摘? 要: 一種用于三相低壓斷路器" title="低壓斷路器">低壓斷路器的新型控制技術(shù)" title="控制技術(shù)">控制技術(shù)。該技術(shù)以微控制器" title="微控制器">微控制器為核心,控制三相低壓斷路器故障后的斷開時間,使斷路器完成短路、過載、缺相的故障保護(hù)和顯示功能。該控制技術(shù)依據(jù)斷路器的反時限斷開特性曲線,合理地設(shè)計了微控制器的控制軟件,運(yùn)用電子技術(shù)實現(xiàn)了不同電路故障狀態(tài)下的相應(yīng)斷路延時。
關(guān)鍵詞: 斷路器? 微控制器? 控制技術(shù)? 故障保護(hù)
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0～25A小型低壓斷路器是小功率低壓電力系統(tǒng)中不可缺少的控制和保護(hù)設(shè)備。目前常用的多為塑殼式低壓斷路器,均采用熱動式脫扣控制方式,即利用負(fù)載電流的熱效應(yīng)使雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生變形控制脫扣[4]。由于雙金屬片的形狀結(jié)構(gòu)精度和熱變形難以保證,斷路器脫扣延時時間難以精確控制,所以這種斷路器精度不高。同時它還有功能不完善的缺點,例如:缺相故障無法判斷、引起斷路故障的原因用戶無法知道、維修不便等缺陷。
隨著小功率低壓電力系統(tǒng)對保護(hù)設(shè)備要求的不斷提高,對傳統(tǒng)低壓斷路器的控制技術(shù)進(jìn)行改造成為迫在眉睫的問題。本文提出以微控制器為核心的可控制低壓斷路保護(hù)技術(shù),利用微控制器內(nèi)部含有的高穩(wěn)定度頻率源、定時/計數(shù)器等硬件,配合高精度電流互感器,方便、精確地進(jìn)行有關(guān)時間和電流的處理,使得控制電路相對傳統(tǒng)的熱動式控制方式具有更小的體積和更實用的功能。該技術(shù)在很大程度上彌補(bǔ)了原先低壓斷路保護(hù)技術(shù)的缺陷,精度高、使用靈活、延時時間特性可以精確擬合電流——時間特性曲線,而且用戶可以根據(jù)需要選擇過載延時級別、調(diào)整額定電流的數(shù)值。
1 控制電路工作原理
系統(tǒng)采用Toshiba公司生產(chǎn)的51系列小型化單片機(jī)為核心設(shè)計了控制電路,根據(jù)主電路" title="主電路">主電路電流情況,判斷主電路工作狀態(tài),控制斷路器脫扣機(jī)構(gòu)動作。圖1示出了控制電路原理框圖。
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電器設(shè)備中工作電流數(shù)值是斷路器脫扣的依據(jù),電流互感器感測三相電路中電流大小。前置電路把互感器輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓,然后進(jìn)行放大和峰值保持,再送給A/D轉(zhuǎn)換器采樣。
微控制器依據(jù)采樣結(jié)果判斷故障類型,依據(jù)過載程度進(jìn)行延時,延時結(jié)束發(fā)出分?jǐn)嗫刂菩盘?在脫扣電路[3]的作用下,切斷主電路,同時點亮故障顯示燈。為了讓用戶可以在一個級別內(nèi)調(diào)整額定電流,單片機(jī)對用戶的調(diào)整情況進(jìn)行采樣,然后判斷用戶設(shè)定的額定電流,根據(jù)額定電流對采樣結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
根據(jù)斷路器對短路故障" title="短路故障">短路故障的特殊技術(shù)要求,從發(fā)生短路到發(fā)出分?jǐn)嘈盘栃柙?ms時間內(nèi)完成。而控制器的工作電源的建立時間大約為100ms,如果開機(jī)時發(fā)生短路故障,微控制器就不能在5ms內(nèi)判斷出短路故障并發(fā)出分?jǐn)嗫刂菩盘枴ａ槍@種特殊情況,另外設(shè)計了短路判斷電路[2],由短路電流直接控制脫扣電路,有效地保證了瞬時脫扣時間。然后微控制器根據(jù)主電路中電流情況判斷是否是短路造成脫扣,點亮短路指示燈。
控制電路直接從三相交流電中取出電流,經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到直流電壓,供給單片機(jī)和其它電路,不需另外提供直流電源。由于設(shè)計要求在原來斷路器殼體的基礎(chǔ)上改造,給整個電路部分提供的空間很小?；隗w積小的要求,電源部分采用電量儲能穩(wěn)壓輸出的方法。試驗證明當(dāng)相電壓在380V～220V范圍內(nèi)變化時,微控制器仍然能夠正常工作。
2 單片機(jī)工作軟件
主電路電流大小和延時時間的關(guān)系是整個程序設(shè)計的關(guān)鍵。電路提出的反時限斷開特性曲線如圖2所示。
