智能化斷路器介紹及其工作原理分析

1 前言

　　低壓斷路器作為電力供配電系統(tǒng)中廣泛使用的主要控制電器, 除了要能正常分合相關(guān)系統(tǒng)額定電流外, 還要在相關(guān)系統(tǒng)故障時(shí)能快速有選擇性地可靠分?jǐn)嘞嚓P(guān)系統(tǒng)短路故障電流,且不能出現(xiàn)越級(jí)跳閘或拒動(dòng)現(xiàn)象。

　　特別是隨著電力系統(tǒng)控制方式數(shù)字化進(jìn)程的發(fā)展應(yīng)用以及電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用, 對(duì)系統(tǒng)可視化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)化、精確化的要求越來越高, 相應(yīng)地對(duì)應(yīng)用面積廣、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作較頻繁、故障率高的低壓斷路器也就提出了更高的要求, 傳統(tǒng)斷路器根本無法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化的需要。智能化技術(shù)的應(yīng)用于是成了低壓斷路器的一個(gè)重要發(fā)展應(yīng)用方向。

　　2 智能化斷路器的簡介　

　　智能化斷路器綜合了現(xiàn)代高電壓零飛弧技術(shù)、電子技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)及其軟件技術(shù)等, 采用模塊化結(jié)構(gòu), 完全突破了傳統(tǒng)斷路器的許多不足, 集保護(hù)、測量、監(jiān)控于一體。除了具備過載、過流、速斷、漏電、接地等常規(guī)控制、保護(hù)、報(bào)警、整定功能外, 同時(shí)還具備人機(jī)對(duì)話顯示、存儲(chǔ)、記憶、邏輯分析、判斷和選擇以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能。能夠?qū)崟r(shí)地顯示溫度、電流、電壓、功率因數(shù)、有功、無功等各種特征參數(shù)并進(jìn)行故障參數(shù)、類型的儲(chǔ)存,具有自診斷能力, 從而為運(yùn)行維護(hù)人員進(jìn)行相應(yīng)的信息查詢和故障判斷處理提供現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行資料, 為系統(tǒng)運(yùn)行方式的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。通過其所具備的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可以使多臺(tái)智能化斷路器實(shí)現(xiàn)與中央控制計(jì)算機(jī)雙向通訊, 構(gòu)成智能化的供配電系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)“四遙”功能, 為無人化站所和實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)鎖、遠(yuǎn)方監(jiān)控、運(yùn)方調(diào)整等創(chuàng)造必要的設(shè)備技術(shù)保障。

　　3 斷路器智能化技術(shù)的構(gòu)成及其工作原理

　　智能化斷路器中智能化技術(shù)的應(yīng)用核心是集保護(hù)、測量、監(jiān)控于一體的多功能脫扣器, 它主要由微處理器單元、信號(hào)檢測采集單元、開關(guān)量輸入單元、顯示和鍵盤單元、執(zhí)行輸出單元、通信接口、電源等幾個(gè)部分組成。如圖1 所示?！?/span>

　　其各部分的工作原理如下:

　　3.1 微處理器單元

　　單片機(jī)以其高性價(jià)比和可靠性成為智能化斷路器智能控制系統(tǒng)的首選。微處理器單元由高性能的自帶A/D 轉(zhuǎn)換、看門狗監(jiān)視器、I2C 串行總線和高速輸入輸出通道、通訊接口和標(biāo)準(zhǔn)的JTAG 程序燒寫口的單片機(jī)及其外圍電子電路組成。配以優(yōu)化的軟件, 組成的單片機(jī)控制系統(tǒng)所需外圍元件少, 使得設(shè)計(jì)簡單, 布線方便, 而且在穩(wěn)定性和抗干擾能力上都有極大的提高。

