一種新型低壓斷路器脫扣控制及檢測(cè)裝置

韓群勇，陳裕成，沈炎松

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，福建 漳州 363000；2.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院，福建 漳州 363000)

低壓斷路器是用來(lái)接通和分?jǐn)嘭?fù)載電路的器件，具有過(guò)載和短路保護(hù)等功能，是電網(wǎng)中一種重要的保護(hù)設(shè)備[1]。在機(jī)房或者數(shù)據(jù)中心中，斷路器發(fā)揮著關(guān)鍵作用，是低壓配電系統(tǒng)的重要組成部分，是后級(jí)設(shè)備保護(hù)的一道有利屏障，一旦斷路器出現(xiàn)故障會(huì)造成巨大的損失[2]。實(shí)際使用中斷路器的故障類型很多[3]，及時(shí)判斷斷路器的故障分類結(jié)果，并采取有效的檢測(cè)技術(shù)措施是保障斷路器運(yùn)行效果的關(guān)鍵[4]。通常斷路器自身具備脫扣保護(hù)功能，主要是靠斷路器自帶的脫扣器實(shí)現(xiàn)過(guò)載及短路保護(hù)[5]，這是斷路器對(duì)自身遇到極端條件時(shí)的保護(hù)功能。

目前，有些低壓斷路器通過(guò)增加配件來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制脫扣保護(hù)功能[6]，但是在機(jī)房或者數(shù)據(jù)中心一些關(guān)鍵部位的斷路器功能需更加完善，比如配置分勵(lì)脫扣器（分勵(lì)脫扣器可安裝到塑殼斷路器上）實(shí)現(xiàn)消防分勵(lì)脫扣功能或者過(guò)欠壓分勵(lì)脫扣功能，以保護(hù)后端重要設(shè)備不受影響。一般斷路器要實(shí)現(xiàn)各種脫扣功能時(shí)，如果沒(méi)有合理的控制機(jī)制和清晰的狀態(tài)檢測(cè)機(jī)制，會(huì)導(dǎo)致脫扣狀態(tài)混亂，會(huì)導(dǎo)致斷路器脫扣時(shí)，運(yùn)維人員無(wú)法準(zhǔn)確判斷斷路器是何因素導(dǎo)致脫扣[7]。因此合理的脫扣控制和脫扣狀態(tài)檢測(cè)判斷機(jī)制尤其顯得重要。

1 新型低壓斷路器脫扣控制及檢測(cè)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 斷路器脫扣控制及檢測(cè)裝置功能及系統(tǒng)框圖

為使運(yùn)維人員快速準(zhǔn)確知道何原因?qū)е掠卸喾N脫扣型式的斷路器脫扣，本文設(shè)計(jì)一種新型斷路器脫扣控制及檢測(cè)裝置，利用中間繼電器的觸點(diǎn)作為反饋信號(hào)以及斷路器的脫扣檢測(cè)信號(hào)綜合判斷斷路器脫扣類型，發(fā)生脫扣時(shí)準(zhǔn)確知道問(wèn)題原因，及時(shí)排除故障，減少損失。本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 新型低壓斷路器脫扣控制及檢測(cè)裝置系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)通過(guò)控制器檢測(cè)判斷斷路器的脫扣狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)消防分勵(lì)脫扣或過(guò)欠壓分勵(lì)脫扣，同時(shí)顯示報(bào)警，及時(shí)保護(hù)機(jī)房的重要設(shè)備。具體有以下功能：

1）當(dāng)有消防報(bào)警時(shí)，控制器檢測(cè)到消防聯(lián)動(dòng)控制信號(hào)輸入，啟動(dòng)斷路器中的消防分勵(lì)脫扣模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)房里的關(guān)鍵設(shè)備的啟動(dòng)或斷開(kāi)保護(hù)等，同時(shí)顯示斷路器工作狀態(tài)。

2）當(dāng)電網(wǎng)電壓過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，控制器檢測(cè)到過(guò)欠壓控制信號(hào)輸入，啟動(dòng)斷路器過(guò)欠壓分勵(lì)脫扣模塊，保護(hù)后端重要設(shè)備不受電網(wǎng)影響，同時(shí)顯示斷路器工作狀態(tài)。

3）當(dāng)控制器檢測(cè)到斷路器脫扣系統(tǒng)的控制狀態(tài)和反饋不符合，聲光報(bào)警脫扣系統(tǒng)異常，并顯示系統(tǒng)故障情況。

1.2 控制器選型

控制器采用STC12C5A60S2芯片，單片機(jī)集成1 280字節(jié)RAM，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的功能[8]。代碼完全兼容8 051，可通過(guò)軟件設(shè)置分頻，速度快8～12倍，I/O口可自定義，內(nèi)置高精度ADC電路，可實(shí)現(xiàn)ISP/IAP，無(wú)須專用編程器，有看門(mén)狗，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，可實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)。

