专利名称：一种直流断路器安秒特性测试系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种直流断路器安秒特性测试系统，应用于电力系统变电站、电 厂等直流系统馈线上的直流断路器安秒特性的测试。
背景技术：
现在电厂、变电站的直流馈电网络多采用树状结构，从蓄电池到站内用电设备，一 般经过三级配电，每级配电大多采用直流断路器作为保护电器。由于上下级直流断路器保 护动作特性不匹配，在直流系统运行过程中，当下级用电设备出现短路故障时，经常引起上 一级直流断路器的越级跳间，造成电力设备损坏和系统故障、甚至引起大面积停电等事故。 为防止因直流断路器及其它直流保护电器动作特性不匹配带来的隐患，国家电网公司对于 新装和运行中的直流保护电器，规定了必须进行安秒特性测试，保证性能与设计相符，以确 保直流回路级差配合的正确性。DL/T5044-2003《电力工程直流技术设计规程》规定，变电 站直流系统中的直流断路器的级差配合方案应满足选择性保护的要求。保护电器如何正确 选型及上下级之间选择性保护的配合问题，直接关系到能否把直流电源的故障限制在最小 范围内，这对防止事故扩大和设备严重损坏至关重要。目前，直流断路器的安秒特性测试都 是在国家级实验室、检测站或生产厂家进行，设备都是采用大型的充电装置和大电流负载 箱，快速记录仪、电流钳等，具有设备笨重、不便携带和现场使用，接线复杂、操作繁琐等缺 点，并且需要大量人工干预、人工计算等工作才能完成。部分运行单位利用变电站的充电机 和蓄电池组对直流保护的断路器进行级差测试，电流难以准确调节，时间也难以准确测量， 设备也无法完成全部数据和全范围测量。因此，设计一种直流断路器安秒特性测试系统，是 目前需要解决的技术问题。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种直流断路器安秒特性测试系统。本实用新型解决其技术问题的技术方案是一种直流断路器安秒特性测试系统，由高频开关电源、超级电容、负载电阻、IGBT 模块、光电耦合、电压变送、电流变送、信号调理、微处理器、按键及显示部分组成，市电交 流AC220V连接高频开关电源的交流输入端，高频开关电源的直流输出和超级电容并联，并 联后的正极和待测断路器的上口的“ + ”相连，待测断路器的下口的“ + ”和“_”短路，上口 的“_”穿过电流变送器与所有并联支路负载电阻的一端相连，电阻的另一端和IGBT模块 FMBH1G300US60的C极连接，IGBT模块的E极并联后连接高频开关电源的直流输出和超级 电容并联的负极，构成测试主回路，电压传感器WPE-DV—次输入端并联于高频开关电源的 直流输出和超级电容，电压传感器二次信号输出连接信号调理部分中的电压运放LM358同 相输入端，电压运放LM358输出端连接微处理器Atmegal28 —个A/D输入脚构成电压采样 回路，电流变送器TBC50A穿心于待测断路器上口的“-”与负载电阻的的连接线，其二次信 号输出连接信号调理部分中的电流运放LM358的同相输入端，电流运放LM358输出端连接微处理器Atmegal28另一个A/D输入脚构成电流采样回路，微处理器Atmegal28通过I/O 脚和光耦TLP521-1的输入相连，光耦TLP521-1输出连接IGBT模块的控制G极，这样多个 支路并联而构成负载调节控制回路，微处理器Atmegal28串口 1的RXD1、TXDl脚连接智能 显示终端DMT64480T056的串行USART接口，构成按键及显示回路，完成按键操作和屏幕显 示功能。