塑殼斷路器（Moulded case circuit breaker，MCCB）常用于配電饋線保護(hù)，能夠在電流超過跳脫電流設(shè)定值后自動(dòng)切斷電流，是配電系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛且最重要的開關(guān)電器設(shè)備之一，其中塑殼是用塑料絕緣體作為裝置外殼來隔離導(dǎo)體之間以及接地金屬部分。作為配電系統(tǒng)中核心的控制保護(hù)設(shè)備，塑殼斷路器的性能好壞對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)可靠運(yùn)行起著非常重要的作用。
由于斷路器本身的費(fèi)用比其他設(shè)備的成本要低得多，例如發(fā)電機(jī)、變壓器、關(guān)鍵負(fù)載；但如果一旦發(fā)生事故，造成的巨大損失遠(yuǎn)超過斷路器本身價(jià)值，因此斷路器的完善與否直接關(guān)系著居民和工業(yè)用電的可靠性和用電質(zhì)量，作為塑殼斷路器控制系統(tǒng)的脫扣器必須具備高可靠性。
常見的塑殼斷路器（MCCB）控制器按工作原理分主要分為電磁式脫扣器、熱磁脫扣器和電子式脫扣器。
電磁脫扣器：功能單一，只提供瞬時(shí)動(dòng)作保護(hù)（短路保護(hù)）；其工作原理是當(dāng)斷路器內(nèi)部流過的電流足夠大時(shí)，電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)力克服反力彈簧吸合銜鐵打擊牽引桿，再帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作切斷電回路。而反力彈簧的單一性，也決定了電磁脫扣器只能單一的提供短路保護(hù)，并且保護(hù)點(diǎn)是由反力彈簧特性及磁場(chǎng)力決定， 非人為可設(shè)定；
熱磁脫扣器：雙金屬片應(yīng)用于脫扣器，形成了熱動(dòng)加電磁的復(fù)合式脫扣器。熱磁脫扣器與電磁脫扣器相比，多了熱保護(hù)功能，熱保護(hù)也就是過載保護(hù)，其原理是電流經(jīng)過塑料外殼斷路器的脫扣器時(shí)，脫扣器內(nèi)部的熱元件發(fā)熱并使雙金屬片受熱變形，當(dāng)雙金屬片變形至一定程度時(shí)，打擊牽引桿再帶動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作切斷電回路；
電子脫扣器：一種電子電路構(gòu)成的脫扣器，一般由電流互感器、自供電電源電路、數(shù)據(jù)處理電路、控制單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。具備長(zhǎng)延時(shí) 反時(shí)限保護(hù)、短延時(shí)反時(shí)限保護(hù)、短路瞬時(shí)保護(hù)、接地故障保護(hù)等保護(hù)功能，并可附帶通信實(shí)現(xiàn)遙信、遙控、遙測(cè)、遙調(diào)的“四遙”功能，且?guī)в袩嵊洃?、預(yù)報(bào)警、故障查詢等附加功能。
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，城鄉(xiāng)配電網(wǎng)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，能源結(jié)構(gòu)也發(fā)生了重大變化，新型配用電電力系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)等方面的自動(dòng)化控制水平、運(yùn)維管理水平和智能化的要求越來越高，對(duì)控制器的功能提出更廣泛的需求：
1、低壓配電電器智能化趨勢(shì)下，數(shù)字化、可通信要求使電子式產(chǎn)品應(yīng)用需求不斷釋放，基于雙碳和節(jié)能目標(biāo)的電參量測(cè)量功能應(yīng)用普及；
2、高比例分布式新能源的接入，帶來高精度保護(hù)需求，以保障電力系統(tǒng)供電連續(xù)性；
3、高比例的電力電子設(shè)備接入，造成電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境的變化，對(duì)產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性也提出了更高的的要求。
傳統(tǒng)的電磁脫扣器只能提供短路保護(hù)，熱磁脫扣器只能提供二段保護(hù)，動(dòng)作值誤差比較大，不可以調(diào)節(jié)，受環(huán)境影響較大，雖然傳統(tǒng)的電磁和熱磁脫扣器具備成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但是由于熱磁脫扣器的熱保護(hù)受周圍環(huán)境溫度的影響比較大， 所以一般都用于對(duì)于過電流保護(hù)不是很敏感的電氣回路上。顯然，在上述場(chǎng)合應(yīng)用要求下， 傳統(tǒng)的電磁、熱磁脫扣器已力所不能及。
電子式脫扣器（或稱智能控制器）從一次回路通過電流傳感器取出小信號(hào)電流來測(cè)量作為保護(hù)的依據(jù)，其測(cè)量精度高、受環(huán)境溫度的影響相對(duì)較小，可以方便地進(jìn)行保護(hù)值的整定，實(shí)現(xiàn)三段保護(hù)；加裝通訊模塊后還可以與上位機(jī)連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；滿足了新型配用電系統(tǒng)在測(cè)量、保護(hù)、控制方面的要求。
可以預(yù)見在電子技術(shù)大發(fā)展的時(shí)代背景下，塑殼斷路器控制器全面邁向智能化的趨勢(shì)愈發(fā)明朗，依托電力+算力發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)律和潛在風(fēng)險(xiǎn)成為產(chǎn)品應(yīng)用趨勢(shì)。
一般而言，MCCB電子式脫扣器在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的難點(diǎn)和重點(diǎn)如下：
電子式脫扣器功能模塊組成
電子式脫扣器電源電路設(shè)計(jì)要求
電流互感器兼容設(shè)計(jì)
高精度信號(hào)采樣電路
微處理器選型
人機(jī)接口
網(wǎng)絡(luò)接口等
