鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1340次 | 2019年04月02日
智能化斷路器的開發(fā)與研究
供電網(wǎng)絡(luò)中的電氣開關(guān)（包括斷路器、轉(zhuǎn)換開關(guān)和接觸器），通常情況下用于閉合或斷開供應(yīng)電能的電路，以達(dá)到停電、供電和轉(zhuǎn)換電路的目的。
當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)不正常情況時(shí)，例如過(guò)載、過(guò)壓和欠壓、短路等，能自動(dòng)地把負(fù)載從電網(wǎng)上斷開。因?yàn)檫@些不正常情況將危及操作人員的安全和設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至引起人身死亡事故或造成火災(zāi)。
配電用斷路器主要在低壓配電系統(tǒng)中做過(guò)載、短路、過(guò)壓和欠壓保護(hù)之用，也可用作為電路的不頻繁操作。配電用斷路器有選擇型和非選擇型兩類。非選擇型保護(hù)特性較為簡(jiǎn)單，多用于支路保護(hù)。主斷路器則要求采用選擇型，以滿足電路內(nèi)各種保護(hù)電器的選擇性斷開，把事故區(qū)域限制到最小范圍。
傳統(tǒng)的斷路器保護(hù)功能是利用了某些物理效應(yīng)，通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因而體積較大，效果也不夠理想。為了防止用電設(shè)備發(fā)生故障時(shí)影響整個(gè)供電線路，以及在供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí)損壞用電設(shè)備，在傳統(tǒng)斷路器的基礎(chǔ)上逐步開發(fā)出更可靠的和具有更多保護(hù)功能的斷路器。
例如，具有短路保護(hù)、過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)、漏電保護(hù)、缺相保護(hù)等功能的斷路器。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，集成電路的出現(xiàn)大大縮小了普通電子電路的體積，因此出現(xiàn)了以專用集成電路為基礎(chǔ)的多功能斷路器。這種斷路器已經(jīng)比原有的機(jī)械式斷路器進(jìn)了一大步，但仍然不能稱之為智能化。
微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為電氣開關(guān)的智能化提供了條件。智能化的電氣開關(guān)，不僅能夠提供普通斷路器的各種保護(hù)功能，還能夠?qū)崟r(shí)顯示電路中的各種參數(shù)（電流、電壓、功率、功率因數(shù)等）。
各種保護(hù)功能的動(dòng)作參數(shù)也可以顯示、設(shè)定和修改。保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)的故障參數(shù)，可以存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器中以便查詢。這些功能只有在采用微處理機(jī)以后才能實(shí)現(xiàn)。
目前，國(guó)外已經(jīng)開發(fā)出了系列化智能斷路器。
這些智能化斷路器的性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的斷路器產(chǎn)品。我國(guó)在這方面的產(chǎn)品開發(fā)還剛剛起步。本文對(duì)智能化電氣開關(guān)的有關(guān)技術(shù)進(jìn)行了探討，并給出一種用于低壓電網(wǎng)的智能化斷路器的設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)例。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
2智能化電氣開關(guān)的關(guān)鍵技術(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，并成為智能化儀器儀表的核心部件。目前，在研制高性能、高精度、多功能的測(cè)量控制儀表時(shí)，幾乎無(wú)一例外地都考慮采用微處理器和單片機(jī)。在測(cè)量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。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(lái)越小，而功能越來(lái)越豐富。新一代的單片機(jī)產(chǎn)品，已經(jīng)將程序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、I2C總線接口、更多的I/O端口和內(nèi)部RAM寄存器集成在一起，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)。表1所列是一些典型單片機(jī)產(chǎn)品的性能參數(shù)。
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(lái)完成，無(wú)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，已經(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的工作負(fù)荷，還能夠在萬(wàn)一CPU發(fā)生故障時(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。
表1典型單片機(jī)的性能參數(shù)型號(hào)片內(nèi)特殊功能串行接口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(guò)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。更進(jìn)一步，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(méi)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(wèn)題需要妥善處理：①由于電源能量來(lái)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(wèn)題，而對(duì)于微處理機(jī)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)智能化電氣開關(guān)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）、專感器、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。
智能化電氣開關(guān)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(wèn)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。
值得一提的是，目前迅速發(fā)展的CAD/CAM技術(shù)對(duì)于系統(tǒng)集成化技術(shù)有著重要的影響。CAD/CAM技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械、電子、電工、建筑、美工、服裝等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。CAD技術(shù)已經(jīng)不僅僅是作為一種繪圖工具發(fā)揮作用，而且能夠進(jìn)行計(jì)算、分析、校驗(yàn)和模擬。這些功能不僅能夠提高設(shè)計(jì)效率、減少設(shè)計(jì)失誤，還能夠使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段看到產(chǎn)品的逼真外觀，模擬產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)行。從而使參加設(shè)計(jì)者能夠?qū)Ξa(chǎn)品各方面的情況有一個(gè)總體的把握。
3智能化全功能低壓脫扣器的開發(fā)CM1-Z型智能化脫扣控制器是作者開發(fā)的一種全功能型低壓配電保護(hù)裝置，用于配電開關(guān)柜中與多種脫扣器配套使用。
3.1主要技術(shù)要求使用條件。三相四線制線路。工作電壓保護(hù)功能。三段電流保護(hù)；過(guò)電壓、欠電壓保護(hù)；漏電保護(hù)；缺相保護(hù)。
顯示功能。電壓、電流、功率、功率因數(shù)顯示；設(shè)定參數(shù)顯示；試驗(yàn)電流顯示；10次故障記憶與參數(shù)顯示；故障預(yù)報(bào)警顯示；合閘、分閘狀態(tài)顯示。
~1.3倍額定電流范圍內(nèi)精度為3%.功率顯示為kW.功率因數(shù)顯示分辨率為0.01；故障時(shí)間顯示分辨率為0.001s.3.2總體結(jié)構(gòu)CM1-Z型智能脫扣控制器由開關(guān)電源、87C552單片機(jī)及其外圍電路、信號(hào)采樣與濾波放大電路、自動(dòng)量程切換電路、鎖相環(huán)頻率跟蹤電路、漏電保護(hù)電路、顯示與操作面板、功能選擇開關(guān)、RS-485串行通訊接口和E2PROM存儲(chǔ)器所組成。系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)框圖如所列。
由于使用了高性能的87C552單片機(jī)，可以對(duì)三相四線的電路參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并根據(jù)用戶的需要顯示有關(guān)的電路參數(shù)（電壓、電流、功率和功率因數(shù)等）。該裝置具有常規(guī)的三段電流熱模擬保護(hù)功能，以及過(guò)壓、欠壓、漏電和缺相保護(hù)功能?？蓪?duì)配電線路或電動(dòng)機(jī)等電器進(jìn)行有效的和可靠的保護(hù)。
智能化斷路器原理框圖顯示操作面板外觀如所示。面板數(shù)字顯示共分為6組，分別為電流顯示（電流）、電壓顯示（電壓）、功率及功率因數(shù)顯示（功率）、設(shè)定參數(shù)顯示（設(shè)定）、試驗(yàn)參數(shù)顯示（試驗(yàn)）和故障參數(shù)顯示（檢查）。正常運(yùn)行時(shí)若無(wú)故障，總是顯示電流。按“功能”鍵可以切換到其他顯示組。
