智能化断路器的开发
王富东 王家善 邵光庆 苏州大学工学院(215021)
唐春潮 杨正明常熟开关厂(215500)
摘 要 对智能化断路器的开发所涉及的关键技术进行了分析和探讨。介绍一些基本的单元电路和相关技术,如单片机、专用集成电路、集成传感器、电源技术和系统集成化技术等。重点讨论了用于智能化断路器的智能化全功能低压脱扣器的开发,包括主要技术要求,总体结构和功能电路设计等。
叙 词:断路器 智能化 脱扣器 功能电路
Development of Intelligent Circuit B reaker
W A N G Fudong W A N G Jiashan S HA O Guangqi ng
Institute of Technology ,Suzhou University (215021)
TA N G Chunchao YA N G Zhengm i ng
Changshu Switchgear Plant (215500)
Abstract :S ome key technologies concerning the development of intelligent circuit breaker were analyzed and
discussed.S ome basic element circuits and related technologies such as microprocessor ,special integrated circuit ,integrated sensor ,power supply and integrated system technology were introduced.The development of the intelligent release with full functions for intelligent circuit breaker ,including the main specifications ,general construction and the design of function circuits etc were discussed.
K ey w ords :circuit breaker intelligence release function circuit
第一作者王富东,男,1957年生,1990年于浙江大学获博士学位,副教授。
1 引 言
供电网络中的电气开关(包括断路器、转换开
关和接触器),通常情况下用于闭合或断开供应电能的电路,以达到停电、供电和转换电路的目的。当电网出现不正常情况时,例如过载、过压和欠压、短路等,能自动地把负载从电网上断开。因为这些不正常情况将危及操作人员的安全和设备的正常运行,甚至引起人身死亡事故或造成火灾。
配电用断路器主要在低压配电系统中做过载、短路、过压和欠压保护之用,也可用作为电路的不频繁操作。配电用断路器有选择型和非选择型两类。非选择型保护特性较为简单,多用于支路保护。主断路器则要求采用选择型,以满足电路内各种保护电器的选择性断开,把事故区域到最小范围。
传统的断路器保护功能是利用了某些物理效
应,通过机械系统的动作来实现的。因而体积较大,效果也不够理想。为了防止用电设备发生故障时影响整个供电线路,以及在供电网络出现异常时损坏用电设备,在传统断路器的基础上逐步开发出更可靠的和具有更多保护功能的断路器。例如,具有短路保护、过流和过热保护、漏电保护、缺相保护等功能的断路器。
随着微电子技术的发展,集成电路的出现大大缩小了普通电子电路的体积,因此出现了以专用集成电路为基础的多功能断路器。这种断路器已经比原有的机械式断路器进了一大步,但仍然不能称之为智能化。
微型计算机技术的发展为电气开关的智能化提供了条件。智能化的电气开关,不仅能够提供普通断路器的各种保护功能,还能够实时显示电路中的各种参数(电流、电压、功率、功率因数等)。各种保护功能的动作参数也可以显示、设定和修
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31—智能化断路器的开发低压电器(2000№2)
改。保护电路动作时的故障参数,可以存储在非易失存储器中以便查询。这些功能只有在采用微处理机以后才能实现。
目前,国外已经开发出了系列化智能断路器。这些智能化断路器的性能大大优于传统的断路器产品。我国在这方面的产品开发还刚刚起步。本文对智能化电气开关的有关技术进行了探讨,并给出一种用于低压电网的智能化断路器的设计开发实例。
2 智能化电气开关的关键技术
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,并成为智能化仪器仪表的核心部件。目前,在研制高性能、高精度、多功能的测量控制仪表时,几乎无一例外地都考虑采用微处理器和单片机。在测量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。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、WA TCHDO G 监视器、I 2C 总线接口、更多的I/O 端口和内部RAM 寄存器集成在一起,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。表1所列是一些典型单片机产品的性能参数。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,已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 的工作负荷,还能够在万一CPU 发生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。表1 典型单片机的性能参数型 号