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為防止因電路過熱而導(dǎo)致設(shè)備的損壞,采用基于電路的發(fā)熱程度進(jìn)行控制。因此,根據(jù)發(fā)熱量的概念,確定電路電流與延時時間之間的關(guān)系。由于不同程度的每一種故障類型都對應(yīng)著一個特定的發(fā)熱率,正常狀態(tài)下的發(fā)熱率為負(fù)。對這個發(fā)熱率進(jìn)行積分,就得到了不同故障積累的熱量,電路在達(dá)到某個特定的發(fā)熱量時,就應(yīng)該啟動電磁鐵驅(qū)動斷路器將電路斷開。
在反時限保護(hù)特性范圍內(nèi),由于被保護(hù)對象是線路,其I2·t=f(t)應(yīng)為常數(shù)。根據(jù)反時限特性,遵循發(fā)熱量相等的原則,在過載過程中,最終的熱積累效應(yīng)應(yīng)符合:
這樣首次過載時,延時時間的計算采用插值法:
式中,I為采集到的瞬時電流值;t為I所對應(yīng)的時間計算值;Ik、Ik-1為I電流所在區(qū)域段中緊相鄰的前后電流值;tk、tk-1為Ik、Ik-1相對應(yīng)的延時時間。
若非首次過載,則考慮熱積累效應(yīng),如在負(fù)載電流I1時所對應(yīng)的延時時間為t1,經(jīng)過ti′時間延時后,負(fù)載電流變?yōu)镮2,這時重新為定時器賦值的延時時間應(yīng)為:
根據(jù)電路發(fā)熱量積分原理,將各種不同的故障歸結(jié)為同一類型,即為熱效應(yīng)上的等價關(guān)系,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,確定出同時出現(xiàn)多種故障時的延時時間,這樣可以避免因短時間異常而造成的誤動作。由于單片機(jī)的運(yùn)算速度相對于脫扣機(jī)械系統(tǒng)的動作時間是非?？斓?在程序設(shè)計中,將已延時時間和對應(yīng)故障的預(yù)設(shè)定時間進(jìn)行比較,決定脫扣動作延時時間的長短，從而達(dá)到實時控制的功能。圖3示出了微控制器的軟件工作流程[1]。
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3 性能分析
實驗線路接法如圖4所示。
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額定電流Ie調(diào)節(jié)到0.4A,三個滑線變阻器作為負(fù)載,調(diào)節(jié)三個變阻器的阻值改變主電路中的電流,用電流表測量電流值,用秒表測量延時時間。記錄主電路三相中最大電流Imax的過載程度和延時時間。
試驗數(shù)據(jù)如表1所示。
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??? 可見,此系統(tǒng)運(yùn)行時,很好地滿足了表2提出的設(shè)計技術(shù)要求。
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設(shè)計技術(shù)指標(biāo)對缺相提出的延時時間為:兩相1.15Ie,一相0Ie,動作時間T≤2min;通過單片機(jī)精確地控制延時時間,只要在程序中加入延時時間設(shè)置即可。
當(dāng)然,在進(jìn)行現(xiàn)場實驗時按照具體的現(xiàn)場條件,可能需要改變某些延時時間,采用單片機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)越性則進(jìn)一步在此得到體現(xiàn)。延時曲線的變動變得非常簡單,只需在程序中將相應(yīng)的閾值進(jìn)行改動,還可以根據(jù)精度要求對曲線進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化。而硬件部分不需要作任何變化。
采用單片機(jī)控制技術(shù)的新型低壓斷路器,實現(xiàn)了智能化的要求,克服了傳統(tǒng)斷路器的缺點,還增加了一些新的功能。
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參考文獻(xiàn)
1 復(fù)旦大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系微機(jī)實驗室.東芝單片機(jī)應(yīng)用指南.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1996
2 互感器制作技術(shù)編審委員會.互感器制作技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998
3 (美)摩托羅拉公司.摩托羅拉光電光纖器件手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995
4 馬鏡澄.低壓電器.北京:兵器工業(yè)出版社,1993