單片微機及電子交流無觸點開關(guān)在低壓智能型配電柜設(shè)計中的應(yīng)用

1、單片微機及電子交流無觸點開關(guān)在低壓 (0.4KV) 智能型配電 柜設(shè)計中的應(yīng)用 摘要 :本文主要介紹了單片微機及電子交流開關(guān)在低 壓(0.4KV)智能型配電柜設(shè)計中的應(yīng)用，重點介紹了智能型配 電柜的控制原理、關(guān)鍵部件 -大功率電子交流無觸點開關(guān)的 工作特性和作用。 關(guān)鍵詞 :單片微機 ;電子交流開關(guān) ;智能化 ;控制柜 1 概述 電力是各行各業(yè)用電單位的生產(chǎn)和生活資料。電力供應(yīng) 的安全、可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟 ,是 用電單位追求的目標(biāo)。電力經(jīng)過發(fā)電廠以高壓輸送到變 電站進行變壓后再輸送到用電單位 ,用電單位根據(jù)用電要求 , 通過自備變壓器最后一次進行變壓 ,再通過計量及配電裝置 進入用電設(shè)備。絕大多

2、數(shù)用電設(shè)備是低壓用電,如 0.4KV 級。 一般單位都設(shè)有低壓配電室 ,配電室裝有配電柜、 補償柜、 饋 電柜等裝置 ,對電能進行計量、分配、控制、保護、調(diào)節(jié)和監(jiān) 視等。而配電柜和饋電柜是配電系統(tǒng)中最常見的低壓電器。 這類電器 ,我國在 60 至 80 年代都是仿造蘇聯(lián)的產(chǎn)品 ;80 年代 后,引進外國技術(shù)進行吸收改造國產(chǎn)化。目前國內(nèi)生產(chǎn)的抽出 式和固定面板式配電柜都不是智能化、 無觸點化產(chǎn)品 ,存在故 障分?jǐn)嗫煽啃暂^差 ,易熔焊 ,產(chǎn)生故障無法形成孤島效應(yīng)而會 影響一大片 ,并且故障難以查找 ,沒法實現(xiàn)遙控、遙測、遙調(diào)、 遙信 ,額定電流參數(shù)無法在容量內(nèi)設(shè)定 ,用電狀況參數(shù)無法通 過指針式儀

3、表全面顯示和了解 ,安全性較差。 根據(jù)傳統(tǒng)型配電柜的存在問題和技術(shù)進步的趨勢,我司 從市場需求出發(fā) ,采用功率強大的 PIC 單片微機作控制主機 和 KP 系列大功率晶閘管作為無觸點開關(guān) , 研發(fā)成功了智能型 無觸點開關(guān)低壓成套配電柜 ,經(jīng)過四代改進設(shè)計和試用 ,表現(xiàn) 出本產(chǎn)品具有顯著的優(yōu)良特性。 2 單片微機和電子交流無觸點開關(guān)在低壓配電柜中的 應(yīng)用 本智能型低壓配電柜的單片微機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所 示: 由圖 1 所見 ,本產(chǎn)品是一種新型的低壓配電裝置 ,組成是 : 控制部分以單片微機做主機的硬件電路板,所述主機還配置 有自行編程的控制軟件和應(yīng)用軟件 ;具有數(shù)據(jù)采集輸入口、 數(shù) 據(jù)控制

4、輸出口、上位機和從位機聯(lián)絡(luò)的通信口、人機對話輸 入口（鍵盤 ）、用作顯示口的液晶顯示屏、系統(tǒng)故障報警器及 數(shù)據(jù)輸出打印口等。 本產(chǎn)品中的所有各項電氣參數(shù) ,均屬于微 機自動檢測、自動控制、自動保護、自動整定,并由晶閘管電 子交流無觸點開關(guān)實現(xiàn)全自動無觸點化控制管理。由單片微 機做主機構(gòu)成的計算機實時監(jiān)督控制系統(tǒng),具有快速反應(yīng)阻 斷控制 ,數(shù)字表精確度達 0.5-1 級,數(shù)據(jù)顯示量達到 15 種 ,從而 構(gòu)成了一個全新的信息化實時監(jiān)督控制以及無觸點開關(guān)的 低壓配電系統(tǒng)。 用電數(shù)據(jù)顯示部分 ,經(jīng)數(shù)據(jù)采集后 ,通過轉(zhuǎn)換傳送給液晶 顯示屏 ,同時顯示 15 種電氣參數(shù) ,既全面又直觀準(zhǔn)確。顯示部 分通

