多功能三相低壓斷路控制技術(shù)和研究

摘要：一種用于三相低壓斷路器的新型控制技術(shù)。該技術(shù)以微控制器為核心，控制三相低壓斷路故障后的斷開時(shí)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(shí)限斷開特性曲線，合理地設(shè)計(jì)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)

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)的低壓斷路器的控制技術(shù)進(jìn)行改造成迫在眉睫的問題。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(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)間特性可以精確似合電流——時(shí)間特性典線，而且用戶可以根據(jù)需要選擇過載延時(shí)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(jì)了控制電路，根據(jù)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。

電路設(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，保護(hù)過載程度進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)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(shí)點(diǎn)亮故障顯示燈。為了讓用戶可以在一個(gè)級別內(nèi)調(diào)整額定電流，單片機(jī)對用戶調(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(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)出分為怕控制信號。針對這種特殊情況，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)過轉(zhuǎn)換得到電流電壓，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)要求在原來判斷路器殼體的基礎(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，電源部分采用電量儲能穩(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)限斷開特性曲線如圖2所示。

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(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)路器將電路斷開。

在反時(shí)限保證特性范圍內(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(shí)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(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所對應(yīng)的時(shí)間教育處值；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(shí)時(shí)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(shí)所對應(yīng)的延時(shí)時(shí)間為t1，經(jīng)過ti'時(shí)間延時(shí)后，負(fù)載電流變?yōu)镮2,這時(shí)重表為定時(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)間和對應(yīng)的故障的預(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]。

3 性能分析

實(shí)驗(yàn)線路接法如圖4所示。

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，用電流表測量電流值，用秒表測量延時(shí)時(shí)間。記錄主電路三相中最大電流Imax的過載程度和延時(shí)時(shí)間。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 過載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

可見，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。

表2 過載保護(hù)技術(shù)要求

設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)對缺相提出的延時(shí)時(shí)間為：兩相1.15Ie，一相0Ie，動(dòng)作時(shí)間T≤2min；通過單片機(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)場實(shí)驗(yàn)時(shí)的按照具體的現(xiàn)場條件，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)變得非常簡單，只需在程序中將相的閾值進(jìn)行改動(dòng)，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)斷路的缺點(diǎn)，還增加了一些新的功能。