片内ROM
片内
RAM
C/T I/O 中断特殊功能
8031/87514K ×8128245NMOS 8032/87528K ×8256246NMOS 80C51FA/87C51FA 8K ×8
256
3
4
7
PCA 80C51G A/87C51G A 4K ×8128247
A/D ,WDT ,
OFD 80C552/87C5528K ×82563615
A/D ,WDT ,PWM ,I 2C PIC12C5091K ×122561DIP8封装,串行接口80C196KC
16K ×8
488
2
16位CPU
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。更进一步,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。
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1—低压电器(2000№2)智能化断路器的开发
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,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,而对于微处理机和数字电路,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
智能化电气开关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。
智能化电气开关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。
值得一提的是,目前迅速发展的CAD/CAM 技术对于系统集成化技术有着重要的影响。CAD/CAM技术已经在机械、电子、电工、建筑、美工、服装等领域得到了广泛的应用。CAD技术已经不仅仅是作为一种绘图工具发挥作用,而且能够进行计算、分析、校验和模拟。这些功能不仅能够提高设计效率、减少设计失误,还能够使设计者在设计阶段看到产品的逼真外观,模拟产品的实际运行。从而使参加设计者能够对产品各方面的情况有一个总体的把握。
3 智能化全功能低压脱扣器的开发
CM12Z型智能化脱扣控制器是作者开发的一种全功能型低压配电保护装置,用于配电开关柜中与多种脱扣器配套使用。
3.1 主要技术要求
(1)使用条件。三相四线制线路。工作电压400V,频率50Hz。
(2)保护功能。三段电流保护;过电压、欠电压保护;漏电保护;缺相保护。
(3)显示功能。电压、电流、功率、功率因数显示;设定参数显示;试验电流显示;10次故障记忆与参数显示;故障预报警显示;合闸、分闸状态显示。
(4)精度。电压分辨率1V。在0～1.3倍额定电流范围内精度为3%。
(5)功率显示为kW。功率因数显示分辨率为0.01;故障时间显示分辨率为0.001s。
3.2 总体结构
CM12Z型智能脱扣控制器由开关电源、87C552单片机及其外围电路、信号采样与滤波放大电路、自动量程切换电路、锁相环频率跟踪电路、漏电保护电路、显示与操作面板、功能选择开关、RS2485串行通讯接口和E2PROM存储器所组成。系统的组成与结构框图如图1所列。
由于使用了高性能的87C552单片机,可以对三相四线的电路参数进行的实时检测,并根据用户的需要显示有关的电路参数(电压、电流、功率和功率因数等)。该装置具有常规的三段电流热模拟保护功能,以及过压、欠压、漏电和缺相保护功能。可对配电线路或电动机等电器进行有效的和可靠的保护。
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智能化断路器的开发低压电器(2000№2)
图1 智能化断路器原理框图
显示操作面板外观如图2所示。面板数字显
示共分为6组,分别为电流显示(电流)、电压显示(电压)、功率及功率因数显示(功率)、设定参数显示(设定)、试验参数显示(试验)和故障参数显示(检查)。正常运行时若无故障,总是显示电流。
按“功能”键可以切换到其他显示组。
图2 显示操作面板示意图
每组显示又分为若干项。按“选择”键可以在其中进行切换,如下所列。
电流显示:A 相电流,B 相电流,C 相电流,
N 线电流。
电压显示:AB 线电压,B C 线电压,CA 线电压。
功率显示:功率,功率因数。
设定参数显示:长延时电流,长延时时间,短延时电流,短延时时间,瞬动电流。
试验参数显示:A 相电流,B 相电流,C 相电流,N 线电流。
故障参数显示:A 相电流,B 相电流,C 相电流,N 线电流,故障时间。
当前功能状态和选择状态有相应的L ED 指示灯指示。选择指示灯还兼有存储和通讯状态的指示。
3.3 功能电路设计
开关电源直接由380V 电网供电,提供脱扣控制器所需的多组电源。另外,系统还具有备用电源接口。
电流与电压信号经滤波与放大电路处理后,经由多路转换开关,再进行全波整流后送入单片机进行A/D 转换。单片机对采样信号进行处理后得到各个电压、电流的有效值。