5、過接口與主機實行數(shù)據(jù)交換 ,顯示部分全為數(shù)字化方式。 在數(shù)據(jù)采集過程中 ,編制有數(shù)據(jù)采集模塊 ,該模塊具有 12 個高 速數(shù)據(jù)采集通道 ,可在微秒級內(nèi)完成一個 12位數(shù)（二進制 ）的 采集 ,因此具有快速、準(zhǔn)確、量大的特性。 如圖 2所示 ,數(shù)據(jù)輸出控制部分是由晶閘管無觸點開關(guān) 與交流接觸器并聯(lián)構(gòu)成 ,可在毫秒級內(nèi)對系統(tǒng)的供配電實行 通斷及保護控制。系統(tǒng)對故障處理具有毫秒級的自動控制保 護功能。 系統(tǒng)在軟件的控制下 ,通過晶閘管組成的電子交流開 關(guān),具有完善的保護功能?？刂撇糠秩珵橹悄芑Ｗo,主系統(tǒng) 可對 24 個從控系統(tǒng)實行全面監(jiān)控 ,系統(tǒng)可在毫秒級內(nèi)對從控 系統(tǒng)實行自動控制分離。系統(tǒng)在故障

6、處理上能及時報警、快 速自動保護及即時打印輸出。系統(tǒng)還可以打印各種報表和曲 線。本產(chǎn)品設(shè)有 35 鍵鍵盤輸入口 ,它與主機用串行口聯(lián)接 ,操 作人員可在鍵盤輸入數(shù)據(jù)或檢查各種電氣參數(shù)。這些電氣參 數(shù)可在液晶屏上顯示。 由于本產(chǎn)品系統(tǒng)功能強大 ,因而操作起 來方便。例如 ,本產(chǎn)品若作為廠區(qū)低壓供電變壓器 低壓側(cè)出口的主控制柜 ,而操作人員僅需將變壓器的容 量用十進制數(shù)從鍵盤輸入 ,再將系統(tǒng)電流互感器變比輸入 ,然 后,一系列的保護參數(shù)便由系統(tǒng)自動整定了。 通過人機對話鍵 盤,系統(tǒng)電流參數(shù)可實現(xiàn)在線無級整定。 在整定范圍內(nèi)的所有 任意一個整定電流 ,均屬于系統(tǒng)“安 -秒曲線”的控制及保護 范疇。以

7、 2000A 額定電流的低壓配電柜為例 ,用戶設(shè)定電流 可按實際需要從 200A 至 2000A 范圍內(nèi)任意整定。 因此 ,一臺 配電柜的應(yīng)用范圍就很方便地擴大了。 本產(chǎn)品能為電力系統(tǒng)實行微機控制聯(lián)網(wǎng)管理、集中調(diào)度 電力提供了技術(shù)條件。系統(tǒng)具有遠距離通信能力。因此它可 與上位機 （上一級配電控制系統(tǒng) ）實行相互交換數(shù)據(jù) ,并可與下 一級各“從機”交換數(shù)據(jù) ,即能達到遙控、遙側(cè)、遙調(diào)、遙信 , 如用電單位配電控制室的集中控制管理和供電部門對用電 戶的遠程電力調(diào)度和管理 ,從而實現(xiàn)整個配電網(wǎng)絡(luò)集中自動 控制和科學(xué)化管理 ,極大地提高了電網(wǎng)的管理能力和安全可 靠性。上位機和下位機的通信方式可采用現(xiàn)有

