浅论智能断路器用脱扣器设计
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浅论智能断路器用脱扣器设计
引言
近几年,随着电力系统和配电自动化的不断发展,电力系统保护装置经历了电磁式保护、晶体管保护和微机保护。
电磁式保护装置是基于电磁和电磁感应原理的有接点继电器组成,具有原理简单、价格便宜等优点,但能耗高、动作速度慢、抗震性差,可靠性和灵敏度难以得到保障。
而晶体管保护装置虽然具有体积小、重量轻、消耗功率小、灵敏度高、动作迅速、不怕震动、无磨损等一系列优点,但是晶体管保护装置也有抗干扰能力差、装置本身的性能不是很稳定等明显的缺点。
随着用电系统的规模和等级不断扩大,系统的网络结构和运行方式日趋复杂,传统的控制器已越来越难满足系统的可靠性、准确性和实时性的要求。
1 智能脱扣器简介
脱扣器是能使断路器在电气设备遭受过载、短路、欠电压、过电压等故障时实施各种保护功能的构建。
它实质上就是只能断路器的监控器。
早期的脱扣器是空气式断路器所采用的电磁式过电流脱扣器,该脱扣器只能实现瞬时保护功能。
随着断路器的发展,其额定工作电压和电流保护功能不断发展,脱扣器也随之发展起来。
在采用油阻尼,空气阻尼,钟表结构等作为延时原件后,脱扣器实现了过载延时和短路延时等功能,采用热双金属片的热式脱扣器也逐步出现。
到20世纪60年代初,由于电子技术的普及和应用,出现了半导体脱扣器。
现用的脱扣器有热式脱扣器,电磁式脱扣器外,还有半导体脱扣器。
进入20世纪90年代初以来,低压断路器的保护紧跟国际发展趋势,由电子式向数字智能化方向发展,脱扣器的过流脱扣系统由微处理器控制。
它除了保持电子式脱扣器的各种有点歪,还具有保护精度高,调节范围广,操作方便等特点。
2 智能脱扣器涉及的主要部件及技术:
2.1单片机及其应用技术
单片机以其紧凑的结构、丰富的功能而受到广泛的应用,并成为智能化仪表的核心部件。
目前,在研制高性能、高精度、多功能测量控制仪表时,几乎无一例外地都考虑采用微处理器和单片机。
在测试控制仪表中采用单片机技术使之成为智能仪表后,能够解决许多传统仪表不能或不易解决的难题,同时还能够简化控制仪表电路,提高系统的可靠性,降低整机的成本以及加快新产品的开发速度。
单片机作为智能型控制器的核心,它的发展将制约着智能型断路器的发展与改进。
随着集成电路制造技术的不断提高,单片机的体积越来越小,而功能越来越丰富。
新一代的单片机产品,已经将程序存储器ROM、定时/计数器、串行通讯接口、A/D 转换器、PWM 转换输出、波形发生器、watchdog 监视器、I 2C总线接口、更多的I/O 内部RAM 集成在一起,从而能够适应更加广泛的用途。
另一方面,功能简单的单片机则向低功耗和小型化方向发展。
采用串行总线的单片机,其外部引脚只有8 个。
另外对通信部分的设计也可以实现断路器的联网通信,对各个断路器可以用主机对其进行操作和控制,从而实现遥控、遥测、遥调、遥讯的功能。
2.2专用集成电路
智能化电气开关经常涉及到一些特殊的和复杂的功能。
这些功能如果完全由计算机来完成,无疑会加重CPU 的负担,其效果也未必理想。
事实上在智能化电气开关出现以前,己经开发出了许多行之有效的专用集成电路,例如漏电保护专用集成电路。
采用专用集成电路,不仅能够减轻CPU 负荷,还能够在CPU 万一出现故障时保证可靠的动作,在一定程度上也能够提高系统的响应速度。
专用集成电路分为两类:一类是实现某种专用功能的电路,例如漏电保护集成电路、电源专用集成电路、缺相保护集成电路等;另外一类是运算电路,主要是用于电流保护运算(对数、反对数运算)、功率因数运算等。
2.3智能化集成传感器
随着用电保护技术的不断完善,各种保护装置的功能和技术要求也不断地提高。
一般情况下,低压断路器要求具有以下的保护功能:①过电压和欠电压保护功能;②三段电流保护功能;③漏电保护功能;④缺相保护功能;⑤其他异常保护功能(瞬时尖峰脉冲、瞬时断电等)。
要完成这些保护功能,就要有相应的各种传感器。
这些传感器性能的好坏,直接关系到智能化电气开关的性能。
另一方面,传感器要有较高的精度、较宽的动态范围及检测范围,同时又要有较小的体积,输出信号还要便于与智能控制电路接口。
这在目前还是较难做到的。
受微电子技术的影响,传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。
如果能够利用最新的技术开发一种集成化的传感器,即将各种电量传感器集成在一起,将能够大大提高其使用性能。
甚至,还可以将微处理器与传感器集成于一体。
这可以使智能化电气开关的整体性能提高一个档次。
2.4电源技术
智能化电气开关的电路可以有三种供电方式:专用电源供电、蓄电池供电和电流互感器供电,后者也称为自供电。
这三种供电方式可以单独使用,也可以配合使用,形成冗余供电系统。
前两种供电方式在技术上与一般的微机应用系统没有什么区别。
电流互感器供电是断路器所特有的一种供电方式,单独使用时可以省去其他供电电路,而且可以随着电网的接通自动开始工作,是一种理想的供电方式。
但电流互感器供电有以下几个问题需要妥善处理:1)由于电源能量来源于电流互感器,因此电网电路中电流较小时不足以供电。
2)当电网电路的电流缓慢上升时,自供电电源的电压也是缓慢上升的。
这对于模拟电路不会有问题,而对一于微处理器和数字电路,应该有一个可靠的复位电路,才能使其启动并正常工作。
3)由于电流互感器既要作为电流信号,又要提供电源能量,两者之间必然会产生交叉影响,即智能化电路的工作电流会影响对电网电路电流的检测结果。
因此,要有一套补偿与修正的方法。
使用多种供电方式的冗余供电,可以增加系统的电源可靠性。
但冗余供电方式需要有一个切换装置。
由于智能化电路的工作电流通常都较小,因此切换电路在技术上不难实现。
可以直接由微处理器配合专用电源检测电路进行切换控制。
2.5系统集成化技术
智能化脱扣器是以微处理器为核心的机电一体化产品。
它包括供电部分(常规供电、电池供电、电流互感器自供电)、传感器、控制部分、调整部分、执行机构以及开关本体。
各个组成部分之间相互关联,又相互影响。
如何协调与处理好各个组成部分之间的关系,使其既能满足所有的功能要求,又不超出现有技术条件所允许的范围(体积、功耗、可靠性、电磁兼容性等),就是系统集成化技术的主要内容。
智能化脱扣器是一类具有较高技术含量的产品。
实践表明,产品的技术含量越高,系统集成化技术对其影响和作用也越大。
特别是在生产实践中,由于牵涉面大,往往一个部件的问题而影响整机的性能与质量。
在现代工业中,系统集成化技术集中体现了基础工业的整体水平。
3 结语
随着科技的发展和不断创新,目前新型的智能断路器已取代老式断路器。
随着电力系统可靠性、灵活性、智能性的进入,用电质量的提高,智能型断路器的投入,已经成为一种必然的选择。
【参考文献】
[1]方鸿发.低压电器[M].北京机械工业出版社,1982.
[2]夏天伟.用于低压断路器的智能脱扣器的设计.电工技术,2001(5).。