触头系统。可实现网络化控制，还可派生区域联锁、电量监控及电能分析等辅助功能。除智能脱扣器外，其结构原理和功能与上述塑料外壳式低压断路器类似。外形尺寸与同系列、同规格的普通塑料外壳式断路器相同，具备互换性。目前，智能型塑料外壳式断路器主要有智能型可调塑料外壳式断路器和可通信智能型塑料外壳式断路器两种产品形式。典型产品有三菱公司的WS-G4系列，国产CM1_E系列、NM8系列等。

（1）智能型可调塑料外壳式断路器。智能型可调塑料外壳式断路器采用单片机控制的电子可调脱扣器，使断路器具有三段保护（过载长延时反时限、短路短延时反时限、短路瞬时定时限），动作电流、动作时间可调；可根据负载电流对脱扣器进行设置调整；可与连接在同一电路中的其他断路器和短路保护装置选择性配合。电子可调脱扣器由断路器自身提供能量，电流信号及脱扣器工作电源来自安装于断路器内的电流互感器；具有手持式专用测试器，以对断路器的参数进行检测。可调塑料外壳式断路器具有“预报警”指示、过载指示、大电流瞬时脱扣功能等。图2-16是CM1_E智能型可调塑料外壳式断路器的结构示意图。

图2-16 CM1_E智能型可调塑料外壳式断路器的结构示意图

图2-16中，测试端1，用于检测电子脱扣器当前整定值；过载长延时动作电流I_r1调整钮2，根据断路器不同的额定电流，可从4档到10档进行调整；长延时动作时间t₁调整钮3，可进行4档调整；短路短延时动作电流I_r2调整钮4，可进行10档调整；短延时动作时间t₂调整钮5，可进行4档调整；短路瞬时动作电流I_r3调整钮6，可进行8档、9档或10档调整；预报警动作电流I_r0调整钮7，可进行7档调整。当断路器正常工作时，断路器面盖上的发光二极管指示为绿色；当流过断路器的实际运行电流达到或超过预报警动作电流时，断路器面盖上的“预报警”发光二极管指示为黄色；当负载电流超出过载长延时动作电流时，断路器面盖上的发光二极管指示为红色；当断路器闭合时或在运行时，遇短路大电流（≥20I_nm），断路器由电磁脱扣机构直接脱扣。所有功能参数采用拨码开关整定，可根据需要自行设定，组成特定的选择性保护线路。断路器按其额定极限短路分断能力（I_cu）的高低，分为M型（较高分断型）、H型（高分断型）两类。断路器可垂直安装，亦可水平安装，具有体积小、分断电流高、飞弧短、带隔离、抗震动等特点。

（2）智能型可通信塑料外壳式断路器。智能型可通信塑料外壳式断路器也是采用电子可调脱扣器和微处理器控制，但具备了通信功能，可实现网络化控制、区域联锁、电量监控及电能分析等辅助功能，构成智能型控制器，通过穿心互感器采集信号，然后通过微处理器分析、处理和控制，并通过RS-485接口实现计算机通信功能。智能化脱扣器不仅增加了额定电流的选择范围，具有三段式保护，并且过载长延时及短路短延时动作时间可以由用户自行设定。

以下以三菱WS-G4系列智能型可通信塑料外壳式断路器为例，简单介绍智能型可通信塑料外壳式断路器的结构原理。图2-17是三菱WS系列可通信智能型塑料外壳式断路器的结构示意图。图2-18是三菱WS系列智能型可通信塑料外壳式断路器的热磁脱扣器和电子脱扣器面板示意图。图2-19是三菱WS系列智能型可通信塑料外壳式断路器联网示意图。

图2-17 三菱WS系列智能型可通信塑料外壳式断路器的结构示意图

图2-18 热磁脱扣器和电子脱扣器面板示意图

a）热磁脱扣器面板 b）电子脱扣器面板

图2-19 三菱WS系列智能型可通信塑料外壳式断路器联网示意图

WS系列智能型可通信塑料外壳式断路器配备可调的热磁脱扣器和电子脱扣器，具有报警开关（AL）、辅助开关（AX）、分励脱扣器（SHT）、欠电压脱扣装置（UVT）等盒式附件。除此之外，还应用聚合物消融型自动吹弧气体压力脱扣机构、狭槽脉动加速器ISTAC（Impulsive Slot-Type Accelerator）技术和无可扰导体通电技术等提高断路器分断性能。聚合物消融型自动吹弧是一种采用直角方式将气体吹到电弧上以提高分断性能的技术。产生于高聚合体物质中的气体聚集于储能空间之内，气体被吹到电弧上予以灭弧，从而改善了高压分断性能；气体压力脱扣机构通过元件盒孔的喷射气体，直接作用于脱扣机构，它与电磁型脱扣器相比，动作速度更快，而且有助于改善限流特性和分断可靠性。狭槽脉动加速器ISTAC分断技术，是利用排斥力、吸引力及气体压力这三种力加速动触头的分离速度，通过优化电流通路和添加磁心，电磁驱动力得到了增强。通过高速开断和电弧推动，提高了电弧电压的上升速率，降低了峰值电流I_p。可选的测量显示器（MDU）可测量和显示负载电流、线电压、功率、电能、谐波电流（第3、5、7次谐波和总谐波）和功率因数，实现电能管理。当安装电能积累设置单元时，带脉冲输出任选功能的MDU可输出脉冲。带CC-Link总线任选功能的MDU可将测量数据传输到CC-Link网络。当断路器脱扣时，故障原因和故障电流将存储于EEPROM中，以便检查故障原因。最高可显示最大额定电流的16倍。负载电流的最大需求值、线电压总谐波电流、功率和电能（小时值）均存储于EEPROM中。带CC-Link的MDU可存储这些数据值的发生时间，以方便寻找功耗的峰值时间。