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(kāi)時(shí)間,使斷路器完成短路,、過(guò)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(shí)限斷開(kāi)特性曲線,合理地設(shè)計(jì)了微控制器的控制軟件,運(yùn)用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不同電路故障狀態(tài)下的相應(yīng)斷路延時(shí)。

　　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(dòng)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(shí)時(shí)間難以精確控制,所以這種斷路器精度不高,。同時(shí)它還有功能不完善的缺點(diǎn),例如:缺相故障無(wú)法判斷、引起斷路故障的原因用戶無(wú)法知道,、維修不便等缺陷,。

　　隨著小功率低壓電力系統(tǒng)對(duì)保護(hù)設(shè)備要求的不斷提高,對(duì)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(wèn)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(shí)/計(jì)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(shí)間和電流的處理,使得控制電路相對(duì)傳統(tǒng)的熱動(dòng)式控制方式具有更小的體積和更實(shí)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(shí)時(shí)間特性可以精確擬合電流——時(shí)間特性曲線,而且用戶可以根據(jù)需要選擇過(guò)載延時(shí)級(jí)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(jì)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(dòng)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(cè)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(guò)載程度進(jìn)行延時(shí),延時(shí)結(jié)束發(fā)出分?jǐn)嗫刂菩盘?hào),在脫扣電路^[3]的作用下,切斷主電路,同時(shí)點(diǎn)亮故障顯示燈,。為了讓用戶可以在一個(gè)級(jí)別內(nèi)調(diào)整額定電流,單片機(jī)對(duì)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(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換,。

　　根據(jù)斷路器對(duì)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?hào)需在5ms時(shí)間內(nèi)完成。而控制器的工作電源的建立時(shí)間大約為100ms,如果開(kāi)機(jī)時(shí)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?hào),。針對(duì)這種特殊情況,另外設(shè)計(jì)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(shí)脫扣時(shí)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(diǎn)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(guò)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(jì)要求在原來(lái)斷路器殼體的基礎(chǔ)上改造,給整個(gè)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?jī)?chǔ)能穩(wěn)壓輸出的方法。試驗(yàn)證明當(dāng)相電壓在380V～220V范圍內(nèi)變化時(shí),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(shí)時(shí)間的關(guān)系是整個(gè)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,。電路提出的反時(shí)限斷開(kāi)特性曲線如圖2所示。

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　　為防止因電路過(guò)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(shí)時(shí)間之間的關(guān)系,。由于不同程度的每一種故障類型都對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定的發(fā)熱率,正常狀態(tài)下的發(fā)熱率為負(fù)。對(duì)這個(gè)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(gè)特定的發(fā)熱量時(shí),就應(yīng)該啟動(dòng)電磁鐵驅(qū)動(dòng)斷路器將電路斷開(kāi),。

在反時(shí)限保護(hù)特性范圍內(nèi),由于被保護(hù)對(duì)象是線路,其I₂·t=f(t)應(yīng)為常數(shù),。根據(jù)反時(shí)限特性,遵循發(fā)熱量相等的原則,在過(guò)載過(guò)程中,最終的熱積累效應(yīng)應(yīng)符合:

　　這樣首次過(guò)載時(shí),延時(shí)時(shí)間的計(jì)算采用插值法:

　　式中,I為采集到的瞬時(shí)電流值;t為I所對(duì)應(yīng)的時(shí)間計(jì)算值;I_k、I_k-1為I電流所在區(qū)域段中緊相鄰的前后電流值;t_k,、t_k-1為I_k,、I_k-1相對(duì)應(yīng)的延時(shí)時(shí)間。

　　若非首次過(guò)載,則考慮熱積累效應(yīng),如在負(fù)載電流I1時(shí)所對(duì)應(yīng)的延時(shí)時(shí)間為t₁,經(jīng)過(guò)t_i′時(shí)間延時(shí)后,負(fù)載電流變?yōu)镮₂,這時(shí)重新為定時(shí)器賦值的延時(shí)時(shí)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(jià)關(guān)系,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理,確定出同時(shí)出現(xiàn)多種故障時(shí)的延時(shí)時(shí)間,這樣可以避免因短時(shí)間異常而造成的誤動(dòng)作,。由于單片機(jī)的運(yùn)算速度相對(duì)于脫扣機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間是非?？斓?在程序設(shè)計(jì)中,將已延時(shí)時(shí)間和對(duì)應(yīng)故障的預(yù)設(shè)定時(shí)間進(jìn)行比較,決定脫扣動(dòng)作延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短，從而達(dá)到實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)滑線變阻器作為負(fù)載,調(diào)節(jié)三個(gè)變阻器的阻值改變主電路中的電流,用電流表測(cè)量電流值,用秒表測(cè)量延時(shí)時(shí)間,。記錄主電路三相中最大電流Imax的過(guò)載程度和延時(shí)時(shí)間,。

　　試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

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??? 可見(jiàn),此系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),很好地滿足了表2提出的設(shè)計(jì)技術(shù)要求,。

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　　設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)缺相提出的延時(shí)時(shí)間為:兩相1.15I_e,一相0I_e,動(dòng)作時(shí)間T≤2min;通過(guò)單片機(jī)精確地控制延時(shí)時(shí)間,只要在程序中加入延時(shí)時(shí)間設(shè)置即可,。

　　當(dāng)然,在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)按照具體的現(xiàn)場(chǎng)條件,可能需要改變某些延時(shí)時(shí)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(shí)曲線的變動(dòng)變得非常簡(jiǎn)單,只需在程序中將相應(yīng)的閾值進(jìn)行改動(dòng),還可以根據(jù)精度要求對(duì)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(shí)現(xiàn)了智能化的要求,克服了傳統(tǒng)斷路器的缺點(diǎn),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(jì)算機(jī)科學(xué)系微機(jī)實(shí)驗(yàn)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(huì).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(cè).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