本实用新型解决其技术问题的技术方案还可以是本实用新型所述的高频开关电源输出的额定电压为12V，额定电流为20A，具有限 压、限流及短路保护功能，这样能保证给电容充电时，先恒流后恒压，快速安全；超级电容型 号为SU2400P-0027V-1RA，六只串联使用，作为储能元件，为测量提供直流工作电源；负载 电阻为采用8421方式组合的镍镉合金电阻，IGBT模块的型号为FMBH1G300US60，300A600V， 光电耦合为TLP521-1，隔离强弱电；电流变送采用型号为TBC50A的霍尔电流传感器，电 压变送采用型号为WPE-DV电磁调制电压传感器，其输入为0-300V，输出为0-5V，信号调 理包括电压放大和电流放大，都采用运放LM358，微处理器采用Atmegal28，它是ATMEL公 司8位系列最高配置的一款单片机，先进的RISC结构，128K的片内FLASH，4K片内SRAM， 一个8通道的10位的A/D转换器，两个可编程的串行USART ；按键及显示部分采用型号为 DMT64480T056的带串行USART接口的智能显示终端加5. 7时触摸屏。本实用新型ATMEGA128单片机的GND、AGND与电源地相连接，VCC、AVCC、接VCC 高电平，C4并联于ATMEGA128的AREF和AGND脚之间，起滤波作用。单片机ATMEGA128的 XTALl、XTAL2脚分别与电容C2、C3的一端相连，电容的另一端接地，并且在XTALl、XTAL2 之间接一个8M晶振Mx，为系统提供主时钟信号，使单片机正常工作。单片机ATMEGA128的 RESET脚与电阻Rll的一端及电容Cl的一端相连接，Rll的另一端接VCC高电平，Cl的另一 端接地，完成上电复位功能。ATMEGA128的RXDl脚与智能显示终端DMT64480T056的TX脚 相连，TXDl脚与智能显示终端的RX脚相连，DMT64480T056的GND脚接地，构成按键和显示 回路，ATMEGA128的PBO-PB7脚通过电阻Rbl-Rb8和光耦TLP521-1V1 —V8的2脚相连， 所有TLP521-1的1脚连接VCC高电平，4脚与+15电源连接，TLP521-1V1... V8的3脚与电 阻 Rcl...Rc8 的一端及 IGBT 模块 ΡΜΒΗ16300υ560ΜΡ..Μ8 的 G 极相连，RcL·.. Rc8 的另一端接 地，ΡΜΒΗ16300υ560ΜΡ··Μ8的E极并联后与超级电容Cs和高频开关电源的直流输出“_”连 接，ΡΜΒΗ16300υ560ΜΡ..Μ8的C极分别接负载电阻Rzl...Rz8的一端，Κζ1 Κζ8的另一端并 联后穿过电流变送器TBC50A后与待测断路器上口的“_”连接，待测断路器的下口的“ + ”和 “-”短路，上口的“ + ”与超级电容Cs和高频开关电源的直流输出“ + ”连接，负载电阻Rzl··· Rz8、IGBT模块ΜΡ··Μ8、光耦VL··· V8、电阻Rbl"'Rb8和Rcl··· Rc8 一起构成主测试及其控 制电路，WPE-DV 一次输入端U+与超级电容Cs和高频开关电源的直流输出“ + ”连接，U-与 超级电容Cs和高频开关电源的直流输出“_”连接，电压传感器的+E脚接12V，GND脚接地， 信号输出端Us连接R8的一端，电阻R8的另一端与AMPl的3脚相连，电阻R7的一端接地， 另一端与AMPl运放LM358的2脚及电位器Wl的1脚相连，电位器Wl的2、3脚与AMPl的1 脚及ATMEGA128的ADCl脚相连接，WPE-DV, R7、R8、Wl及AMPl —起构成电压信号变送调理 电路，电流传感器TBC50A穿心于待测断路器上口的“-”与所有并联支路负载电阻RzPhRZS 的连接线，TBC50A的的+E脚接12V，-E脚接-12V，G脚接地，信号输出端Uz连接电阻RlO 的一端，RlO的另一端与AMP2运放LM358的3脚相连，电阻R9的一端接地，另一端与AMP2的2脚及电位器W2的1脚相连，电位器W2的2、3脚与AMP2的1脚及ATMEGA128的ADC0 脚相连接，TBC50A、R9、RIO、W2及AMP2 —起构成电流信号变送调理电路。