1.3 中間繼電器選型

中間繼電器可采用OMRON公司的中間繼電器MY2N-J系列產(chǎn)品，動(dòng)作時(shí)間小于20 ms，復(fù)位時(shí)間小于20 ms，工作溫度-55～70℃（無(wú)結(jié)冰）有兩組獨(dú)立的繼電器輸出觸點(diǎn)，額定負(fù)載為DC24V/5A和AC220V/5A，控制線圈的工作電壓可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇有AC型或者DC型，引腳分布如圖2(a)、圖2(b)所示，AC型規(guī)格備有線圈斷線自檢功能，DC型規(guī)格在安裝時(shí)要確保極性正確。工作時(shí)AC型LED指示燈為紅色，DC型為綠色，其中指示燈代表線圈工作情況。

圖2 MY2N-J系列產(chǎn)品

消防聯(lián)動(dòng)控制信號(hào)輸出為DC24 V，消防分勵(lì)檢測(cè)模塊中間繼電器選用MY2N-JDC24 V，其控制線圈工作電壓為+24 V，線圈浪涌吸收為二極管，允許最小負(fù)載為DC5 V，實(shí)物圖如圖2(c)。過(guò)欠壓分勵(lì)檢測(cè)模塊和消防分勵(lì)檢測(cè)模塊一樣采用MY2N-JDC24 V中間繼電器。斷路器脫扣檢測(cè)模塊用于檢測(cè)斷路器是否脫扣，采用MY2N-JAC220 V中間繼電器，控制線圈工作電壓為220 V。

1.4 檢測(cè)及控制模塊電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)模塊包括消防分勵(lì)檢測(cè)模塊、過(guò)欠壓分勵(lì)檢測(cè)模塊和斷路器脫扣檢測(cè)模塊，其中脫扣執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以安裝在斷路器內(nèi)部或外部，是斷路器的選配件，實(shí)現(xiàn)斷路器分勵(lì)脫扣等功能。

消防分勵(lì)檢測(cè)模塊原理圖如圖3所示。具體工作原理為：消防分勵(lì)信號(hào)其作為外部輸入信號(hào)接中間繼電器控制線圈觸點(diǎn)13、14；常開(kāi)觸點(diǎn)8和12與三極管電路Q1構(gòu)成繼電器工作狀態(tài)的反饋機(jī)構(gòu)，反饋信號(hào)連接控制器I/O口P3.0并進(jìn)行采樣處理；控制器I/O口P2.3通過(guò)隔離電路后接固態(tài)繼電器U3驅(qū)動(dòng)電路，U3輸出接中間繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)5和9，接斷路器消防分勵(lì)脫扣執(zhí)行單元。

圖3 消防分勵(lì)檢測(cè)模塊原理圖

當(dāng)有火災(zāi)情況發(fā)生，消防設(shè)備發(fā)出消防聯(lián)動(dòng)控制信號(hào)使得中間繼電器控制線圈獲得+24 V工作電壓而動(dòng)作，常開(kāi)觸點(diǎn)5和9、8和12均閉合，控制器I/O口P3.0采樣到高電平說(shuō)明有檢測(cè)到消防分勵(lì)信號(hào)，I/O口P2.3輸出高電平驅(qū)動(dòng)使得固態(tài)繼電器U3驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通，U3常開(kāi)觸頭閉合，消防分勵(lì)脫扣執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，控制器I/O口P1.3輸出低電平驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路，顯示模塊顯示當(dāng)前工作狀態(tài)為消防分勵(lì)。用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要和控制電源的通斷狀態(tài)對(duì)機(jī)房某些關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)或者斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)提醒和保護(hù)作用。

當(dāng)無(wú)消防報(bào)警時(shí)，無(wú)消防聯(lián)動(dòng)控制信號(hào)輸出，中間繼電器控制線圈無(wú)工作電壓，則兩組常開(kāi)觸點(diǎn)為斷開(kāi)狀態(tài)，控制器I/O口P3.0采樣到低電平未檢測(cè)到消防分勵(lì)信號(hào)，I/O口P2.3輸出低電平，固態(tài)繼電器U3驅(qū)動(dòng)電路截至，消防分勵(lì)脫扣執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，系統(tǒng)正常工作，顯示模塊顯示當(dāng)前工作狀態(tài)正常。

過(guò)欠壓分勵(lì)檢測(cè)模塊的反饋信號(hào)連接到控制器I/O口P3.1并進(jìn)行采樣處理，工作原理與消防分勵(lì)檢測(cè)模塊相同。當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)過(guò)欠壓時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到有過(guò)欠壓分勵(lì)信號(hào)輸入，聲光報(bào)警并顯示工作狀態(tài)，過(guò)欠壓分勵(lì)脫扣執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作；當(dāng)電網(wǎng)電壓工作正常時(shí)，無(wú)過(guò)欠壓分勵(lì)信號(hào)輸入，過(guò)欠壓分勵(lì)脫扣機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，系統(tǒng)正常工作。

