智能斷路器用脫扣器設(shè)計(jì)的研究

劉真良

【摘要】智能脫扣器的基本工作原理可以描述如下：電流互感器從供電線路中吸取能量供給脫扣器的電源系統(tǒng)，同時(shí)將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換為與之成比例的電壓信號(hào)。電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后送入中央處理單元進(jìn)行運(yùn)算和處理，與整定電流和動(dòng)作時(shí)間的整定值進(jìn)行比較。當(dāng)發(fā)生過載、短路以及瞬動(dòng)故障時(shí)單片機(jī)發(fā)出脫扣信號(hào)并控制斷路器分?jǐn)嚯娐贰?/p>

【關(guān)鍵詞】智能斷路器；設(shè)計(jì)研究；脫扣器

引言

近幾年，隨著電力系統(tǒng)和配電自動(dòng)化的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)保護(hù)裝置經(jīng)歷了電磁式保護(hù)、晶體管保護(hù)和微機(jī)保護(hù)。電磁式保護(hù)裝置是基于電磁和電磁感應(yīng)原理的有接點(diǎn)繼電器組成，具有原理簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但能耗高、動(dòng)作速度慢、抗震性差，可靠性和靈敏度難以得到保障。而晶體管保護(hù)裝置雖然具有體積小、重量輕、消耗功率小、靈敏度高、動(dòng)作迅速、不怕震動(dòng)、無磨損等一系列優(yōu)點(diǎn)，但是晶體管保護(hù)裝置也有抗干擾能力差、裝置本身的性能不是很穩(wěn)定等明顯的缺點(diǎn)。隨著用電系統(tǒng)的規(guī)模和等級(jí)不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的控制器已越來越難滿足系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的要求。

1 智能脫扣器簡(jiǎn)介

脫扣器是能使斷路器在電氣設(shè)備遭受過載、短路、欠電壓、過電壓等故障時(shí)實(shí)施各種保護(hù)功能的構(gòu)建。它實(shí)質(zhì)上就是只能斷路器的監(jiān)控器。

早期的脫扣器是空氣式斷路器所采用的電磁式過電流脫扣器，該脫扣器只能實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)保護(hù)功能。隨著斷路器的發(fā)展，其額定工作電壓和電流保護(hù)功能不斷發(fā)展，脫扣器也隨之發(fā)展起來。在采用油阻尼，空氣阻尼，鐘表結(jié)構(gòu)等作為延時(shí)原件后，脫扣器實(shí)現(xiàn)了過載延時(shí)和短路延時(shí)等功能，采用熱雙金屬片的熱式脫扣器也逐步出現(xiàn)。到20世紀(jì)60年代初，由于電子技術(shù)的普及和應(yīng)用，出現(xiàn)了半導(dǎo)體脫扣器?，F(xiàn)用的脫扣器有熱式脫扣器，電磁式脫扣器外，還有半導(dǎo)體脫扣器。進(jìn)入20世紀(jì)90年代初以來，低壓斷路器的保護(hù)緊跟國際發(fā)展趨勢(shì)，由電子式向數(shù)字智能化方向發(fā)展，脫扣器的過流脫扣系統(tǒng)由微處理器控制。它除了保持電子式脫扣器的各種有點(diǎn)歪，還具有保護(hù)精度高，調(diào)節(jié)范圍廣，操作方便等特點(diǎn)。

2 智能脫扣器涉及的主要部件及技術(shù)：

2.1單片機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)

單片機(jī)以其緊湊的結(jié)構(gòu)、豐富的功能而受到廣泛的應(yīng)用，并成為智能化儀表的核心部件。目前，在研制高性能、高精度、多功能測(cè)量控制儀表時(shí)，幾乎無一例外地都考慮采用微處理器和單片機(jī)。在測(cè)試控制儀表中采用單片機(jī)技術(shù)使之成為智能儀表后，能夠解決許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的難題，同時(shí)還能夠簡(jiǎn)化控制儀表電路，提高系統(tǒng)的可靠性，降低整機(jī)的成本以及加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度。單片機(jī)作為智能型控制器的核心，它的發(fā)展將制約著智能型斷路器的發(fā)展與改進(jìn)。隨著集成電路制造技術(shù)的不斷提高，單片機(jī)的體積越來越小，而功能越來越豐富。新一代的單片機(jī)產(chǎn)品，已經(jīng)將程序存儲(chǔ)器ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通訊接口、A/D 轉(zhuǎn)換器、PWM 轉(zhuǎn)換輸出、波形發(fā)生器、watchdog 監(jiān)視器、I 2C總線接口、更多的I/O 內(nèi)部RAM 集成在一起，從而能夠適應(yīng)更加廣泛的用途。另一方面，功能簡(jiǎn)單的單片機(jī)則向低功耗和小型化方向發(fā)展。采用串行總線的單片機(jī)，其外部引腳只有8 個(gè)。另外對(duì)通信部分的設(shè)計(jì)也可以實(shí)現(xiàn)斷路器的聯(lián)網(wǎng)通信，對(duì)各個(gè)斷路器可以用主機(jī)對(duì)其進(jìn)行操作和控制，從而實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)、遙調(diào)、遙訊的功能。

