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" title="控制技術">控制技術。該技術以微控制器" 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、缺相的故障保護和顯示功能。該控制技術依據(jù)斷路器的反時限斷開特性曲線,合理地設計了微控制器的控制軟件,運用電子技術實現(xiàn)了不同電路故障狀態(tài)下的相應斷路延時。

　　關鍵詞: 斷路器? 微控制器? 控制技術? 故障保護

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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設備。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,即利用負載電流的熱效應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)對保護設備要求的不斷提高,對傳統(tǒng)低壓斷路器的控制技術進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技術,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、精確地進行有關時間和電流的處理,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。該技術在很大程度上彌補了原先低壓斷路保護技術的缺陷,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系列小型化單片機為核心設計了控制電路,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),控制斷路器脫扣機構(gòu)動作。圖1示出了控制電路原理框圖。

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　　電器設備中工作電流數(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)過載程度進行延時,延時結(jié)束發(fā)出分斷控制信號,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,單片機對用戶的調(diào)整情況進行采樣,然后判斷用戶設定的額定電流,根據(jù)額定電流對采樣結(jié)果進行轉(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要求,從發(fā)生短路到發(fā)出分斷信號需在5ms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)出分斷控制信號。針對這種特殊情況,另外設計了短路判斷電路^[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,供給單片機和其它電路,不需另外提供直流電源。由于設計要求在原來斷路器殼體的基礎上改造,給整個電路部分提供的空間很小。基于體積小的要求,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 單片機工作軟件

　　主電路電流大小和延時時間的關系是整個程序設計的關鍵。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致設備的損壞,采用基于電路的發(fā)熱程度進行控制。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系。由于不同程度的每一種故障類型都對應著一個特定的發(fā)熱率,正常狀態(tài)下的發(fā)熱率為負。對這個發(fā)熱率進行積分,就得到了不同故障積累的熱量,電路在達到某個特定的發(fā)熱量時,就應該啟動電磁鐵驅(qū)動斷路器將電路斷開。

在反時限保護特性范圍內(nèi),由于被保護對象是線路,其I₂·t=f(t)應為常數(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,最終的熱積累效應應符合:

　　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所對應的時間計算值;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相對應的延時時間。

　　若非首次過載,則考慮熱積累效應,如在負載電流I1時所對應的延時時間為t₁,經(jīng)過t_i′時間延時后,負載電流變?yōu)镮₂,這時重新為定時器賦值的延時時間應為:

　　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,即為熱效應上的等價關系,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。由于單片機的運算速度相對于脫扣機械系統(tǒng)的動作時間是非?？斓?在程序設計中,將已延時時間和對應故障的預設定時間進行比較,決定脫扣動作延時時間的長短，從而達到實時控制的功能。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)運行時,很好地滿足了表2提出的設計技術要求。

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　　設計技術指標對缺相提出的延時時間為:兩相1.15I_e,一相0I_e,動作時間T≤2min;通過單片機精確地控制延時時間,只要在程序中加入延時時間設置即可。

　　當然,在進行現(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,采用單片機系統(tǒng)的優(yōu)越性則進一步在此得到體現(xiàn)。延時曲線的變動變得非常簡單,只需在程序中將相應的閾值進行改動,還可以根據(jù)精度要求對曲線進行進一步的細化。而硬件部分不需要作任何變化。

　　采用單片機控制技術的新型低壓斷路器,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

1 復旦大學計算機科學系微機實驗室.東芝單片機應用指南.上海:復旦大學出版社,1996

2 互感器制作技術編審委員會.互感器制作技術.北京:機械工業(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