　　各交流量分別經(jīng)信號(hào)輸入回路、低通濾波器送到CPU 控制的多路開關(guān), 經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后, 由DB 數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM） 。CPU 通過調(diào)用程序存儲(chǔ)器（ EPROM） 中的程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算, 其計(jì)算結(jié)果與存放在電可擦存儲(chǔ)器（ E2PROM）中的整定值進(jìn)行比較, 作出相應(yīng)的故障判斷處理。再通過輸入輸出端口（ I/O） 將處理信號(hào)送到相應(yīng)外設(shè)（ 信號(hào)與出口） 發(fā)出報(bào)警信號(hào), 或執(zhí)行跳閘。微處理單元除了要完成整個(gè)系統(tǒng)的測量、保護(hù)、邏輯等功能外, 還具有自我故障診斷和監(jiān)察的能力,當(dāng)斷路器本身發(fā)生故障或環(huán)境溫度超過允許范圍時(shí), 能發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)顯示或報(bào)警, 同時(shí)重新起動(dòng)。自診斷的項(xiàng)目主要有EPROM出錯(cuò)、A/D 轉(zhuǎn)換出錯(cuò)、環(huán)境超溫、CT 斷線、跳閘線圈斷線、斷路器拒動(dòng)及觸頭維護(hù)。微處理單元的自診斷功能不僅大大提高了斷路器的運(yùn)行可靠性, 更給后期維修、故障判斷工作提供了極大的方便。　

　　3.2 信號(hào)檢測采集單元

　　信號(hào)檢測采集單元作為智能化斷路器十分重要的組成部分, 要求有高的轉(zhuǎn)換精度、靈敏度、可靠性、頻率響應(yīng)、測量范圍以及抗干擾能力, 以便微處理單元能夠作出精確的判斷處理。因此, 信號(hào)檢測采集單元將保護(hù)信號(hào)和測量信號(hào)分別取自不同類型的電流互感器, 以滿足保護(hù)和測量的要求。在測量大電流（ 短路電流） 時(shí)基本上都采用線性度好、精確度高的空心電流互感器進(jìn)行保護(hù)信號(hào)的檢測; 而小電流及電參數(shù)的檢測則采用鐵芯互感器; 測量和保護(hù)用的電壓信號(hào)則由電壓互感器獲得。上述信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理電路后, 便能將主回路中的電壓及電流信號(hào)線性的轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路和單片機(jī)可處理的電平信號(hào),經(jīng)單片機(jī)分析判斷后發(fā)出信號(hào)或控制斷路器的動(dòng)作?！　?/span>

　　根據(jù)電流、電壓的采樣值,還可利用不同的算法計(jì)算出相應(yīng)的電壓、電流的有效值、有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)、電能等參數(shù), 實(shí)現(xiàn)各種表計(jì)功能, 對(duì)降低成本, 簡化布線, 提高低壓配電的可靠性大有益處?！?/span>

　　3.3 開關(guān)量輸入單元　

　　為了滿足控制邏輯的需要, 單片機(jī)內(nèi)部具有的高速輸入通道（HSI）和高速輸出通道（HSO）,可以很方便地用于開關(guān)量的輸入與輸出, 便于上位機(jī)的監(jiān)視和操作控制。開關(guān)量的輸入主要是斷路器的輔助接點(diǎn)狀態(tài), 經(jīng)過光電隔離可以很方便地輸入CPU 中,以此判斷斷路器的狀態(tài)。

　　3.4 顯示和鍵盤單元　　

　　在智能化設(shè)備中, 不僅要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制, 還要能把相關(guān)信息傳遞給操作運(yùn)行人員, 還要能夠接受外部輸入并做出響應(yīng)。良好的用戶界面是人機(jī)對(duì)話所不可缺少的, 靈活的鍵盤管理及直觀的信息顯示給用戶提供了極大的便利。通過液晶屏或發(fā)光管能夠適時(shí)顯示各種狀態(tài)和負(fù)載的參數(shù)值及故障電流、故障類型和保護(hù)動(dòng)作、試驗(yàn)整定情況, 結(jié)合按鍵還可以進(jìn)行保護(hù)的整定、預(yù)警值的設(shè)定、開關(guān)的試驗(yàn)和各種功能的檢測。