低压断路器主控系统设计
摘 要本设计的主要研究内容是关于低压断路器主控系统的硬件设计。设计采用了MSP430F449作为控制系统的核心，涉及到的主要模块包括电源模块，模拟信号采集模块，缺相检测模块，故障记录模块，显示模块，键盘控制模块，断路器通断控制模块及通信接口模块。利用上述模块通过对电压互感器、电流互感器，零序互感器获得的信号进行信号处理，实现了对过压、欠压、缺相、漏电、过载和短路故障提供保护，同时加入重合闸方便在线路发生暂时性故障后，将断路器重新合上自动投入运行。预留了通信接口可用来实现与计算机的双向通信，使其更加智能化。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景与意义 1
1.2低压断路器的发展状况 1
第二章 系统方案设计 3
2.1低压断路器的作用和重合闸的意义 3
2.2系统方案设计 3
第三章 系统的硬件电路设计 6
3.1主控制器的设计 6
3.2电源模块 7
3.3通信接口电路的设计 8
3.4断路器的通断控制 9
3.5缺相检测模块 10
3.6模拟信号采集模块 10
3.7单片机的键盘输入与显示模块 13
3.8故障记录模块 15
第四章 系统的软件设计 16
4.1软件开发平台 16
4.2系统软件的设计 16
4.3 模拟信号的采集 17
4.4 单片机的键盘输入与显示模块 18
4.5 故障记录 20
第五章 系统的软硬件测试与系统的实现 21
5.1系统原理图 21
5.2 PCB的布板注意事项 21
5.3电源模块的测试 22
5.4功能模块的测试 23
5.5软件综合测试 27
结束语 32
致 谢 33
参考文献 34
附录 35
附录A PCB图 35
附录B 硬件实物图 36
附录C 程序代码 38
第
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
一章 绪论
1.1课题研究的背景与意义
在现代社会，不论是在运输方面、工农业、国防，还是小到人们的日常生活都与电力分不开，电的广泛使用对于人们的来说十分重要。在电的产生，输送过程和使用中，配电环节是一个极其重要的部分。因此对电力设备运行状况的监测是电力系统稳定安全运行的保证。在配电系统中有各种变压器及高低压电器设备，低压断路就是其中一种为了保护人身安全和电网安全的电器。随着近几年来我国电网行业的不断发展壮大，中国在新增发电量上的投资在不断增加，低压断路器被广泛的应用于低压配电系统各级馈线，各种用电终端的保护和控制，机械设备的电源控制，市场上对于低压断路器产品的需求也处在一个不断增长的势头。低压断路器，简称断路器。简单来说它是一种开关，不同点在于在适用的工作电压等级，灭弧能力，灭弧的介质和方式上与普通开关不同。它可以跟踪线路电压，实时监测电流，在系统发生故障时能与保护装置和自动装置相互配合，迅速切断故障电流，防止事故扩大，保护人身安全，保证系统安全运行。在使用中，我们会将低压断路器搭配自动重合闸来使用，将因故障跳开后的断路器按需要自动投入到线路中。自动重合闸装置能够在短时间后将断路器重新合上。架空线路的故障在大多数情况下都是暂时性的，永久性故障的概率很低，通常情况下在跳闸后线路的绝缘性能可以恢复，使得重合成功，自动将断路器重合不仅使电力系统供电的可靠性提高，减少了因停电而带来的损失，也可以纠正由断路器造成的误跳闸。若线路故障属于永久性故障，则可断开开关，待查明线路原因后再送电。现代的电力系统已经向自动化转变，传统的断路器已经无法满足需求。我们需要更加智能的断路器，新型断路器基于微处理器设计，在传统断路器常规保护的基础上，还具有人机交互，网络通信，故障查询等功能。这些功能的加入也为维护工作带来了便利，尤其是网络通信功能的加入可以实现对配电系统实现远距离操控，极大地节省了人力物力。
1.2低压断路器的发展状况
与传统的断路器相比，新兴的智能断路器有很多传统的所不能比拟的优点。因此国内外的厂商在对这块进行开发的时候都投入了大量的技术。世界上首台基于微处理器技术的智能断路器出现于1985年。在这一方面做得比较好的国外公司中有德国西门子3WN系列，施耐德MT 系列，日本三菱的AE 系列等。我国在智能型产品方面的研究上起步较晚，基本上依靠引进国外的技术，与国外同等类型的产品相比，在主要的性能方面还有较大的差距，直到1996年才出现智能型的断路器产品，但是其功能还有待于进一步的改善和提高。
