基于传统低压交流断路器的创新设计与研究

刘岩松　朱哈南

摘要：新型低压交流断路器是一种利用数字化检测技术，将连续的电压电流数值（模拟量）转换成离散且不连续的的数字量形式进行显示，利用TV1005M和TA1005M检测模块检测受测电路的电压、电流、用电量、电能质量等数据，并将数据显示在显示屏上。

关键词：低压交流断路器;设计;研究

中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）08-0165-02

现如今，我国智能电网的建设以及阶梯电价的改变，传统的电压交流断路器已经无法匹配当前电网的发展与用电用户的需求。基于此，我们就对传统的低压交流断路器进行了一次新的研究与开发。

本设计由STM32芯片电路板+交流电压电流检测模块电路+ESP8266WIFI模块电路+指示灯电路+装置显示屏+手机配套APP组成。（1）通过电压互感器与电压互感器对待测电路进行持续且实时的监控得到交流电压值与交流电流值。（2）在手机与APP与WiFi模块进行连接后，APP就可以在手机上对电路进行一个实时的监控，监控的内容包括电压、电流、用电量、以及当前功率等。（3）当断路器系统检测到当前检测电路功率超过220W（实验室模拟量）时，新型低压交流断路器就会自动断开。在电路功率不超过220W时，可以通过断路器上的操作按键进行断路器的开关。也可以通过手机APP上的程序进行断路器的开关操作，使断路器系统变得更加智能与便捷。

1 系统总体结构

新型低压交流断路器流程如图1所示。

2 信息采集部分设计

本设计采用的电压互感器模块型号为TV1005-1M，采用TA1005M电流互感器模块作为本设计的电流互感器模块。电压互感器与变压器的原理相近，是一种用于改变电路电压的仪器。电压互感器改变电压的目的是对进行检测电路电压、功率与用电量的测量仪表和继电保护装置供电，或是为了当线路短路或过载的情况下对较为贵重的仪器及设备加以保护。和变压器一样，它也具有两个绕组，一个被我们称为一次绕组，一个被称为二次绕组，这两个绕组都会被安装或缠绕在铁心上。这两个绕组与铁心之间都有绝缘措施，从而形成电气隔离以保证安全。当电压传感器开始运行时，一次绕组一侧将会并联在线路上，二次侧绕组将会并联在新型低压交流断路器上，即使在检测较为高压的线路时二次侧依旧是低压且安全的，这样可以更好的保证设备以及操作人员的的安全。我们需要一种比较统一的电流便于保护、测量、以及控制。并且当受测电路电压较高时直接测量可能会对操作人员以及相关的仪器设备造成安全上的威胁，这个时候起到电流变换与电气隔离作用的就是电流互感器。在交流电压电流互感器模块中，电阻R1起到限流电阻的作用，R2、R3為分压电阻，用来将采集的模拟信号转化为电压信号。二极管D1、D2具有单向导电的作用，自必要时刻可以作为保护。作为滤波作用的电容可以使信号变得更加平稳且能够让设备变得更加稳定与可靠。LED2做为电源指示灯，R6为限流电阻，保护LED灯。接口包括：220V交流电输入接口J1、负载输入接口J2。RL1为5V的继电器，在本电路设计中由于单片机引脚的电流驱动能力太小，不足以驱动继电器的通断，所以使9012三极管作为驱动元件驱动继电器。1N4007二极管，当继电器闭合或者断开瞬间会产生反向感应电动势，损害三极管，通过1N4007将反向电动势消除以保护三极管。

3 信息处理部分设计

意法半导体（ST公司）设计生产的STM32系列处理器是一种基于ARM 7架构的微控制器，它的拥有32位、能够支持实时仿真和实时跟踪控制等特征。选择STM32作为本系统的控制芯片主要是因为本系统需要更加丰富的接口以及为以后的各种改进与技术的升级留下足够多的外围扩展电路。STM32是一种广泛应用于各种智能设备当中的控制芯片，具有一定的成熟性，且趋于主流地位，具有很好的学习、实验研究等价值。

4 信息传输部分设计

我们选择利用WIFI模块进行新型低压交流断路器的数据无线传输。Wi-Fi是一种能够将PC、手机等终端以无线方式进行相互连接的一种成熟技术。Wi-Fi出现的目的是用于改善利用IEEE 802.11作为标准的无线网路互联设备之间的互通能力。也可以取代一部分一般局域网中所使用的高速线缆，具有覆盖性强的特点。

串口WIFI模块是一种相对较为新颖的WiFi模块，它具有功耗相对较低、体积相对较小等优点。该模块采用UART接口，契合IEEE802.11协议栈网络标准，其内置了TCP/IP协议栈可以使设备更加便捷的接入无线网络。ESP8266是一款超低功耗的模块，是一种专门为移动设备与互联网设备设计以生产出的WiFi模块，拥有较大兼容性，可以更好地将需要连接的物理设备连接到无线网络中，进行网络通信，形成数据联网。ESP8266已经广泛应用于各种智能设备当中。芯片输出数据连接串行通讯接口，并与ESP8266相连接，将数据通过wifi发送到用户的手机上，在用电状态下超出5%额定安全电流的不安全的情况下向用户发出警报，由于当前机械式断路器的敏感度以及家中现有用电器较多的问题，使我们的电路常常处于不安全的超出安全额定电流的情况，这种情况会加大家庭电路的不安全性，会加速电路的老化，造成相当严重的安全隐患。

5 信息显示部分设计

硬件系统与软件系统组成了完善的控制系统，所以软件是必不可少的。本系统使用ARM作为控制中枢，选用STM32F103C8T6芯片，选择Keil uVision5 by ARM软件作为开发环境。这是一种当前STM32单片机的主流开发环境，使用频率极高。

配套的手机APP可以显示当前电路的实时电压、实时电流、用电量、实时功率、换算出的电费、以及远程操作断路器通断的界面。断路器表面将会连接一个OLED显示屏可以实时显示实时电压、实时电流、用电量、实时功率以及换算出的电费。这是一种对原有断路器的一种新的设计，是为了能让人们时刻知道自己的耗电量以及所消耗的电费，希望能够以这种方式倡导人们节约能源。

Innovative Design and Research of Low Voltage AC Circuit Breakers

LIU Yan-song， ZHU Ha-nan

（Harbin Institute of Petroleum， Harbin Heilongjiang  150028）

Abstract：The new low-voltage AC circuit breaker is a kind of digital detection technology， which converts the continuous voltage and current value （analog quantity） into discrete and discontinuous digital quantity form for display， it uses TV1005M and TA1005M detection module to detect the voltage， current， power consumption and power quality of the circuit under test， and displays the data， on the display screen.

Key words：low voltage AC circuit breaker; design; research