斷路器脫扣檢測(cè)模塊的脫扣器工作狀態(tài)反饋信號(hào)連接控制器I/O口P3.2并進(jìn)行采樣處理，檢測(cè)工作原理與消防分勵(lì)檢測(cè)模塊相同。當(dāng)斷路器有脫扣時(shí)，控制器I/O口P3.2檢測(cè)到高電平，系統(tǒng)聲光報(bào)警并顯示工作狀態(tài)；當(dāng)斷路器無(wú)脫扣時(shí)，系統(tǒng)工作正常。

1.5 其他模塊設(shè)計(jì)

按鍵模塊設(shè)計(jì)使用4個(gè)獨(dú)立功能按鍵。

聲光報(bào)警模塊由三極管放大電路、LED和蜂鳴器組成，控制器檢測(cè)消防分勵(lì)、過(guò)欠壓、過(guò)載短路脫和故障時(shí)輸出PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警模塊同時(shí)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

工作狀態(tài)顯示模塊選用LCD1602液晶顯示模塊，控制器將檢測(cè)判斷結(jié)果在LCD模塊顯示，正常工作顯示“Normal”、消防分勵(lì)脫扣顯示為“Fire”、過(guò)欠壓脫扣顯示為“Undervoltage”、過(guò)載短路脫扣顯示為“Overload short circuit”、故障則顯示“Abnormity”。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及仿真

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 新型低壓斷路器脫扣控制及檢測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行I/O口、按鍵功能、顯示功能、報(bào)警功能、中斷功能等初始化。

初始化完成后，系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)模塊工作狀態(tài)進(jìn)行掃描采樣?？刂破鞲鶕?jù)脫扣檢測(cè)模塊和分勵(lì)檢測(cè)模塊的信號(hào)來(lái)判斷斷路器是消防分勵(lì)脫扣、過(guò)欠壓分勵(lì)脫扣或者短路過(guò)載自身脫扣哪一種脫扣狀態(tài)，其判斷結(jié)果具體如表1所示，表中“1”是指控制器檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的檢測(cè)模塊有信號(hào)輸入，“0”是指無(wú)信號(hào)輸入。

表1 斷路器工作檢測(cè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)表

控制器根據(jù)I/O口P3.0～P3.2采集的檢測(cè)模塊工作狀態(tài)進(jìn)行相關(guān)處理，正常工作時(shí)，狀態(tài)顯示正常；有異常情況時(shí)，啟動(dòng)聲光報(bào)警程序和狀態(tài)顯示程序，啟動(dòng)按鍵掃描程序，待系統(tǒng)故障排除、恢復(fù)按鍵確認(rèn)后，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

2.2 系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的運(yùn)行情況，使用Proteus軟件及Keil軟件對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行軟硬件聯(lián)合仿真，指示燈用于模擬消防分勵(lì)脫扣的工作情況。Proteus軟件元器件庫(kù)沒(méi)有MY2N-JDC24 V中間繼電器仿真模型，故該仿真系統(tǒng)采用按鍵S1的閉合與松開(kāi)來(lái)替代中間繼電器的吸合與斷開(kāi)。在測(cè)試時(shí)要注意對(duì)不同的電源進(jìn)行隔離。

消防分勵(lì)脫扣檢測(cè)模塊仿真原理圖如圖5(a)所示。正常工作時(shí)，沒(méi)有消防系統(tǒng)分勵(lì)信號(hào)輸入，按鍵S1松開(kāi)，模擬中間繼電器斷開(kāi)，控制器檢測(cè)無(wú)信號(hào)輸入，固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路截至，指示燈不亮，LCD顯示“Normal”，仿真結(jié)果如圖5(b)所示。當(dāng)有消防分勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，按鍵S1閉合，模擬中間繼電器吸合，控制器采集到消防分勵(lì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷處理，確認(rèn)后啟動(dòng)聲光報(bào)警模塊，LCD顯示“Fire”，同時(shí)控制器輸出高電平使得固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通，指示燈亮，模擬機(jī)房控制電源被接通或斷開(kāi)，仿真結(jié)果如圖5(c)所示。整個(gè)仿真過(guò)程運(yùn)行穩(wěn)定可靠，到達(dá)預(yù)期目標(biāo)。

圖5 消防分勵(lì)脫扣檢測(cè)模塊仿真

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的斷路器脫扣控制及檢測(cè)裝置利用脫扣控制中間繼電器的觸點(diǎn)作為反饋信號(hào)，對(duì)斷路器的脫扣檢測(cè)信號(hào)綜合判斷脫扣類型，在脫扣發(fā)生時(shí)，運(yùn)維人員可以準(zhǔn)確知道問(wèn)題原因，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房或數(shù)據(jù)中心等后端關(guān)鍵負(fù)載的保護(hù)、隔離，使得低壓斷路器能更加智能，在實(shí)際應(yīng)用中更具有市場(chǎng)前景，可推廣。此外，本設(shè)計(jì)下一步將往在線檢測(cè)方面進(jìn)行研究。