控制过程如下高频开关电源把交流AC220V整流成直流后给超级电容 SU2400P-0027V-1RA充电，充满电后，把待测断路器扳到合位，通过智能显示终端 DMT64480T056的触摸屏按照相关电力标准设定参数，设置完成后，微处理器Atmegal28通 过光耦TLP521-1驱动IGBT模块FMBH1G300US60控制负载电阻的投切组合，产生测量所需 要的稳定的直流电流，待测断路器保护脱扣，电压、电流传感器把电压、电流强电信号隔离 转变为0 5V弱电信号传递给信号调理电路运放LM358 (两路，一路电压放大、一路电流放 大)，经LM358放大后，分别传递给微处理器Atmegal28的两个A/D输入脚，微处理器记录脱 扣前后整个过程的直流电压、电流值，并根据电流值的变化计算出待测断路器的分断时间， 通过串行通讯在智能显示终端显示报表、安秒特性曲线等。本系统由高频开关电源、超级电容、负载电阻、IGBT模块、光电耦合、电压变送、电 流变送、信号调理、微处理器、按键及显示部分组成。上述各部分连接方式如下市电交流 AC220V连接高频开关电源的交流输入端，高频开关电源的直流输出和超级电容并联，并联 后的正极和待测断路器的上口的“ + ”相连，待测断路器的下口的“ + ”和“_”短路，上口的“_” 穿过电流变送器与所有并联支路负载电阻的一端相连，电阻的另一端和IGBT模块的C极连 接，IGBT模块的E极并联后，连接高频开关电源的直流输出和超级电容并联的负极，而构成 测试主回路；电压传感器一次输入端并联于高频开关电源的直流输出和超级电容，电压传 感器二次信号输出连接信号调理部分中的电压运放同相输入端，电压运放输出端连接微处 理器一个A/D输入脚而构成电压采样回路；电流变送器穿心于待测断路器上口的“_”与负 载电阻的的连接线，其二次信号输出连接信号调理部分中的电流运放的同相输入端，电流 运放输出端连接微处理器另一个A/D输入脚而构成电流采样回路；微处理器通过I/O脚和 光耦的输入相连，光耦输出连接IGBT模块的控制G极，这样多个支路并联而构成负载调节 控制回路；微处理器串口 1连接智能显示终端的串行USART接口，构成按键及显示回路。工 作过程如下高频开关电源把交流AC220V整流成直流后给超级电容充电，充满电后，把待 测断路器扳到合位，通过智能显示终端的触摸屏按照相关电力标准设定参数，设置完成后， 微处理器通过光耦驱动IGBT模块控制负载电阻的投切组合，产生测量所需要的稳定的直 流电流，待测断路器保护脱扣，微处理器记录脱扣前后整个的直流电压、电流值，并根据电 流值的变化计算出待测断路器的分断时间，通过串行通讯在智能显示终端显示报表、安秒 特性曲线等。本实用新型的有益效果是与现有技术相比，本实用新型具有以下优点①利用超级电容作为储能方式，外接电源，比使用电池方式寿命长、充电快、更安 全。如使用蓄电池，当直流断路器故障无法脱扣时，电池就会因长时间大电流放电而爆炸， 而使用电容最多电容完全放电，绝不会发生爆炸危险；另外，电容循环寿命、大电流充电等 性能是蓄电池无法比拟的。②根据规程要求自动调节负载电阻产生直流电流输出，稳定准确；通过电流突变 时间间隔来测量直流断路器分断时间，准确可靠。③自动记录相关数据绘制断路器保护特性曲线(安秒曲线)，省时省力，无需人工干预。④体积小、重量轻，接线简单，便于携带和现场使用。
图1是系统原理框图。图2是是系统的电路图。
具体实施方式