8、技術(shù)處理,例如 : 采用專用的數(shù)據(jù)通信總線、現(xiàn)有電話系統(tǒng)等通信手段。 3 電子交流無觸點開關(guān)的工作原理與作用 從圖 3 可見 ,交流 380V 進線電源經(jīng)過低壓斷路器 ,從快速 熔斷器出來再由濾波電容器進行濾波 ,同時經(jīng)壓敏避雷器進 行保護 ,再將電源送至大功率晶閘管電子交流無觸點開關(guān)。此 時晶閘管與交流接觸器并聯(lián)連接 ,起著復(fù)合控制作用。 進來的 電源經(jīng)此開關(guān)控制后 ,直接輸出至用戶用電負(fù)載。 為了進一步 對電源濾波和防止高電位進入到負(fù)載 ,因而從開關(guān)下口出來 , 再經(jīng)過濾波處理和過電壓保護 ,能確保用電負(fù)載的穩(wěn)定性和 可靠性。為確保微機對電流采樣的準(zhǔn)確性,從開關(guān)出來 ,經(jīng)過 電流變換的處理

9、 ,既裝了測量電流互感器 ,還加裝了保護電流 互感器。因此 ,系統(tǒng)對過流及短路的保護是相當(dāng)可靠而準(zhǔn)確 的。 本產(chǎn)品是新一代的全智能化、無觸點化、網(wǎng)絡(luò)化的新型 低壓配電系統(tǒng)。它的智能化是由單片微機構(gòu)成的多機系統(tǒng) , 即采樣部分、鍵盤管理部分、控制部分、顯示部分均由單獨 的單片微機進行數(shù)據(jù)處理 ,然后經(jīng)過通信方式與主機進行數(shù) 據(jù)交換 ,以實現(xiàn)系統(tǒng)全面的 ,快速的 ,準(zhǔn)確的實時監(jiān)督和控制。 它具有連續(xù)數(shù)字顯示、 自動計量 （ 系統(tǒng)的有功電度和無功電度 并能分時計度 ）、自動保護 （超壓、低壓、過流、過載、短路、 超溫等 ）、自動控制等功能。 微機控制技術(shù)代替了傳統(tǒng)式的機 電儀器儀表 ,從而實現(xiàn)了低壓

10、配電系統(tǒng)的全智能化。 它的無觸點化是采用大功率晶閘管和大功率交流接觸 器并聯(lián) ,組合成無觸點復(fù)合開關(guān)而實現(xiàn)。 晶閘管為半導(dǎo)體電子 器件 ,通過門極控制信號 ,采取過零觸發(fā) ,以完整的正弦波向電 網(wǎng)供配電 ,從而代替了傳統(tǒng)的有觸點開關(guān)低壓斷路器。系統(tǒng)采 用晶閘管作無觸點開關(guān)控制后 ,大大提高了系統(tǒng)的配電質(zhì)量 , 抑制了用電設(shè)備在開、 停過程中所產(chǎn)生的沖擊電流和過電壓 , 使配電系統(tǒng)更加安全、 更為可靠。 眾所周知 ,電網(wǎng)的諧波污染 , 大部分是來自用戶用電設(shè)備的開、停而引起。采用晶閘管作 為控制開關(guān) ,電壓采取過零觸發(fā) （即過零導(dǎo)通 ）和電流過零關(guān)斷 從根本上杜絕了大電流對電網(wǎng)的沖擊和過電壓的出

11、現(xiàn)。 因為 , 用電設(shè)備控制在零電壓開通 ,此時電流也從零開始 ,根本不存 在大電流的沖擊。 若電壓不是過零導(dǎo)通 ,其余任何時刻導(dǎo)通都 會出現(xiàn)電流的沖擊 ,不外乎是大小而已。 關(guān)于過電壓對電網(wǎng)的 污染 ,主要出自電感性負(fù)載 ,一旦電流突然中斷 ,儲能設(shè)備的電 感將產(chǎn)生極大的反電勢 ,因而對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的過電壓沖擊。 按反電勢產(chǎn)生的公式 :e=-Mdi/dt, e 為反電勢 ,-M 為常數(shù) （與電 壓方向相反 ）,di/dt 為電流的突變量。當(dāng)晶閘管采用電流零時 關(guān)斷 ,此時再大的電感性負(fù)載 ,其產(chǎn)生的反電勢也為零 ,因為 di/dt=0 。根本不存在過電壓問題。由于晶閘管為半導(dǎo)體電子 器件 ,

