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

1、單片微機(jī)及電子交流無觸點(diǎn)開關(guān)在低壓 (0.4KV) 智能型配電 柜設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 摘要 :本文主要介紹了單片微機(jī)及電子交流開關(guān)在低 壓(0.4KV)智能型配電柜設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，重點(diǎn)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(diǎn)開關(guān)的 工作特性和作用。 關(guān)鍵詞 :單片微機(jī) ;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(jì) ,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(jìn)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(jìn)行變壓 ,再通過計(jì)量及配電裝置 進(jìn)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(jí)。 一般單位都設(shè)有低壓配電室 ,配電室裝有配電柜、 補(bǔ)償柜、 饋 電柜等裝置 ,對(duì)電能進(jìn)行計(jì)量、分配、控制、保護(hù)、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(guó)在 60 至 80 年代都是仿造蘇聯(lián)的產(chǎn)品 ;80 年代 后,引進(jìn)外國(guó)技術(shù)進(jìn)行吸收改造國(guó)產(chǎn)化。目前國(guó)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(diǎn)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(huì) 影響一大片 ,并且故障難以查找 ,沒法實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)、遙調(diào)、 遙信 ,額定電流參數(shù)無法在容量?jī)?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(jìn)步的趨勢(shì),我司 從市場(chǎng)需求出發(fā) ,采用功率強(qiáng)大的 PIC 單片微機(jī)作控制主機(jī) 和 KP 系列大功率晶閘管作為無觸點(diǎn)開關(guān) , 研發(fā)成功了智能型 無觸點(diǎn)開關(guān)低壓成套配電柜 ,經(jīng)過四代改進(jìn)設(shè)計(jì)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(jī)和電子交流無觸點(diǎn)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(jī)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(jī)做主機(jī)的硬件電路板,所述主機(jī)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(jī)和從位機(jī)聯(lián)絡(luò)的通信口、人機(jī)對(duì)話輸 入口（鍵盤 ）、用作顯示口的液晶顯示屏、系統(tǒng)故障報(bào)警器及 數(shù)據(jù)輸出打印口等。 本產(chǎn)品中的所有各項(xiàng)電氣參數(shù) ,均屬于微 機(jī)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制、自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)整定,并由晶閘管電 子交流無觸點(diǎn)開關(guān)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無觸點(diǎn)化控制管理。由單片微 機(jī)做主機(jī)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)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(dá) 0.5-1 級(jí),數(shù)據(jù)顯示量達(dá)到 15 種 ,從而 構(gòu)成了一個(gè)全新的信息化實(shí)時(shí)監(jiān)督控制以及無觸點(diǎn)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(shí)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(jī)實(shí)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(gè)高 速數(shù)據(jù)采集通道 ,可在微秒級(jí)內(nèi)完成一個(gè) 12位數(shù)（二進(jìn)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(diǎn)開關(guān) 與交流接觸器并聯(lián)構(gòu)成 ,可在毫秒級(jí)內(nèi)對(duì)系統(tǒng)的供配電實(shí)行 通斷及保護(hù)控制。系統(tǒng)對(duì)故障處理具有毫秒級(jí)的自動(dòng)控制保 護(hù)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(hù)功能?？刂撇糠秩珵橹悄芑Ｗo(hù),主系統(tǒng) 可對(duì) 24 個(gè)從控系統(tǒng)實(shí)行全面監(jiān)控 ,系統(tǒng)可在毫秒級(jí)內(nèi)對(duì)從控 系統(tǒng)實(shí)行自動(dòng)控制分離。系統(tǒng)在故障