我国国内在低压断路器的应用领域处于一个三代并存的局面。以DW10，DZ10为代表的第一代产品，性能与50年代的国外产品差不多。第二代产品主要可分为自行研发和技术引进两类，拥有较高的市场占有率，性能水平和国外80年代初的产品水平差不多。第三代的智能断路器开发，由于起步较晚，技术的不完善，相关的应用产品并不多。从目前断路器的发展方向来看，现在的智能断路器已经不单单是一个保护装置，而是将通信，测量等功能融合为一个整体。第四代的产品主要是加入现场总线技术加强产品的联网通信能力，实现遥调、遥测、遥控等功能。
第二章 系统方案设计
2.1低压断路器的作用和重合闸的意义
断路器在电网中主要用来保护和控制。根据运行的需要切换或投入电力设备或线路。在电力设备或线路发生故障时，通过保护措施将故障部分从电网中切除，保证电网其他部分的正常运行。在日常生活中断路器主要用来作为各种电器的保护电路，当电路中发生短路或者有人触电时，断路器瞬间动作，断开电源。
重合闸是一种自动装置，负责将因电路故障而跳开的断路器重新合闸。由于在生活中很多输电线路上的故障是可以自动恢复的，所以在线路被断开后，过一段时间重新合闸，成功的可能性很大。重合闸的使用代替了手动合闸，节省了大量的人力物力，时也减少因误跳闸带来的经济损失。
2.2系统方案设计
本系统要求设计一款能够对三相四线电中的电压，电流，漏电流进行跟踪监测，缺相检测，并提供过载、短路保护，自动重合闸，故障跳闸指示的断路器主控系统，同时为了使其更加智能化还应具备有通信功能。低压断路器通常由操作机构、触点、保护装置、灭弧系统这几部分。大致原理如下：低压断路器的主触点是靠手动操作或电动合闸的。在主触点闭合之后，主触点会被脱扣器锁在合闸的位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主体电路串联，而欠电压脱扣器的线圈则是和电源并联。当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁会被吸合，自由脱扣做出动作，主电路被切断。当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放。也使自由脱扣机构动作。需要远距离控制时使用分励脱扣器，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要控制时，让线圈通电，衔铁带动自由脱扣动作，主触点就被断开了。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景与意义 1
1.2低压断路器的发展状况 1
第二章 系统方案设计 3
2.1低压断路器的作用和重合闸的意义 3
2.2系统方案设计 3
第三章 系统的硬件电路设计 6
3.1主控制器的设计 6
3.2电源模块 7
3.3通信接口电路的设计 8
3.4断路器的通断控制 9
3.5缺相检测模块 10
3.6模拟信号采集模块 10
3.7单片机的键盘输入与显示模块 13
3.8故障记录模块 15
第四章 系统的软件设计 16
4.1软件开发平台 16
4.2系统软件的设计 16
4.3 模拟信号的采集 17
4.4 单片机的键盘输入与显示模块 18
4.5 故障记录 20
第五章 系统的软硬件测试与系统的实现 21
5.1系统原理图 21
5.2 PCB的布板注意事项 21
5.3电源模块的测试 22
5.4功能模块的测试 23
5.5软件综合测试 27
结束语 32
致 谢 33
参考文献 34
附录 35
附录A PCB图 35
附录B 硬件实物图 36
附录C 程序代码 38
第
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
一章 绪论
1.1课题研究的背景与意义
