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淺談用智能控制器對塑殼斷路器設計時應注意的問題

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摘要介紹了智能控制器的用途、適用范圍、分類、保護參數設定和功能，闡述了智能控制器的原理及設計時應注意的問題。由于智能控制器不僅增加了整定電流的選擇范圍，而且具有三段保護功能。并且可設定長延時和短延時動作時間，使產品更加可靠，必將在低壓電網領域的塑殼斷路器中得到廣泛應用。
　　關鍵詞低壓電網智能控制器塑殼斷路器
　　引言
　　塑料外殼式斷路器是廣泛應用于低壓配電網絡系統中的一種關鍵元器件。據統計，今年我國新增發電電機約達9500萬kW，國內對塑料外殼式斷路器需求在 2000萬臺左右，并且隨著科學技術不斷進步，計算機、通信技術、電子技術和電力工業自動化的飛速發展，電力系統的供需矛盾發生了巨大的變化。電力系統中對斷路器的安全、可靠性要求越來越高，對斷路器的多功能、自動化程度高的要求也日益迫切，非智能型塑殼斷路器已不能滿足系統的需要。非智能塑殼斷路器一般只有雙金屬元件式的過載延時和電磁鐵的瞬動保護，測量誤差大，保護特性誤差也較大，用戶又不能調節，不能聯網和遠距離控制。各行各業都開發新一代塑殼斷路器帶智能型控制器以滿足需求，新一代塑殼斷路器應采用模塊化結構，基本實現各種附件采用模塊化，應有三段保護，做到熱磁式結構模塊及電子式結構模塊互換。基于這種社會發展的需求，杭州之江開關股份有限公司為提高供電的穩定性和可靠性，提高輸配系統自動化水平，新研制開發了塑殼斷路器中配用的智能控制器。
　　1、智能控制器的用途及適用范圍
　　1)智能控制器適用于交流50 Hz，額定絕緣電壓690 V，額定工作電壓400 V及以下，額定電流從40 A(整定電流從16 A起)至1 250 A低壓電網中。
　　2)智能控制器不僅增加了整定電流的選擇范圍，具有過載長延時、短路短延時、短路瞬時三段保護，并且過載長延時及短延時動作時間可以設定。H型控制器除了具有上述功能外，還具備了現場總線的通信功能，與工控計算機或控制器聯網通信，實現配電網絡的計算機聯網，在1 km范圍內對斷路器實現遙控、遙調、遙測、遙信，使斷路器控制功能大大增強。
　　智能控制器按功能可分為M型控制器(面板直接設定型)和H型控制器(撥至近控在面板上直接設定，撥至遙控用編程器或從上位機上進行設定)。
　　2、智能控制器保護特性參數設定和保護功能
　　智能控制器面板如圖1所示，智能控制器的保護功能見表1。1—運行電流負載指示，紅色(HSM1z-160負載指示燈只有一盞，并且當運行電流負載 ≥100 % I r1時亮)；2—MCU運行燈，綠色(1 s閃亮)；3—長延時過載電流I r1整定的編碼開關；4—長延時跳閘時間t 1整定的編碼開關(最大反時限延時T =(6I r1)2×t 1/I 2；5—短路短延時電流I r2整定的編碼開關；6—短路短延時跳閘時間t 2整定的編碼開關；7—短路瞬時電流I r3整定的編碼開關。當I>I r2且I ≥8I r1時為定時限，延時t 2跳閘；當I >I r2且I <8I r1時為反時限，跳閘時間T =(8I r1)2×t 2/I2。
　　電流整定時須注意：I r1
　　3、智能型控制器設計及應注意的問題