12、其電流為器件內(nèi)部電流 ,根本不屬于金屬間接觸電流 ,因 而晶閘管稱為無觸點開關(guān)。 在本產(chǎn)品中 ,我們采用的是大功率 晶閘管與交流接觸器并聯(lián)組合 ,成為一個新型的組合開關(guān)。 它 有如下特點 : 3.1 交流接觸器為金屬接觸式電流 ,兩觸頭間易產(chǎn)生 熔焊及火花甚至拉弧 ,拉弧嚴(yán)重時更易造成相間短路 ,引發(fā)供 電事故。其優(yōu)點是 ,兩金屬觸頭間接觸阻抗很低 ,因此 ,工作時 耗能低 ,不易發(fā)熱。 3.2 晶閘管是非接觸式開關(guān) ,導(dǎo)通時為器件內(nèi)部電子流 ,不 存在接觸問題 ,更無拉弧與火花出現(xiàn) ,并且開關(guān)速度快 ,可頻繁 操作。由于它為可控器件 ,在開、 關(guān)的過程中完全不存在電流 沖擊和過電壓干擾。其缺

13、點 : 在導(dǎo)通時有一定的器件壓降 ,因 而工作時具有一定的能量消耗。 3.3 兩者組合后 ,并聯(lián)成一個新的開關(guān) ,取其兩者的優(yōu)點 , 克服各自的缺點。在導(dǎo)通時 ,晶閘管先導(dǎo)通 ,交流接觸器后接 通。斷開時 ,交流接觸器先斷開 ,晶閘管后斷。在平時工作接 通期間 ,名為兩者均導(dǎo)通 ,實際上因為交流接觸器阻抗遠小于 晶閘管的阻抗 ,所以絕大部分負(fù)載電流均由接觸器承載。 因此 , 晶閘管不需要加特殊散熱裝置。 3.4 通過無觸點開關(guān)與交流接觸器的并聯(lián)組合,在低壓配 電柜中代替了傳統(tǒng)式的低壓斷路器。這不但可通過大電流 , 一方面具有傳統(tǒng)式的低功耗優(yōu)點 ,而且具有現(xiàn)代型電子式無 觸點開關(guān)的優(yōu)點。它是我們

14、研發(fā)的新一代現(xiàn)代型和傳統(tǒng)型相 結(jié)合的新型開關(guān)。 4 智能型電子交流開關(guān)低壓 (0.4KV) 成套配電柜的功能 與特點 我們研發(fā)的此智能型新產(chǎn)品 ,遵循國家供配電的技術(shù)標(biāo) 準(zhǔn) GB7251-2005 低壓成套開關(guān)設(shè)備 ,同時參照國際配電裝 置的標(biāo)準(zhǔn) IEC439 。其功能特點是 : 4.1 全智能化 :配電系統(tǒng)中的各項電氣參數(shù)均屬于微機自 動檢測、自動控制、自動保護、自動計量、自動整定,并由晶 閘管電子無觸點開關(guān)實現(xiàn)全自動無觸點化控制管理;由單片 微機做主機 ,構(gòu)成一個全新的計算機信息化實時監(jiān)督、 控制系 統(tǒng),具有快速反應(yīng)阻斷控制功能。 產(chǎn)品采用晶閘管電子交流無觸點開關(guān)與交流接觸器并 聯(lián)組合 ,