2.2專用集成電路

智能化電氣開關(guān)經(jīng)常涉及到一些特殊的和復(fù)雜的功能。這些功能如果完全由計(jì)算機(jī)來完成，無疑會(huì)加重CPU 的負(fù)擔(dān)，其效果也未必理想。事實(shí)上在智能化電氣開關(guān)出現(xiàn)以前，己經(jīng)開發(fā)出了許多行之有效的專用集成電路，例如漏電保護(hù)專用集成電路。采用專用集成電路，不僅能夠減輕CPU 負(fù)荷，還能夠在CPU 萬一出現(xiàn)故障時(shí)保證可靠的動(dòng)作，在一定程度上也能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。專用集成電路分為兩類：一類是實(shí)現(xiàn)某種專用功能的電路，例如漏電保護(hù)集成電路、電源專用集成電路、缺相保護(hù)集成電路等；另外一類是運(yùn)算電路，主要是用于電流保護(hù)運(yùn)算（對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)運(yùn)算）、功率因數(shù)運(yùn)算等。

2.3智能化集成傳感器

隨著用電保護(hù)技術(shù)的不斷完善，各種保護(hù)裝置的功能和技術(shù)要求也不斷地提高。一般情況下，低壓斷路器要求具有以下的保護(hù)功能：①過電壓和欠電壓保護(hù)功能；②三段電流保護(hù)功能；③漏電保護(hù)功能；④缺相保護(hù)功能；⑤其他異常保護(hù)功能（瞬時(shí)尖峰脈沖、瞬時(shí)斷電等）。要完成這些保護(hù)功能，就要有相應(yīng)的各種傳感器。這些傳感器性能的好壞，直接關(guān)系到智能化電氣開關(guān)的性能。另一方面，傳感器要有較高的精度、較寬的動(dòng)態(tài)范圍及檢測(cè)范圍，同時(shí)又要有較小的體積，輸出信號(hào)還要便于與智能控制電路接口。這在目前還是較難做到的。受微電子技術(shù)的影響，傳感器正朝著小型、固態(tài)、多功能和集成化的方向發(fā)展。如果能夠利用最新的技術(shù)開發(fā)一種集成化的傳感器，即將各種電量傳感器集成在一起，將能夠大大提高其使用性能。甚至，還可以將微處理器與傳感器集成于一體。這可以使智能化電氣開關(guān)的整體性能提高一個(gè)檔次。

2.4電源技術(shù)

智能化電氣開關(guān)的電路可以有三種供電方式：專用電源供電、蓄電池供電和電流互感器供電，后者也稱為自供電。這三種供電方式可以單獨(dú)使用，也可以配合使用，形成冗余供電系統(tǒng)。前兩種供電方式在技術(shù)上與一般的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)沒有什么區(qū)別。電流互感器供電是斷路器所特有的一種供電方式，單獨(dú)使用時(shí)可以省去其他供電電路，而且可以隨著電網(wǎng)的接通自動(dòng)開始工作，是一種理想的供電方式。但電流互感器供電有以下幾個(gè)問題需要妥善處理：1）由于電源能量來源于電流互感器，因此電網(wǎng)電路中電流較小時(shí)不足以供電。2）當(dāng)電網(wǎng)電路的電流緩慢上升時(shí)，自供電電源的電壓也是緩慢上升的。這對(duì)于模擬電路不會(huì)有問題，而對(duì)一于微處理器和數(shù)字電路，應(yīng)該有一個(gè)可靠的復(fù)位電路，才能使其啟動(dòng)并正常工作。3）由于電流互感器既要作為電流信號(hào)，又要提供電源能量，兩者之間必然會(huì)產(chǎn)生交叉影響，即智能化電路的工作電流會(huì)影響對(duì)電網(wǎng)電路電流的檢測(cè)結(jié)果。因此，要有一套補(bǔ)償與修正的方法。使用多種供電方式的冗余供電，可以增加系統(tǒng)的電源可靠性。但冗余供電方式需要有一個(gè)切換裝置。由于智能化電路的工作電流通常都較小，因此切換電路在技術(shù)上不難實(shí)現(xiàn)。可以直接由微處理器配合專用電源檢測(cè)電路進(jìn)行切換控制。

2.5系統(tǒng)集成化技術(shù)

智能化脫扣器是以微處理器為核心的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它包括供電部分（常規(guī)供電、電池供電、電流互感器自供電）、傳感器、控制部分、調(diào)整部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及開關(guān)本體。各個(gè)組成部分之間相互關(guān)聯(lián)，又相互影響。如何協(xié)調(diào)與處理好各個(gè)組成部分之間的關(guān)系，使其既能滿足所有的功能要求，又不超出現(xiàn)有技術(shù)條件所允許的范圍（體積、功耗、可靠性、電磁兼容性等），就是系統(tǒng)集成化技術(shù)的主要內(nèi)容。智能化脫扣器是一類具有較高技術(shù)含量的產(chǎn)品。實(shí)踐表明，產(chǎn)品的技術(shù)含量越高，系統(tǒng)集成化技術(shù)對(duì)其影響和作用也越大。特別是在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于牽涉面大，往往一個(gè)部件的問題而影響整機(jī)的性能與質(zhì)量。在現(xiàn)代工業(yè)中，系統(tǒng)集成化技術(shù)集中體現(xiàn)了基礎(chǔ)工業(yè)的整體水平。

3 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展和不斷創(chuàng)新，目前新型的智能斷路器已取代老式斷路器。隨著電力系統(tǒng)可靠性、靈活性、智能性的進(jìn)入，用電質(zhì)量的提高，智能型斷路器的投入，已經(jīng)成為一種必然的選擇。

【參考文獻(xiàn)】

[1]方鴻發(fā).低壓電器[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

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