智能漏电断路器案例库建设研究

李奎 张冠英 王尧

摘要：案例教学法将课堂教学与工程应用相结合，有助于培养专业学位研究生的工程意识，提升实践应用能力和创新能力。本文基于多年理论研究，结合科研实践成果，以案例时效性、系统性和持续性为原则建立了智能漏电断路器案例库，为案例教学的发展提供了一定的借鉴作用。

关键词：案例教学；智能漏电断路器；案例库建设

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）14-0120-02

近年来我国的研究生专业学位教育蓬勃发展，实践能力的培养是专业学位研究生培养工作的核心[1]，案例教学法让学生深入到课程的实际应用领域，有助于培养学生的工程意识。以突出实用性和综合性为目的，建设基于企业真实情境、融合科研应用的教学案例库，校企合作模式是建立案例库的重要途径[2]。

《电器智能化与电磁兼容技术》是为电气工程专业研究生开设的一门专业技术课程，旨在帮助学生了解智能电网，掌握智能电器相关的基本理论与设计方法，熟悉电磁兼容的基本概念与原理，并能解决实际中常见的电磁兼容问题。在教学过程中课题组总结多年理论研究，结合科研实践成果，在完成科研课题的基础上邀请企业骨干与研究生共同参与编写了智能漏电断路器设计案例。并考虑案例库建设的系统性和持续性原则进行电弧故障断路器设计案例库的建设。

一、案例库的建设原则

1.案例的时效性。现代电子与信息技术的广泛应用极大推动了智能电器相关研究成果的市场化进程，在案例的设计过程中除了考虑涉及的课程理论与方法外，更要切合工程实际应用，体现前沿理论成果[3]。本次案例库设计首选了与企业共同开发的智能漏电断路器设计作为首个综合案例进行了案例的整理。近年来电弧故障已成为引发电气火灾的主要因素，电弧故障断路器也得到了广泛的发展和应用，成为智能电器的一个重要组成部分，目前正在对电弧故障的检测进行研究，进而引入“电弧故障断路器”的案例设计。

2.案例的系统性。在案例设计过程中，采用递推式和模块式相结合的方法。将剩余电流保护技术设计案例分为剩余电流互感器设计、漏电保护设计、过流保护设计、过欠压保护设计以及电磁兼容实验设计五个模块，如图1所示。

块式的设计方案，使案例设计的内容一目了然，有利于培养学生的工程意识。案例库建设过程中采用递推式的设计思路，由易到难地进行工程项目的案例设计，既增强了案例库设计的全面性和系统性，同时也有助于学生对于智能电器有一个全面系统化的认识，从工程规划、设计、实施和工程管理多角度培养研究生的工程技术能力。

3.案例的持续性。随着智能电器和电力电子技术的不断发展，智能漏电断路器已经不能完全满足智能电网安全运行的保护功能，特别是近年来由于绝缘损坏、接头松动等原因引起的电弧故障已成为引发电气火灾的主要因素，这直接威胁电网的正常运行。针对于电弧故障检测和保护的电弧故障断路器得到了广泛的发展和应用，成为智能电器的一个重要组成部分。因此，为了适应电力电子技术和智能电器的不断发展，电器智能化案例库建设的进一步工作是建立“电弧故障断路器”、“智能电表”等智能电器的案例设计库，以保持案例库建设的持续性。

二、“漏电断路器”综合案例设计

“漏电断路器”案例设计，采用模块化的设计方案，将案例设计分为磁调制式剩余电流互感器设计案例、智能漏电断路器漏电保护设计案例、智能漏电断路器过流保护设计案例、智能漏电断路器欠压保护设计案例以及智能漏电断路器电磁兼容实验案例五个部分。

1.磁调制式剩余电流互感器设计。传统剩余电流保护技术中采用铁心电磁式电流互感器（电磁式电流互感器）、霍尔电流传感器及磁调制式电流互感器进行电流的检测，非正弦剩余电流是一种弱差值信号，普通的电流检测方法不能对其进行有效地检测，现有技术需要优化。

在本案例中提出了一种电压型磁调制式交直流剩余电流检测技术，将剩余电流耦合到激磁电流中，通过激磁电流的检测，实现了复杂剩余电流的检测与保护，克服了传统磁调制式电流检测的缺陷。

2.智能漏电断路器漏电保护设计。智能漏电断路器由开关电源电路、磁调制式剩余电流互感器、电流互感器、电压分压器、信号调理电路、单片机、脱扣电路、通讯电路以及辅助电路等部分组成，如图2所示。漏电保护主要应用到的为磁调制式剩余电流互感器、磁调制信号解调电路部分。

在硬件设计上，磁调制信号解调电路选用巴特沃斯模拟低通滤波器进行磁调制互感器输出信号解调。为了便于远程监控配电线路的运行状态，智能漏电断路器还具有RS485通讯接口。从而保证了智能漏电断路器的工作可靠性。在软件设计上，智能漏电断路器的软件功能主要包括保护功能、保护参数设置、运行数据记录、跳闸原因与时间记录、远程通讯等。

3.智能漏电断路器过流保护设计。过流保护主要应用到电流互感器、电流信号调理电路部分。电流信号调理电路主要包括信号放大和峰值检测两部分，考虑到控制器内部空间有限，所以采用较简单的反相比例放大电路进行信号放大，并为每相电流信号设计了两路放大通道，以提高检测精度。单片机每隔20ms采集一次线路电流信号，每相电流由两个AD通道采样，其中放大倍数较大的通道主要用于过载长延时保护，而放大倍数较小的通道主要用于短路短延时保护。由于采用峰值电流进行过电流保护，所以保护算法相对简单，对单片机的要求也较低。

4.智能漏电断路器欠压保护设计。与过电流保护方法类似，过欠压保护也采用峰值信号进行保护。由于过欠压保护的实时性要求最低，所以单片机每隔60ms采集一次线路电压，并将采样值与设定阈值进行比较，如果超过动作阈值则延时后执行脱扣程序，所以保护算法相对简单，对单片机的要求也较低。

5.智能漏电断路器电磁兼容试验。随着智能电网的发展，电磁环境日益复杂，处在其中的电气设备面临越来越多的干扰，造成性能降低、功能丧失的概率明显增加。在智能化电气设备的技术研究、产品设计与生产制造等各个环节，需要充分考虑电磁兼容问题，因此建立了智能漏电断路器电磁兼容试验案例分析并提出了相关整改措施。智能漏电断路器电磁兼容试验主要包括以下三部分试验：智能漏电断路器的静电放电抗扰度试验及分析、智能漏电断路器的电快速瞬变脉冲群抗扰度试验及分析和智能漏电断路器的浪涌抗扰度试验及分析。

三、结束语

本文以电气工程专业研究生开设的专业技术课程《电器智能化与电磁兼容技术》为基础，总结多年理论研究，结合科研实践成果，以案例时效性、系统性和持续性为原则编写了智能漏电断路器及其电磁兼容设计案例。案例教学法结合了工程应用有助于培养学生的工程意识，提升学生实践应用能力，对于研究生专业学位教育培养有着重要意义。

参考文献：

[1]王应密，张乐平.全日制工程硕士案例教学资源库建设探析[J].高等工程教育研究，2013，（04）：166-171.

[2]姜洋，丁秋雷.案例教學模式研究综述[J].上海包装，2018，（02）：61-62.

[3]李艳，曾励.基于专业学位研究生的《机电一体化原理及应用》课程案例教学研究[J].教育现代化，2018，5（09）：236-238，241.