低压断路器智能脱扣器的设计与实现

,(湖南工程学院,411101):智能化开关设备是在传统开关设备中引入计算机技术、数字处理技术和通信技术而形成的新一代开关设备。本文介绍了低压断路器智能脱扣器的设计方案和具体实现方法,这种智能脱扣器具有测量、保护、通信和断路器状态在线监测等功能。文中着重阐述了硬件系统的原理和具体电路,并对软件设计要点进行了介绍。:低压断路器;智能脱扣器;测量;保护:TM561:B:1004-0420(2004)03-0008-03DesignandimplementonintellectualizedreleaseoflowvoltagecircuitbreakerHUANGShao-ping,LIYong-jian(HunanInstituteofEngineering,411101)Abstract:Intellectualizedswitchgearisanewgenerationswitchgears,whichsyncretizesmicrocomputertechnology,digi2talprocessingtechnology,andcommunicationtechnology.Inthispaper,adesignprojectandtheimplementmethodsforthein2tellectualizedreleaseoflowvoltagecircuitbreakerareintroduced.Thiskindofintellectualizedreleasehavesomefunctions,suchasmeasurement,protection,communicationandon-linemonitoringforthestatusofcircuitbreaker.Theprincipleofitshardwaresystemandthedetailedcircuitsareexplained,andthedesignpointsofsoftwareareoffered.Keywords:lowvoltagecircuitbreaker;intellectualizedrelease;measurement;protection0引言低压断路器(又称自动空气开关)是低压电网中一种重要的控制电器和保护电器,应用非常广泛。低压断路器一般由触头系统、灭弧装置、脱扣器和操动机构等4部分组成。其中,脱扣器是低压断路器的检测和故障处理单元,它对被保护电路进行电参数的检测和判断,决定断路器是否动作和如何动作。传统的低压断路器采用电磁式和热式脱扣器,其动作精度低,动作值整定困难;而且,为了获得不同的保护特性,要配置不同的脱扣器。随着配电自动化的发展,使用传统脱扣器的低压断路器已不能适应新的要求。于是,运用计算机技术、数字信号处理技术和通信技术的智能脱扣器成为国内外开关电器行业的研究开发热点。智能脱扣器也叫做智能控制器或智能控制/保护单元,它一般具有以下功能:a.包括电流三段保护(长延时过电流、短延时过电流、瞬时短路)、单相接地故障保护、欠压保护等,而且保护参数可设定;b1可测量电流、电压、频率、有功功率、无功功率、功率因数、电能等各种电量,并可以显示;c1例如:¹断路器操作次数统计)))监测断路器是否达到规定机械寿命次数或达到需要进行维修的次数;º开断电流加权值)))间接监测断路器触头的电磨损,预测其剩余电寿命;d1智能脱扣器与配电自动化系统的主控计算机(上位机)进行通信,一方面,上传电参数测量值、断路器工作状态(断开还是闭合)、故障信号、断路器自诊断信息等;另一方面,上位机可对断路器进行遥控(断路器分、合闸)、遥测、遥调(调整保护整定值)、遥信的/四遥0功能。目前,世界上各大开关电器制造商均推出了智能型低压断路器(装有智能脱扣器的断路器),如ABB公司的F系列,施耐德公司的M系列,西门子公司的3WN系列和3VF系列,三菱公司的AE系列等,这些产品均在国内有所应用。