　　智能型控制器是該系列斷路器的心臟部分，也是該斷路器的關鍵部分，動作特性的靈敏度由該部圖1 智能控制器面板分來保證，智能控制器原理圖如圖2所示[1]。智能控制器的核心部件是CPU，選擇時應考慮：(1) 內置8～16位總線；(2) 8～16 KB EEPROM或FLASH；(3) 0.5～1 KB SRAM；(4) 同步或異步串口、SPI串口、I2C串口；(5) 具有優先級的多級向量中斷；(6) 內置看門狗定時器。
電流互感器和放大濾波電路設計是智能控制器的關鍵部件。在研制國家重點項目智能型塑殼式斷路器中的控制器時，當電流較大時(如800 A斷路器在8×800 A = 6 400 A時)，互感器鐵心飽和而呈非線性，高倍電流時計算機只能用查表法進行近似測量，造成較大的測量誤差。解決這個問題，可從鐵心材料選型、鐵心截面比例選擇、線圈匝數、導線線徑等多個因素綜合考慮改進設計。從而保證對800 A塑殼斷路器可獲得0～10000 A均線性的互感器，保證了三段保護量程內高精度電流測量。
　　放大器的設計要考慮電流測量精度、電磁兼容性能，同一路互感器輸出可用兩路放大器，信號較小時用放大倍數較大的一路測量，而信號較大時用放大倍數較小的一路測量，也可以用計算機程控放大，放大倍數可取1，2，4，8倍。放大器輸入端要有抗雷擊浪涌和快速瞬態脈沖群的能力。為提高抗干擾能力，可以考慮選擇用帶通濾波和選頻放大。
　　計算機通過電流互感器進行采樣的方法一般有兩種。其一為先求最大值，然后除以 √2 得有效值，這種方法適用于因互感器在大電流工作時，有波形畸變，但幅度跌落較少，用最大值法仍可獲得較好的測量精度，如用求面積法則會帶來較大的誤差;其二為求面積法，I =[(1/T )∫T0 i 2dt ]1/2，當取樣電路中由于諧波所占比例較大，造成波形畸變，幅值跌落，這種場合可用面積法來獲取電流，其準確度較高。
　　用電流互感器產生自生電源，供電給CPU及邏輯電路。若控制器中只有自生電源而無外接輔助電源時要處理好如下6個問題：
　　(1)當主回路電流較小時，其能量不足以供給邏輯電路，這可適當增加互感器匝數，但要注意不要使鐵心在大電流時過早的磁飽和；
　　(2)要解決主回路電流較大時能量過剩，產生能量大于消耗能量，因而要有能量釋放回路；
　　(3)要解決好上電復位電路，要有一塊電源門檻監控電路，當電源上升到邏輯電路正常工作電壓(約4.7 V)之前，該監控電路能產生一低電平，控制CPU的RESET引腳，使其在電源電壓未達正常門檻之前時，C P U不工作，只有當電源電壓正常后(大于4.7 V)，RESET引腳為高電平而開始執行程序；
　　(4)要解決磁通變換器(即脫扣器)的驅動能力，為保證可靠脫扣，瞬間要輸出較大的電流，可用大電容儲能瞬間釋放來解決；
　　(5)要解決好同一只電流互感器既要產生自生電源，又要取樣放大，要防止相互間的串擾問題；
　　(6)要有電磁兼容措施，防止雷擊浪涌和快速脈沖群等干擾。
　　智能控制器與斷路器之間的機電一體化設計尤為重要，要正確處理好磁通變換器的脫扣力、彈簧力和斷路器的機械脫扣力之間的關系，保證斷路器在過電流(包括短路電流)時能延時或瞬時的正常脫扣。
　　4、結語
　　隨著科學技術不斷進步，計算機、通信技術、電子技術和電力工業自動化的飛速發展，電力系統中對斷路器的安全、可靠性要求越來越高，并且隨著計算機技術飛速發展，對斷路器的多功能、自動化程度高的要求也日益迫切，由于塑殼斷路器帶智能控制器后，能提高供電的穩定性和可靠性，提高輸配電系統自動化水平，這必將會被用戶進一步認識和應用。
　　參考文獻
　　[1]GB 14048.2—2001低壓開關設備和控制設備低壓斷路器[s].

[1]

出處：作者：

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