对固态断路器技术的应用现状研究

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｔｅｃｈ　ｎｏｌｏｇｙ●电子技术　

对固态断路器技术的应用现状研究　

文／牟磊史蕾场彭博张宏伟刘永亮　

断路器是电力设备中的重要　

操作能　——争ｌ　操作机　匝　一匪　圈　

开关部件，但在实际使用过程中　

由于断路器自身机械构造的限制，　

影响其机械操动灵敏度和可靠性，　

无法满足电力开断的速动要求，　

因此，智能化已经成为断路器发　

展的一个重要方向。鉴于此，本　

文主要对固态断路器技术的应用　

现状，以及固态断路器的限流方　

式与优缺点进行深入分析。　

【关键词】固态断流器控制系统应用研究　

固态断流器（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂｒｅａｋｅｒ）　

主要依托于现代电子技术，通过无触点开关实　

现对断路器操动速度和准确性的控制。可以说　

固态断路器集合了微电子技术、现代通信技术　

以及传感器技术等多种高端技术，对于固态断　

路器的研究，有助于提升我国输电线路稳定性　

和电网数字化管理的整体水平，同时也是断路　

器智能化、现代化发展的主要方向。本文主要　

针对固态断路器的主体结构，结合电力系统对　

保护装置。分析其工作原理，同时验证固态断　

路器对电压电流的检测和控制的速动性，为目　

后的研究和应用提供理论基础。　

１固态断流器结构特征　

断路器是负责开合和断开正常回路状态　

下的电流，并能闭合、承载在规定时间内异常　

回路状态下电流的开关装置。可以说断路器是　

维护电力电网安全、可靠运行的核心环节。如　

何更好地提升断路器的工作效率以及准确性，　

最大限度的满足电力系统保护发展的需要是本　

文研究的主要目的　

通常情况下，断路器主要结构可以分为　

操动机构和灭弧室组成，通过操动机构带动灭　

弧室的触头进行开启、闭合动作，从而达到断　

开和承接电路的目的。现阶段，断路器常用于　

１１０ｋＶ及以上电压等级，在高压输电系统中有　

着非常广泛的应用。我国目前主要应用的断路　

器有油控断路器、真空断路器以及ＳＦ６断路器　

等，其中真空断路器常应用于中低压等级的输　

电系统。传统断路器工作流程如图１所示。　

固态断路器是断路器智能化形式之一，　

主要结构可以分为开关模块、主控模块、电源　

模块、冷却保护模块以及信号处理模块五大部　

分组成。固态断路器主体结构如图２所示。　

１．１开关模块　

固态断路器的开关模块主要由电力电子　

图１：传统断路器工作流程图　

图２：固态断路器主体结构图　

器件串并联构成的，通过这些器件的开启和闭　２固态断流器的应用现状　

合完成对正常回路中电流的开断控制。　２

．

１固态断路器大功率化的应用　

１．２主控模块　

现阶段，我国对于固态断路器的应用，　

主控制模块是固态断路器的中枢，主要　仅限于额定电流较低的情况，但是由于电网规　

由单片机配合驱动电路、液晶显示屏及键盘进　模的不断扩大，电流容量进一步增加，使得固　

行工作。首先对通信模块传输来的数字模拟信　态断路器大功率化的研究已经成为一种趋势。　

号进行逻辑运算，输出符合预设保护特征的电　但就目前来看，对于固态断路器驱动脉冲信号　

平信号，电平信号经过放大器放大，驱动固态　的同步控制以及电压、电流均衡化处理，依然　

断路器电力电子器件的开启、闭合动作。　存在很多不完善的地方。首先对于驱动脉冲信　

１．３电源模块　

号同步控制方面，现有的固态断路器往往会出　

现电力电子器件开启、闭合异步，产生不均压　

用于给主控模块、信号处理模块以及驱　

和不均流现象，对器件造成损伤，甚至会影响　

动模块提供工作所必需的电能。　

整个系统的正常运行；其次，在固态断路器中，　