国内一些电器厂家也推出)8)机床电器2004.3#)))低压断路器智能脱扣器的设计与实现了引进技术的智能型低压断路器,如M系列、DW45系列、DW48系列等。本文设计了一种低压断路器智能脱扣器。以下对其硬件系统、具体电路和软件设计进行介绍。1硬件系统的设计与实现方法1.1本文所设计的智能脱扣器由单片机基本系统单元、模拟信号检测单元、开关量输入单元、执行电路、通信接口、人机接口、电源等部分组成,其原理框图如图1所示。1智能脱扣器工作时,检测来自电流互感器(TA)和电压互感器(TV)的电流、电压信号,并将其进行滤波和采样处理,由单片机芯片(87C196KC)内部的模数转换器(ADC)转化为数字信号。CPU对采集到数据进行运算和逻辑判断,测量值由液晶显示器(LCD)进行显示;若判断到主电路发生故障,则根据相应的保护特性,发出跳闸脉冲,由执行电路驱动断路器动作。输入CPU的开关量主要是断路器的辅助接点状态,以此判断断路器是断开的还是闭合的,开关量经过光电隔离可以很方便地输入CPU中。串行通信接口采用RS-485标准,它可以与上位机连接和通信。1.2单片机基本系统由CPU及扩展的存储器组成。CPU选用高性能的Intel87C196KC芯片[1]。87C196KC是16位的单片机,其运算速度快(主频可运行到20MHz),片内有512B数据存储器RAM和16KB程序存储器。后者可用于固化应用程序,具有4个高速输入通道(HSI)和4个高速输出通道(HSO),可用于开关量的输入与输出,而且HSO能产生和输出宽度与周期均可调的PWM(脉宽调制)信号,片内有8个模拟量输入通道(P0:ACH0~ACH7)以及多路转换器、采样保持器和1个10位A/D转换器。本系统在CPU外扩1片6264A(8KB)RAM,用于记录故障发生前后电流波形数据。尽管87C196KC片内有16KB的程序存储器,但由于应用程序较大,16KB容量不敷使用,所以外扩1片2764A(8KB)EPROM程序存储器。另外扩展1片串行EEPROM存储器X25043芯片,其内部集成了Watchdog定时器、上电复位控制器和512B容量的EEPROM,其EEPROM用于存储保护整定值等运行参数,可以重新写入。1.3模拟信号包括低压电网的电流、电压和接地故障电流。与高压电网不同,低压断路器不可能采用标准电流互感器和标准电压互感器,而是采用小型的空心互感器或铁芯互感器,将它们直接接在低压线路上来获取电流和电压信号。由于电流变化范围很大,低压电网的短路电流比正常负荷电流大得多,而接地电流却很小,因此本方案中对大电流信号和小电流信号采用不同的电流互感器来获得,即大电流信号从空心互感器得到,小电流信号从铁芯互感器得到。空心互感器(Rogowski线圈)直接套在低压线路上,由于没有铁芯,所以在电流较大时不会出现磁饱和,测量范围大,在几十安到几万安的电流范围内,都能保持良好的线性度,所以它作为过负荷电流和短路电流的检测是很合适的。但是,空心互感器在测量小电流时输出信号小,使得采样和A/D转换误差大,测量精度低,因此采用铁芯互感器对电参数进行测量。保护信号和测量信号来自不同的电流互感器就兼顾了电流的检测精度和范围。接地故障电流信号的取得,可在低压线路中性线上接一个铁芯互感器测得中性线电流IN,则接地电流IG为:IG=IA+IB+IC-IN(1)当IG不为零时,说明发生了接地。接地电流较小,需要将信号放大。要说明的是,不能根据IN是否为零来判断是否发生了接地故障,因为当三相电流不平衡时也有中性线电流。电压信号由电压互感器获得,作为测量和欠压、失压保护。)9)#)))低压断路器智能脱扣器的设计与实现机床电器200413以上信号经过模拟滤波后进入87C196KCCPU内的模/数转换单元,87C196KC芯片内置有多路电子开关、采样保持器和一个10位的8通道ADC,由ADC转换为数字信号。