如图所示，一种直流断路器安秒特性测试系统，由高频开关电源、超级电容、负载 电阻、IGBT模块、光电耦合、电压变送、电流变送、信号调理、微处理器、按键及显示部分组 成，其特征在于市电交流AC220V连接高频开关电源的交流输入端，高频开关电源的直流 输出和超级电容并联，并联后的正极和待测断路器的上口的“ + ”相连，待测断路器的下口的 “ + ”和“-”短路，上口的“-”穿过电流变送器与所有并联支路负载电阻的一端相连，电阻的 另一端和IGBT模块FMBH1G300US60的C极连接，IGBT模块的E极并联后连接高频开关电 源的直流输出和超级电容并联的负极，构成测试主回路，电压传感器WPE-DV—次输入端并 联于高频开关电源的直流输出和超级电容，电压传感器二次信号输出连接信号调理部分中 的电压运放LM358同相输入端，电压运放LM358输出端连接微处理器Atmegal28 —个A/D 输入脚构成电压采样回路，电流变送器TBC50A穿心于待测断路器上口的“_”与负载电阻的 的连接线，其二次信号输出连接信号调理部分中的电流运放LM358的同相输入端，电流运 放LM358输出端连接微处理器Atmegal28另一个A/D输入脚构成电流采样回路，微处理器 Atmegal28通过I/O脚和光耦TLP521-1的输入相连，光耦TLP521-1输出连接IGBT模块的控 制G极，这样多个支路并联而构成负载调节控制回路，微处理器Atmegal28串口 1的RXDl、 TXDl脚连接智能显示终端DMT64480T056的串行USART接口，构成按键及显示回路。所述的高频开关电源输出的额定电压为12V，额定电流为20A，超级电容型号 为SU2400P-0027V-1RA，六只串联使用，负载电阻为采用8421方式组合的镍镉合金电阻， IGBT模块的型号为FMBH1G300US60，300A600V，光电耦合为TLP521-1，电流变送采用型号为 TBC50A的霍尔电流传感器，电压变送采用型号为WPE-DV电磁调制电压传感器，其输入为 0-300V，输出为0-5V，信号调理包括电压放大和电流放大，都采用运放LM358，微处理器采 用Atmegal28，按键及显示部分采用型号为DMT64480T056的带串行USART接口的智能显示 终端加5. 7时触摸屏。ATMEGA128单片机的GND、AGND与电源地相连接，VCC, AVCC、接VCC高电平，C4并 联于ATMEGA128的AREF和AGND脚之间，单片机ATMEGA128的XTALl、XTAL2脚分别与电 容C2、C3的一端相连，电容的另一端接地，并且在XTALl、XTAL2之间接一个8M晶振Mx，为 系统提供主时钟信号，单片机ATMEGA128的RESET脚与电阻Rll的一端及电容Cl的一端 相连接，Rll的另一端接VCC高电平，Cl的另一端接地，ATMEGA128的RXDl脚与智能显示 终端DMT64480T056的TX脚相连，TXDl脚与智能显示终端的RX脚相连，DMT64480T056的 GND脚接地，构成按键和显示回路，ATMEGA128的ΡΒ0···ΡΒ7脚通过电阻ΙΛ1···ΙΛ8和光耦 TLP521-1V1-V8的2脚相连，所有TLP521-1的1脚连接VCC高电平，4脚与+15电源连接， TLP521-1V1...V8 的 3 脚与电阻 Rcl...Rc8 的一端及 IGBT 模块 FMBH1G300US60M1...M8 的 G 极相连，Rcl…Rc8的另一端接地，FMBH1G300US60M1…M8的E极并联后与超级电容Cs和高频 开关电源的直流输出“_”连接，FMBH1G300US60M1…M8的C极分别接负载电阻Rzl*"RZ8的 一端，Rzl…Rz8的另一端并联后穿过电流变送器TBC50A后与待测断路器上口的“-”连接， 待测断路器的下口的“ + ”和“_”短路，上口的“ + ”与超级电容Cs和高频开关电源的直流输 出 “ + ” 连接，负载电阻 