电力电子器件较为分散，会给驱动电路的信号　

１．４冷却保护模块　

传播带来一定的延迟，再加上电力电子器件开　

固态断路器的冷却模块主要用来吸收电　

启、闭合异步等因素，在断路器操动过程中会　

子器件散发出的热量，最大限度的减少对电子　

造成电压、电流分布不均匀，致使器件损坏。　

器件造成的热损伤。主要由电阻并联二极管，　

由此可见，对于固态断路器的平衡设计是非常　

然后再与电容串联组成，分别位于电力电子器　

重要的，尤其是动态平衡方面，将是决定固态　

件的两端。　

断路器发展的关键问题。　

１．５信号处理模块　２・２固态断路器的限流功能　

信号处理模块主要是对主线路中的电流　

固态断路器的限流功能可以有效的防止　

信号进行检测和处理，去除无用信号，然后将　

短路电流，提升电网系统运行的安全性和可靠　

其转换成可供传输利用的数字模拟信号，并传　

性。现阶段固态断路器的限流方式，主要有　

输到主控制模块中。　

＜＜下转１３０页　

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ电子技术与软件工程・１２９　

电子技术・Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

用ＡＴ８９Ｃ５１与可控硅制作８路霓虹灯控制器　

文／魏永生　

控制芯片采用ＡｒＭＥＬ公司的ＡＴ８９Ｃ５ｌ　

也就是阴极，本电路中每路霓虹灯的负载电流　

单片机控制双向可控硅是目　

前比较理想的开关控制模式，在　

工控和家电行业中广泛应用，本　

文以自制的霓虹灯控制器为载体，　

来说明如何通过制作了解单片机　

在霓虹灯控制器中的应用，掌握　

双向可控硅触发电路的功能和原　

理，同时本文详细阐述用可控硅　

制作８路控制器的设计过程和经　

验，文中还将电路的故障检修和　

时控开关的检修方法做了介绍，　

同时强调制作中的安全事项　

编程，程序采用三套闪烁方案，此处列出一　

组方案程序，程序分别用汇编和Ｃ语言编写，　

约为Ｏ．６Ａ，选用ＢＴＡ０６（６Ａ）已有足够余量。　

烧入２个芯片，经过各２个月的试用，汇编程　

序的芯片出现了程序紊乱，改换Ｃ程序的芯片　

已三个月了一直正常，可见Ｃ程序的抗干扰　

性更强些。　

３电路原理　

主电路是由２２ＯＶ电源火线Ｌ接所有霓虹　

灯电子镇流器进线端，每路霓虹灯电子镇流器　

出线经可控硅（开关）的Ｔ２、Ｔ１极与电源零　

线Ｎ构成回路，由可控硅开关控制霓虹灯的　

亮灭。　

２　８路开关控制电路设计　

因霓虹灯是由专用电子镇流器升压（５ｋｖ）　

后点亮荧光灯管，该电子镇流器需交流２２０Ｖ　

控制电路：控制电路的供电电源由４Ｗ变　

压器降压，经ＤＩ￣Ｄ４整流，再由ｃ１滤波得　

到的直流电压，经Ｎ１（７８０５）稳压后，输出　

供电，其开关控制方案有３种：一是用继电器　

做开关控制，但因灯的闪烁频率较高，继电　

器反应速度较慢，由于触点有使用寿命，会　

键词】可控硅霓虹灯控制器　

增加日后维护的难度。二是用过零触发光耦　

ＭＯＣ３０６１，经试验，ＭｏＣ３Ｏ６１电流为ｌＡ．在　

本电路中直接控制主电路易烧坏　表现为电路　

我校有一霓虹灯用于显示“吉林机电工程　

常亮而失去控制作用，最后决定用双向可控硅　

５Ｖ电源为ＣＰＵ和触发电路供电。　

霓虹灯电子开关触发电路如图ｌ所示，电　

路由可控硅的Ｔｌ、Ｇ极、Ｏｌ（￥８０５０）、Ｃ１１　

构成，其中Ｃ１１为５Ｖ电源的滤波电容，在触　

发电路中起直流电源的作用。当Ｏｌ截止时，　

触发回路断开，可控硅ＴＲ无触发，处于截止　

状态，当０ｌ由ＣＰＵ（ＨＹＯ．Ｏ１）控制导通后，　

电容Ｃ１１正极电压经Ｔ１、Ｇ和Ｒ１、ｏ１回到　

Ｃｌ１电源负极。　

可控硅门极加正、负触发脉冲都能使管　

”校名，８路输出控制，因控制器年久损坏，　