15、實現(xiàn)無觸點化控制 ,替代了傳統(tǒng)的低壓斷路器 ,使配電 柜主電路操作系統(tǒng)不存在電弧、 觸點磨損和熔焊等問題 ,同時 減少系統(tǒng)功耗。 4.2 顯示數(shù)字化 :各種電氣參數(shù)通過主機進行數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理后傳給液晶顯示屏 ,可同時連續(xù)顯示 15 種電氣參數(shù) 如:ABC三相線電壓、ABC三相線電流、系統(tǒng)三相相功率因 數(shù) ,系統(tǒng)最大需量值、系統(tǒng)有功功率、系統(tǒng)無功功率、系統(tǒng)有 功電度數(shù)、系統(tǒng)無功電度數(shù)、系統(tǒng)全天候時鐘。系統(tǒng)鍵盤能 顯示 11 項內(nèi)容。我們還設(shè)計一個按鈕 ,能操作顯示屏進入休 眠保護狀態(tài) ,需要顯示時再打開 ,可大大延長顯示屏的使用壽 命。 4.3 控制保護智能化 :系統(tǒng)具有完善的保護及控制功

16、能,包 括超壓和低壓保護、電流過載保護、短路電流短延時保護、 短路電流速斷保護 ;可實行無級電流連續(xù)整定 ;并可實行分時 計度、計算、制表及打印等功能。系統(tǒng)對故障處理具有毫秒 級的自動控制和保護功能 ,能及時報警 ,快速自動保護及即時 打印 ,把故障點的故障數(shù)據(jù)及發(fā)生時間即時打印輸出,提供查 找和處置。在保護功能設(shè)置中 ,我們配置了低壓斷路器保護、 無觸點開關(guān)保護、微機控制保護的三重保護。當(dāng)用戶出現(xiàn)用 電故障時 ,形成“適應(yīng)性自成孤島效應(yīng)” ,對電網(wǎng)及其它用戶 不產(chǎn)生任何影響。 本產(chǎn)品用數(shù)據(jù)采集模塊進行數(shù)據(jù)采集,該模塊具有 12 路 高速數(shù)據(jù)采集通道 ,可在微秒級內(nèi)完成一個 12 位數(shù)（二進制

17、 ） 的采集。 由晶閘管無觸點開關(guān)構(gòu)成數(shù)據(jù)輸出控制,可在毫秒級 內(nèi)對供配電系統(tǒng)進行通斷保護控制。 4.4 管理網(wǎng)絡(luò)化 : 我們在產(chǎn)品系統(tǒng)中設(shè)置有異步通信接口 能對上位機和下位機進行通信 ,使電力系統(tǒng)能實行微機聯(lián)網(wǎng) 管理、 集中調(diào)度和控制 ,實現(xiàn)區(qū)域甚至全國網(wǎng)絡(luò)化管理。 對用 電規(guī)模較大的用電戶來說 ,能很方便地實現(xiàn)單位用電集中管 理、控制和測算。 4.5實現(xiàn)人機對話 :如圖 5 所示,由 35 鍵鍵盤作為數(shù)據(jù)輸 入口 ,它與主機通信接口聯(lián)接 ,操作人員可在鍵盤上輸入數(shù)據(jù) 或檢查各種電氣參數(shù)。 這些電氣參數(shù)可在液晶屏上顯示 ,有利 于用電用戶方便地了解用電情況。 4.6 提高用電系統(tǒng)的穩(wěn)定性 :本產(chǎn)品以晶閘管和交流接觸 器組成電子式交流無觸點開關(guān) ,取代了傳統(tǒng)式的有觸點開關(guān) 低壓斷路器 ,使電路在開、 關(guān)過程中避免出現(xiàn)大的電弧干擾和 損壞 ,從而提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性 ,延長了控制系 統(tǒng)的使用壽命 ,同時也有效地抑制了用電設(shè)備所產(chǎn)生的涌浪 電流和過電壓對用電系統(tǒng)的影響 ,使配電系統(tǒng)更為安全和可 靠。如圖 4 所示 ,在柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計上 ,我們還按電磁兼容要求 進行了有關(guān)組件的安裝布置 ,通過國家有關(guān)部門的全面檢測 , 達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求