1.4智能脱扣器实时检测和处理过负荷、短路和接地等故障信号,按预先设计好的保护特性要求,控制执行元件分断断路器,达到保护的目的。执行元件采用带永磁保持的电磁铁,正常工作时由永磁体保持吸合状态。动作时,执行电路接收CPU发出的脉冲控制信号,脉冲电流流过线圈产生反向磁通,抵消永磁体磁通,由执行元件中的反力弹簧推动动铁芯,带动断路器分断。其脱扣执行电路如图2所示。2图2中,当低压线路正常运行时,CPU来的信号为高电平,比较器N1、N2和N3输出均为低电平,单稳电路处于稳态,复合管VT截止,执行元件线圈Q无电流通过。当CPU发出断路器跳闸脉冲(负脉冲)后,N1输出正的方波脉冲,N2也应该输出正的脉冲,但由于N2输出端接有电容C,所以N2给电容C充电,电容上电压逐渐升高,充电时间约2ms。因此,来自CPU的跳闸脉冲宽度应大于2ms(实际取为4ms)。N2输出端接的R7、C起抗干扰作用,当有很窄的干扰正脉冲到来时,因C充电需要一定的时间,干扰脉冲就不起作用。当接到比较器N3的同相端(+)的电容C上的电压超过反相端(-)电压时,N3输出高电平,触发单稳电路,单稳电路输出3~6ms宽的正脉冲,加到复合管VT上,VT导通,有电流流过线圈Q,断路器跳闸。1.5本设计方案中采用双电源供电方式,只要其中任何一路电源正常工作,即可可靠给智能脱扣器供电。一路电源为自生电源,用速饱和铁芯电流互感器从主电路感应获得电源。但是,该电源在主电路电流较小时不能工作。另一路电源为辅助电源,由外部提供,它不仅在主电源不能工作时提供电源,还可在断路器断开(主电路停电)的情况下,使智能脱扣器继续工作,如参数整定、状态显示、通信。1.6采用RS-485串行通信方式,其最大通信距离为1200m,此时的数据传输速率为100kbps;如果通信距离为120m,则数据传输速率可达到1Mbps。为了简化通信机制,采用只有2条信号线的最简型连接,单片机输出的TTL逻辑电平通过光电隔离后,由MAX485芯片转换为RS-485电平。其具体电路与实现方法参考文献[2]。1.7智能脱扣器的抗干扰能力在很大程度上决定断路器能否正常工作和动作的准确性和可靠性。在硬件设计中采用电源滤波、屏蔽、隔离和接地等,软件设计上采用数字滤波技术、软件陷阱和watchdog等技术。本系统采用了1片串行EEP2ROM存储器芯片X25043,其内部集成了Watchdog定时器、上电复位控制器,通过简单的编程可以在程序运行失控或陷入死循环时,使系统复位并重新启动。2软件设计软件设计主要分为两部分:主程序和中断程序。主程序包括:数据采集与计算;故障的逻辑判断、保护特性与跳闸脉冲输出;键盘扫描和液晶显示的处理;通信数据的接收、处理与发送等子程序。中断程序包括:定时器中断、键盘中断、通信中断等。对于低压电网的测量与保护,每周波(对于基波)模拟量的采样点数可为12点,16点,20点或24点,即采样间隔Ts在0.8~1.8ms之间。本方案用单片机以1ms的时间间隔对电流信号进行采样,采样周期由定时器提供,每一周波采集20个采样点。由采样数据按下式计算出电流有效值:I=1NEN-1k=0i2k(2)式中:N为每周波采样点数(N=20);ik为电流第k次离散采样值。根据计算出的电流有效值,如果电流超过预先设定的瞬时动作电流,立即由CPU(21))10)机床电器2004.3#)))低压断路器智能脱扣器的设计与实现增量式PID算法输出的是增量值$u(n),当系统发生故障或停电时,输出突然下降为零。此时只对本次输出增量有影响,而不会对系统造成大的危害。因为步进电机具有保持作用,仍保留着上一次输出值所对应的转角,不致使刀架作大幅度位移,从而保证工件不被损坏。为使编程简便,不妨将增量式PID算式(4)合并同类项,从而得:$u(n)=Ae(n)+Be(n-1)+Ce(n-2)(6)比较式(4)和式(6)得:A=kp(1+TTI+TDT)B=-kp(1+2TDT)C=kpTDTA,B,C三系数可预先设计计算好,并存入相应单元中。根据式(6)和图4,可画出增量式PI