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,運用電子技術實現了不同電路故障狀態下的相應斷路延時。
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生變形控制脫扣[4]。由于雙金屬片的形狀結構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對保護設備要求的不斷提高,對傳統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,利用微控制器內部含有的高穩定度頻率源、定時/計數器等硬件,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,而且用戶可以根據需要選擇過載延時級別、調整額定電流的數值。
1 控制電路工作原理
系統采用Toshiba公司生產的51系列小型化單片機為核心設計了控制電路,根據主電路" title="主電路">主電路電流情況,判斷主電路工作狀態,控制斷路器脫扣機構動作。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值是斷路器脫扣的依據,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換成電壓,然后進行放大和峰值保持,再送給A/D轉換器采樣。
微控制器依據采樣結果判斷故障類型,依據過載程度進行延時,延時結束發出分斷控制信號,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調整額定電流,單片機對用戶的調整情況進行采樣,然后判斷用戶設定的額定電流,根據額定電流對采樣結果進行轉換。
根據斷路器對短路故障" title="短路故障">短路故障的特殊技術要求,從發生短路到發出分斷信號需在5ms時間內完成。而控制器的工作電源的建立時間大約為100ms,如果開機時發生短路故障,微控制器就不能在5ms內判斷出短路故障并發出分斷控制信號。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,經過轉換得到直流電壓,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壓輸出的方法。試驗證明當相電壓在380V～220V范圍內變化時,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,采用基于電路的發熱程度進行控制。因此,根據發熱量的概念,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熱率,正常狀態下的發熱率為負。對這個發熱率進行積分,就得到了不同故障積累的熱量,電路在達到某個特定的發熱量時,就應該啟動電磁鐵驅動斷路器將電路斷開。
在反時限保護特性范圍內,由于被保護對象是線路,其I2·t=f(t)應為常數。根據反時限特性,遵循發熱量相等的原則,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;Ik、Ik-1為I電流所在區域段中緊相鄰的前后電流值;tk、tk-1為Ik、Ik-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,經過ti′時間延時后,負載電流變為I2,這時重新為定時器賦值的延時時間應為:
根據電路發熱量積分原理,將各種不同的故障歸結為同一類型,即為熱效應上的等價關系,經過數據處理,確定出同時出現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的動作時間是非常快的,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調節到0.4A,三個滑線變阻器作為負載,調節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。
試驗數據如表1所示。
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??? 可見,此系統運行時,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1.15Ie,一相0Ie,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,在進行現場實驗時按照具體的現場條件,可能需要改變某些延時時間,采用單片機系統的優越性則進一步在此得到體現。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,實現了智能化的要求,克服了傳統斷路器的缺點,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:機械工業出版社,1995
4 馬鏡澄.低壓電器.北京:兵器工業出版社,1993