Rzl...Rz8、IGBT 模块 Ml…M8、光耦 V1...V8、电阻 Rbl...Rb8 和 Rcl... Rc8 一起构成主测试及其控制电路，WPE-DV 一次输入端U+与超级电容Cs和高频开关电源 的直流输出“ + ”连接，U-与超级电容Cs和高频开关电源的直流输出“_”连接，电压传感器 的+E脚接12V，GND脚接地，信号输出端Us连接R8的一端，电阻R8的另一端与AMP1的3 脚相连，电阻R7的一端接地，另一端与AMP1运放LM358的2脚及电位器W1的1脚相连，电 位器 W1 的 2、3 脚与 AMP1 的 1 脚及 ATMEGA128 的 ADC1 脚相连接，WPE_DV、R7、R8、W1 及 AMP1 一起构成电压信号变送调理电路，电流传感器TBC50A穿心于待测断路器上口的“_”与所有 并联支路负载电阻Rzl…Rz8的连接线，TBC50A的的+E脚接12V，-E脚接-12V，G脚接地， 信号输出端Uz连接电阻R10的一端，R10的另一端与AMP2运放LM358的3脚相连，电阻R9 的一端接地，另一端与AMP2的2脚及电位器W2的1脚相连，电位器W2的2、3脚与AMP2的 1脚及ATMEGA128的ADC0脚相连接，TBC50A、R9、RIO、W2及AMP2 —起构成电流信号变送调 理电路。
权利要求一种直流断路器安秒特性测试系统，由高频开关电源、超级电容、负载电阻、IGBT模块、光电耦合、电压变送、电流变送、信号调理、微处理器、按键及显示部分组成，其特征在于市电交流AC220V连接高频开关电源的交流输入端，高频开关电源的直流输出和超级电容并联，并联后的正极和待测断路器的上口的“+”相连，待测断路器的下口的“+”和“-”短路，上口的“-”穿过电流变送器与所有并联支路负载电阻的一端相连，电阻的另一端和IGBT模块FMBH1G300US60的C极连接，IGBT模块的E极并联后连接高频开关电源的直流输出和超级电容并联的负极，构成测试主回路，电压传感器WPE-DV一次输入端并联于高频开关电源的直流输出和超级电容，电压传感器二次信号输出连接信号调理部分中的电压运放LM358同相输入端，电压运放LM358输出端连接微处理器Atmega128一个A/D输入脚构成电压采样回路，电流变送器TBC50A穿心于待测断路器上口的“-”与负载电阻的的连接线，其二次信号输出连接信号调理部分中的电流运放LM358的同相输入端，电流运放LM358输出端连接微处理器Atmega128另一个A/D输入脚构成电流采样回路，微处理器Atmega128通过I/O脚和光耦TLP521-1的输入相连，光耦TLP521-1输出连接IGBT模块的控制G极，这样多个支路并联而构成负载调节控制回路，微处理器Atmega128串口1的RXD1、TXD1脚连接智能显示终端DMT64480T056的串行USART接口，构成按键及显示回路。
2.根据权利要求1所述的一种直流断路器安秒特性测试系统，其特征在于 所述的高频开关电源输出的额定电压为12V，额定电流为20A，超级电容型号为 SU2400P-0027V-1RA,六只串联使用，负载电阻为采用8421方式组合的镍镉合金电阻， IGBT模块的型号为FMBH1G300US60，300A600V，光电耦合为TLP521-1，电流变送采用型号为 TBC50A的霍尔电流传感器，电压变送采用型号为WPE-DV电磁调制电压传感器，其输入为 0-300V,输出为0-5V，信号调理包括电压放大和电流放大，都采用运放LM358，微处理器采 用Atmegal28，按键及显示部分采用型号为DMT64480T056的带串行USART接口的智能显示 终端加5. 7时触摸屏。