在现代社会，不论是在运输方面、工农业、国防，还是小到人们的日常生活都与电力分不开，电的广泛使用对于人们的来说十分重要。在电的产生，输送过程和使用中，配电环节是一个极其重要的部分。因此对电力设备运行状况的监测是电力系统稳定安全运行的保证。在配电系统中有各种变压器及高低压电器设备，低压断路就是其中一种为了保护人身安全和电网安全的电器。随着近几年来我国电网行业的不断发展壮大，中国在新增发电量上的投资在不断增加，低压断路器被广泛的应用于低压配电系统各级馈线，各种用电终端的保护和控制，机械设备的电源控制，市场上对于低压断路器产品的需求也处在一个不断增长的势头。低压断路器，简称断路器。简单来说它是一种开关，不同点在于在适用的工作电压等级，灭弧能力，灭弧的介质和方式上与普通开关不同。它可以跟踪线路电压，实时监测电流，在系统发生故障时能与保护装置和自动装置相互配合，迅速切断故障电流，防止事故扩大，保护人身安全，保证系统安全运行。在使用中，我们会将低压断路器搭配自动重合闸来使用，将因故障跳开后的断路器按需要自动投入到线路中。自动重合闸装置能够在短时间后将断路器重新合上。架空线路的故障在大多数情况下都是暂时性的，永久性故障的概率很低，通常情况下在跳闸后线路的绝缘性能可以恢复，使得重合成功，自动将断路器重合不仅使电力系统供电的可靠性提高，减少了因停电而带来的损失，也可以纠正由断路器造成的误跳闸。若线路故障属于永久性故障，则可断开开关，待查明线路原因后再送电。现代的电力系统已经向自动化转变，传统的断路器已经无法满足需求。我们需要更加智能的断路器，新型断路器基于微处理器设计，在传统断路器常规保护的基础上，还具有人机交互，网络通信，故障查询等功能。这些功能的加入也为维护工作带来了便利，尤其是网络通信功能的加入可以实现对配电系统实现远距离操控，极大地节省了人力物力。
1.2低压断路器的发展状况
与传统的断路器相比，新兴的智能断路器有很多传统的所不能比拟的优点。因此国内外的厂商在对这块进行开发的时候都投入了大量的技术。世界上首台基于微处理器技术的智能断路器出现于1985年。在这一方面做得比较好的国外公司中有德国西门子3WN系列，施耐德MT 系列，日本三菱的AE 系列等。我国在智能型产品方面的研究上起步较晚，基本上依靠引进国外的技术，与国外同等类型的产品相比，在主要的性能方面还有较大的差距，直到1996年才出现智能型的断路器产品，但是其功能还有待于进一步的改善和提高。
我国国内在低压断路器的应用领域处于一个三代并存的局面。以DW10，DZ10为代表的第一代产品，性能与50年代的国外产品差不多。第二代产品主要可分为自行研发和技术引进两类，拥有较高的市场占有率，性能水平和国外80年代初的产品水平差不多。第三代的智能断路器开发，由于起步较晚，技术的不完善，相关的应用产品并不多。从目前断路器的发展方向来看，现在的智能断路器已经不单单是一个保护装置，而是将通信，测量等功能融合为一个整体。第四代的产品主要是加入现场总线技术加强产品的联网通信能力，实现遥调、遥测、遥控等功能。
第二章 系统方案设计
2.1低压断路器的作用和重合闸的意义
断路器在电网中主要用来保护和控制。根据运行的需要切换或投入电力设备或线路。在电力设备或线路发生故障时，通过保护措施将故障部分从电网中切除，保证电网其他部分的正常运行。在日常生活中断路器主要用来作为各种电器的保护电路，当电路中发生短路或者有人触电时，断路器瞬间动作，断开电源。
重合闸是一种自动装置，负责将因电路故障而跳开的断路器重新合闸。由于在生活中很多输电线路上的故障是可以自动恢复的，所以在线路被断开后，过一段时间重新合闸，成功的可能性很大。重合闸的使用代替了手动合闸，节省了大量的人力物力，时也减少因误跳闸带来的经济损失。
2.2系统方案设计
本系统要求设计一款能够对三相四线电中的电压，电流，漏电流进行跟踪监测，缺相检测，并提供过载、短路保护，自动重合闸，故障跳闸指示的断路器主控系统，同时为了使其更加智能化还应具备有通信功能。低压断路器通常由操作机构、触点、保护装置、灭弧系统这几部分。大致原理如下：低压断路器的主触点是靠手动操作或电动合闸的。在主触点闭合之后，主触点会被脱扣器锁在合闸的位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主体电路串联，而欠电压脱扣器的线圈则是和电源并联。当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁会被吸合，自由脱扣做出动作，主电路被切断。当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放。也使自由脱扣机构动作。需要远距离控制时使用分励脱扣器，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要控制时，让线圈通电，衔铁带动自由脱扣动作，主触点就被断开了。
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