自动量程切换电路根据输入信号的大小自动
将A/D 输入端切换至不同的放大信号输出端。
当任何一路电流超过设定值时,比较器输出过量程控制信号,多路转换开关即自动接通较低放大倍数的输出信号。
锁相环频率跟踪电路以电压信号作为基准,对其进行20倍频后送给单片机作为采样定时信号。当交流电频率有漂移时,采样定时信号能够自动跟踪频率的变化,以确保对每个交流电周期采样20次。
功率因数测量电路将电压与电流信号整形后送给单片机,单片机利用定时器T 2自动采样两者的相位差计数,经过换算后即可得到功率因数。
单片机通过上述的采样电路得到各个电路参数后,在显示操作面板上将这些参数显示出来。由于只有单排L ED 数字显示,在同一时刻只能显示一个数值。用户可以通过操作按键选择所显示
的参数。平时则显示最大电流。
单片机还对各路电压和电流信号进行规定的检测。电压过高或过低时发出过压、欠压脱扣信号。当缺相功能有效时,若三相电流不平衡超过设定值,发出缺相脱扣信号,同时对各相电流进行检测,根据设定的参数实施三段式(瞬动、短延时、长延时)电流热模拟保护。
漏电保护电路为的硬件检测电路,当发生漏电时该电路送出漏电保护脱扣信号。该电路还有漏电模拟试验输入,以对该电路的有效性进行人工检测。
利用特殊的按键组合与功能选择开关可以给用户提供多种参数的选择:过电压保护点选择、欠电压保护点选择、缺相保护功能是否有效、保护动
(下转第50页)
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1—低压电器(2000№2)智能化断路器的开发
(B 3)1台;0.2级,2000/5电流互感器(CT 1)1只;0.5级,5A 量程电流表1只;0.5级,250V 量程
电压表1只;240mm 2铜导线数米。按图2连接测试。GK 1、GK 2断开,测试装置的X 1、Y 1点分别接在被测一次回路的A 、B 和C 相的X 、Y 点上,通大电流测定。调节调压器使电压表读数从0渐渐上升,同时电流表从0升到所需的电流时,停止调节调压器,通过换算,可得出实际一次回路的通电电流。根据需要选定过电流继电器的整定值,检查继保回路是否动作。用此方法,不但可以检查信号回路、分闸回路的响应情况,而且可以模拟试验时实际通电电流与继保整定值相互匹配情况。
测定方法2(从控制回路着手,见图3)
。
图3 调试测定方法2的接线示意图
选1kVA 调压器(B 4)1台;1kVA (220/6V )
变压器(B 5)1台;0.2级20/5电流互感器(CT 2)1只;0.5级量程5A 的电流表1只;0.5级量程250V 电压表1只;2.5mm 2铜导线数米。按图3
接线测试。 根据需要选定过电流继电器的整定值,把测试装置的X 2、Y 2点分别接在A 、B 和C 相的过电流继电器线圈(LJ )两端,进行测定。调节调压器使电压表读数从0渐渐上升,同时电流表从0升到所需的电流时,停止调节调压器,通过对电流互感器(CT 2)流比的换算,可得出通过线圈的实际电流。用此方法,可以简单地校验实际继保整定值,同时,可以检查信号回路、分闸回路的响应情况。可以看出,此时的预置整定值和实际通过过电流继电器线圈的电流之和是否有误差。
在三相同时通电时,电流互感器的同铭端问题必须加以考虑:试验室继保回路的电流互感器,依附在主回路的三相电源上。因此,同铭端连接是否正确,对继保回路有很大影响。当同铭端相同,主回路三相电源也平衡时,电流互感器零线电流i A +i B +i C =0。当电流互感器的同铭端不相同时,电流互感器零线电流(i A +i B +i C ≠0)约等于2倍相电流,因此,校正电流互感器的同铭端很重要。简单解决的方法:在零线上串一只测量用的电流表,让主回路通电流(电流可小一点,使主回路能承受,电流表能准确读数)数秒,观察零线上是否有电流,判断同铭端是否正确。同铭端必须正确后才能投入继保。
收稿日期:1999207212
(上接第16页)
作延时时间、N 线电流的影响系数:0、100%、200%,等等。
E 2PROM 存储器提供设定参数和10次故障参数的永久性存储,即使在断电后也能长期保存。
RS 2485串行通讯接口提供与其他计算机的通讯手段,可以籍此组成多级监控网络。
4 结束语
尽管微型计算机应用在我国已经相当普及,
但智能化断路器的开发和应用在我国尚处于起步阶段,目前还有许多技术问题需要进一步探讨和解决,产品质量也需要进一步完善与提高。
微型计算机技术的发展正在使越来越多的传
统产品向智能化的方向发展,智能化电气开关只是其中之一。由于智能化电气开关所具有的明显的优点,它将在不久的将来逐步取代传统的开关得到越来越广泛的应用。
参
考
文
献
1 周茂祥主编.低压电器设计手册.北京:机械工业出版
社,1992.2 王信义主编.机电一体化技术手册.北京:机械工业出版社,1996.3 李朝青.单片机原理及接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,1994.
4 K laus K osack.低压开关电器和开关设备手册———选用准则与设计指南.胡明忠等译.北京:机械工业出版社,1999.
收稿日期:2000201228
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05—低压电器(2000№2)继电保护电路在试验室的应用下载本文