3.根据权利要求2所述的一种直流断路器安秒特性测试系统，其特征在于ATMEGA128 单片机的GND、AGND与电源地相连接，VCC、AVCC、接VCC高电平，C4并联于ATMEGA128的 AREF和AGND脚之间，单片机ATMEGA128的XTALl、XTAL2脚分别与电容C2、C3的一端相连， 电容的另一端接地，并且在XTAL1、XTAL2之间接一个8M晶振Mx，为系统提供主时钟信号， 单片机ATMEGA128的RESET脚与电阻Rll的一端及电容Cl的一端相连接，Rll的另一端接 VCC高电平，Cl的另一端接地，ATMEGA128的RXDl脚与智能显示终端DMT64480T056的TX脚 相连，TXDl脚与智能显示终端的RX脚相连，DMT64480T056的GND脚接地，构成按键和显示 回路，ATMEGA128的PBO-PB7脚通过电阻Rbl-Rb8和光耦TLP521-1V1 —V8的2脚相连， 所有TLP521-1的1脚连接VCC高电平，4脚与+15电源连接，TLP521-1V1··· V8的3脚与电 阻Rcl...Rc8的一端及IGBT模块ΡΜΒΗ16300υ560ΜΡ..Μ8的G极相连，的另一端接 地，ΡΜΒΗ16300υ560ΜΡ··Μ8的E极并联后与超级电容Cs和高频开关电源的直流输出“_”连 接，ΡΜΒΗ16300υ560ΜΡ..Μ8的C极分别接负载电阻Rzl... Rz8的一端，ΚζΡ..Κζ8的另一端并 联后穿过电流变送器TBC50A后与待测断路器上口的“_”连接，待测断路器的下口的“ + ”和 “-”短路，上口的“ + ”与超级电容Cs和高频开关电源的直流输出“ + ”连接，负载电阻Rzl··· Rz8、IGBT模块ΜΡ··Μ8、光耦VL··· V8、电阻Rbl"'Rb8和Rcl··· Rc8 一起构成主测试及其控 制电路，WPE-DV 一次输入端U+与超级电容Cs和高频开关电源的直流输出“ + ”连接，U-与超级电容Cs和高频开关电源的直流输出“_”连接，电压传感器的+E脚接12V，GND脚接地， 信号输出端Us连接R8的一端，电阻R8的另一端与AMPl的3脚相连，电阻R7的一端接地， 另一端与AMPl运放LM358的2脚及电位器Wl的1脚相连，电位器Wl的2、3脚与AMPl的1 脚及ATMEGA128的ADCl脚相连接，WPE-DV, R7、R8、Wl及AMPl —起构成电压信号变送调理 电路，电流传感器TBC50A穿心于待测断路器上口的“-”与所有并联支路负载电阻RzPhRZS 的连接线，TBC50A的的+E脚接12V，-E脚接-12V，G脚接地，信号输出端Uz连接电阻RlO 的一端，RlO的另一端与AMP2运放LM358的3脚相连，电阻R9的一端接地，另一端与AMP2 的2脚及电位器W2的1脚相连，电位器W2的2、3脚与AMP2的1脚及ATMEGA128的ADCO 脚相连接，TBC50A、R9、RlO、W2及AMP2 —起构成电流信号变送调理电路。
专利摘要本实用新型公开一种直流断路器安秒特性测试系统，由高频开关电源、超级电容、负载电阻、IGBT模块、光电耦合、电压变送、电流变送、信号调理、微处理器、按键及显示部分组成。本实用新型具有利用超级电容作为储能方式，外接电源，比使用电池方式寿命长、充电快、更安全的优点，同时可根据规程要求自动调节负载电阻产生直流电流输出，稳定准确；通过电流突变时间间隔来测量直流断路器分断时间，准确可靠。自动记录相关数据绘制断路器保护特性曲线(安秒曲线)，省时省力，无需人工干预。体积小、重量轻，接线简单，便于携带和现场使用。
文档编号G01R31/327GK201628757SQ20102015660
公开日2010年11月10日 申请日期2010年4月10日 优先权日2010年4月10日
发明者尉镔, 李培英, 潘大志, 罗清雷, 马延强, 高云 申请人:河北创科电子科技有限公司