做交流开关，双向可控硅是一种交流器件，它　

市场的控制器只有４路，为此决定自制控　内部有ＮＰＮＰＮ五层结构，Ｔ２，Ｔ１，Ｇ为三个　

｝进行修复。　引出端子，可控硅主回路的两个引出端子分别　

称为Ｔｌ，Ｔ２端，其中靠近门极Ｇ的端子为Ｔ１端，　

呈序设计　

上接１２９页　

￣ｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ＰＴＣ）电阻　

现对线路的切断作用。由此可见，固态限流具　

性的关注度越来越高。传统的断路器在受压、　

ｉ、超导限流以及固态限流三种形式。　

有操动速度较快、动作时间短等优势。现阶段，　

耐流方面表现较差，为了防止电网故障，短路　

ＰＴＣ电阻限流主要是利用热敏电阻ＰＴＣ　我国对于固态限流的研究主要集中在电抗器限　

电流对断路器的功率器件造成严重损伤，因此，　

度系数的特性，在电力设备正常运行的过　流、可变电阻式限流、串补限流以及固态开关　

在提高电网运行的可靠性和安全性方面，需要　

，

热敏电阻ＰＴＣ的阻值很小，温度较低。　限流四种形式。其中电抗器限流、可变电阻式　

限流、串补限流只适用于交流环境，而固态开　

关限流则通用于交、直流环境。　

２．３固态断路器检测、控制方法　

准确、有效地检测出电网的电压、电流值，并　

且电压、电流的有效值和峰值进行比对分析，　

Ｌ电网中出现短路电流，热敏电阻ＰＴＣ会　

膨胀，电阻值急剧上升，限制短路电流继　

ｉ过，从而起到保护电力设备的作用。对于　

电阻ＰＴＣ在实际应用中的不足，对于限　

性负载的条件下，会使ＰＴＣ严重发热，　

检测方法越准确，所需要的时间越短，同时也　

能够及时、快速的诊断和切除故障，实现对电　

力设备的安全保护。　

固态断路器如何准确有效的检测故障电　

＝连接设备的机械强度和热效有着较高的要　

流和电压，是确保电力设备安全运行的关键所　

参考文献　

而且单个的ＰＴＣ固有电压和电流额定值　

在。在具体应用过程中，断路器如果只检测电　

［１】胡杰．直流固态断路器现状及应用前景　

￡，通用性不高。　

流的幅值或者有效值，会对其操动性造成一定　

的延迟，所以必须要综合评定故障电流和电压　

幅值、有效值的变化频率。此外，为了降低线　

路开启、闭合对主控制回路造成的影响，软开　

…Ｊ．电力系统保护与控制，２００９（１０）．　

超导限流主要借助超导材料在温度接近　

ｔ零度的时候，物体分子热运动下材料的电　

近于０的性质，当电网中存在短路电流，　

［２】张超．独立电力系统中固态断路器的开发　

与应用【Ｊ】．电工技术，２００３（ｉ２）．　

材料有零阻抗变为非线性的高电阻，从而　

关控制方法也融入到固态断路器的设计当中，　

０短路电流的通过。对于超导限流的表现形　

通过外部回路的谐振作用对主控制回路在电　

主要有电阻型、电抗器型、磁通型以及变　

压、电流过零状态下的切换，最大限度的降低　

作者简介　

｝型四种。　

牟磊（１９８０－），男，大学本科学历。现为国　

对电力电子器件造成的损耗　

固态限流主要利用电力电子器件实现对　

网青岛供电公司运维检修部工程师，从事电气　

回路的开启和闭合。由于固态限流采用电　

子器件，例如：用功率半导体做主开关管，　

发生短路现象，电容自身的电流通过谐振　

§释放，使流过功率半导体的电流反向，实　

［３】王彦文．固态断路器在煤矿低压系统的应　

用［Ｊ】．煤矿安全，２０１　２（０３）．　

３结束语　

工程及自动化研究。　

综上所述，伴随着电网规模的不断扩大，　

电网容量的急剧上升所造成安全隐患也越来越　作者单位　

多，这也使得人们对电力电网的安全性和可靠　国网青岛供电公司　山东省青岛市　２６６００２　

３０・电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