結(jié)合MCCB電子式脫扣器應(yīng)用趨勢(shì)，當(dāng)前的MCCB電子式脫扣器設(shè)計(jì)方案基本都能完成模塊搭建和功能實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)過程中如何平衡功能和成本以及關(guān)注產(chǎn)品可靠性成為電子式脫扣器方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵；而在機(jī)械本體分?jǐn)?、耐受等性能過剩、整機(jī)成本經(jīng)濟(jì)性需要重點(diǎn)考慮的背景下，如何通過電子技術(shù)提升產(chǎn)品的智能化附加值，成為MCCB電子式脫扣器的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。
在“雙碳”目標(biāo)下的新型配用電系統(tǒng)建設(shè)中，通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型提升企業(yè)運(yùn)營(yíng)和制造水平已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。數(shù)字化配電柜、樓宇綜合體等大型設(shè)施的分項(xiàng)計(jì)量、能耗管理分析優(yōu)化，形成了配電電器電參量測(cè)量三大典型市場(chǎng)應(yīng)用需求。
IEC 60364-8-1《低壓電氣裝置 第8-1部分：能源效率》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)建筑物的能源采集做了詳細(xì)規(guī)定。能效管理層面，電能測(cè)量有著不同的目的，因此由于采集目的的不同，采集的數(shù)據(jù)類別和精度也不同。目前，對(duì)配電電器提出的測(cè)量需求目標(biāo)主要設(shè)定在1～2%。
我們?cè)谶M(jìn)行電子式脫扣器設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)需要考慮電流采樣精度，因?yàn)樗鼪Q定了電子式脫扣器的電流特性保護(hù)動(dòng)作精度以及電流測(cè)量顯示精度。電流互感器及PCB采樣處理電路是影響電流采樣精度的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。其中，電流互感器性能較為關(guān)鍵，其輸出電流信號(hào)線性度、批量一致性很大程度上決定了電子式脫扣器的電流采樣精度水平。
通過批量電流測(cè)試（常規(guī)鐵芯電流互感器+PCB）及校準(zhǔn)算法，能夠基本實(shí)現(xiàn)0.2*In~1.2*In范圍內(nèi)電流采樣精度達(dá)到1%，0.2*In~14*In電流段保護(hù)精度基本可控制在5%以內(nèi)。
電流互感器通電產(chǎn)生的二次側(cè)輸出能量為控制器PCB供能。由于一次側(cè)輸入電流范圍較大（往往可達(dá)0.2*In~14*In）。這樣，一次側(cè)較大電流情況下，二次側(cè)輸出能量偏大，若PCB電路不做任何處理，能量回路的電子元器件將流過較大電流，導(dǎo)致元器件熱量急劇累積，結(jié)溫及表面溫度飛升，影響產(chǎn)品可靠性；嚴(yán)重情況下，甚至可導(dǎo)致PCB失效，引發(fā)安全隱患。故良好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，需要考慮關(guān)鍵元器件的溫升控制，做好互感器的二次側(cè)輸出能量分配策略。
以下為某電子式脫扣器在實(shí)施互感器能量分配軟硬件策略后，在通以1.2*In電流，熱穩(wěn)定情況下，PCB的溫升情況。（環(huán)境溫度16.4℃，PCB器件溫度**34.5℃，**溫升18.1K）
電子式脫扣器在設(shè)計(jì)過程中，需考慮滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)能減排、降低用電負(fù)荷等需求。一般而言，電子式脫扣器的功耗應(yīng)在如下三方面因素基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)：
要保證電子式脫扣器正常工作，電子系統(tǒng)的電源供應(yīng)應(yīng)該“開源節(jié)流”。在互感器設(shè)計(jì)不變的情況下，外部能量輸入是定量，從電子式脫扣器自身進(jìn)行“節(jié)流”的設(shè)計(jì)，即進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，在電子式脫扣器保護(hù)、通信、附加功能越來越多時(shí)變得愈發(fā)重要。
硬件設(shè)計(jì)：主要涉及低功耗微處理器的選型，液晶屏的合理選擇，LDO電路壓差的合理設(shè)計(jì)，BJT、LED、光耦等其他電流驅(qū)動(dòng)元器件的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)參數(shù)等。 軟件設(shè)計(jì)：主要涉及微處理器不同工作模式的設(shè)定策略，如Sleep/Stop/Standby等模式的切換應(yīng)用，以及在相應(yīng)模式下，外部負(fù)載的控制邏輯（如液晶屏背光的長(zhǎng)時(shí)待機(jī)開關(guān)等）。
如下圖給出了在無輔助電源輸入條件下，通過低功耗設(shè)計(jì)優(yōu)化智能控制器，其保護(hù)特性動(dòng)作的情況。從回路上電到系統(tǒng)工作到保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間嚴(yán)格符合要求。
結(jié) 語(yǔ)
新型電力系統(tǒng)在電源結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性、電網(wǎng)形態(tài)等方面呈現(xiàn)多樣性，迫切需要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參量的實(shí)時(shí)測(cè)量反饋與動(dòng)態(tài)調(diào)整，并通過選擇性保護(hù)等手段保障電網(wǎng)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)條件下穩(wěn)定運(yùn)行和預(yù)測(cè)性運(yùn)維。除本文涉及的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)或性能要求外，基于上述目標(biāo)，以微處理器為核心的MCCB電子式脫扣器在自診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)、人機(jī)接口等方面尚存在較大提升空間。