6、處理上能及時(shí)報(bào)警、快 速自動(dòng)保護(hù)及即時(shí)打印輸出。系統(tǒng)還可以打印各種報(bào)表和曲 線。本產(chǎn)品設(shè)有 35 鍵鍵盤輸入口 ,它與主機(jī)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(qiáng)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(jìn)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(hù)參數(shù)便由系統(tǒng)自動(dòng)整定了。 通過人機(jī)對(duì)話鍵 盤,系統(tǒng)電流參數(shù)可實(shí)現(xiàn)在線無級(jí)整定。 在整定范圍內(nèi)的所有 任意一個(gè)整定電流 ,均屬于系統(tǒng)“安 -秒曲線”的控制及保護(hù) 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(shí)際需要從 200A 至 2000A 范圍內(nèi)任意整定。 因此 ,一臺(tái) 配電柜的應(yīng)用范圍就很方便地?cái)U(kuò)大了。 本產(chǎn)品能為電力系統(tǒng)實(shí)行微機(jī)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(yuǎn)距離通信能力。因此它可 與上位機(jī) （上一級(jí)配電控制系統(tǒng) ）實(shí)行相互交換數(shù)據(jù) ,并可與下 一級(jí)各“從機(jī)”交換數(shù)據(jù) ,即能達(dá)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(duì)用電 戶的遠(yuǎn)程電力調(diào)度和管理 ,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)集中自動(dòng) 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(jī)和下位機(jī)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(diǎn)開關(guān)的工作原理與作用 從圖 3 可見 ,交流 380V 進(jìn)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(jìn)行濾波 ,同時(shí)經(jīng)壓敏避雷器進(jìn) 行保護(hù) ,再將電源送至大功率晶閘管電子交流無觸點(diǎn)開關(guān)。此 時(shí)晶閘管與交流接觸器并聯(lián)連接 ,起著復(fù)合控制作用。 進(jìn)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(jìn)一步 對(duì)電源濾波和防止高電位進(jìn)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(hù) ,能確保用電負(fù)載的穩(wěn)定性和 可靠性。為確保微機(jī)對(duì)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(cè)量電流互感器 ,還加裝了保護(hù)電流 互感器。因此 ,系統(tǒng)對(duì)過流及短路的保護(hù)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(diǎn)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(jī)構(gòu)成的多機(jī)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(dú) 的單片微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 ,然后經(jīng)過通信方式與主機(jī)進(jìn)行數(shù) 據(jù)交換 ,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全面的 ,快速的 ,準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)督和控制。 它具有連續(xù)數(shù)字顯示、 自動(dòng)計(jì)量 （ 系統(tǒng)的有功電度和無功電度 并能分時(shí)計(jì)度 ）、自動(dòng)保護(hù) （超壓、低壓、過流、過載、短路、 超溫等 ）、自動(dòng)控制等功能。 微機(jī)控制技術(shù)代替了傳統(tǒng)式的機(jī) 電儀器儀表 ,從而實(shí)現(xiàn)了低壓

10、配電系統(tǒng)的全智能化。 它的無觸點(diǎn)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(diǎn)復(fù)合開關(guān)而實(shí)現(xiàn)。 晶閘管為半導(dǎo)體電子 器件 ,通過門極控制信號(hào) ,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(diǎn)開關(guān)低壓斷路器。系統(tǒng)采 用晶閘管作無觸點(diǎn)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(duì)電網(wǎng)的沖擊和過電壓的出

11、現(xiàn)。 因?yàn)?, 用電設(shè)備控制在零電壓開通 ,此時(shí)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(shí)刻導(dǎo)通都 會(huì)出現(xiàn)電流的沖擊 ,不外乎是大小而已。 關(guān)于過電壓對(duì)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(chǔ)能設(shè)備的電 感將產(chǎn)生極大的反電勢(shì) ,因而對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大的過電壓沖擊。 按反電勢(shì)產(chǎn)生的公式 :e=-Mdi/dt, e 為反電勢(shì) ,-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(shí) 關(guān)斷 ,此時(shí)再大的電感性負(fù)載 ,其產(chǎn)生的反電勢(shì)也為零 ,因?yàn)?di/dt=0 。根本不存在過電壓?jiǎn)栴}。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(diǎn)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(gè)新型的組合開關(guān)。 它 有如下特點(diǎn) : 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(shí)更易造成相間短路 ,引發(fā)供 電事故。其優(yōu)點(diǎn)是 ,兩金屬觸頭間接觸阻抗很低 ,因此 ,工作時(shí) 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(shí)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(diǎn) : 在導(dǎo)通時(shí)有一定的器件壓降 ,因 而工作時(shí)具有一定的能量消耗。 3.3 兩者組合后 ,并聯(lián)成一個(gè)新的開關(guān) ,取其兩者的優(yōu)點(diǎn) , 克服各自的缺點(diǎn)。在導(dǎo)通時(shí) ,晶閘管先導(dǎo)通 ,交流接觸器后接 通。斷開時(shí) ,交流接觸器先斷開 ,晶閘管后斷。在平時(shí)工作接 通期間 ,名為兩者均導(dǎo)通 ,實(shí)際上因?yàn)榻涣鹘佑|器阻抗遠(yuǎn)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(diǎn)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(diǎn) ,而且具有現(xiàn)代型電子式無 觸點(diǎn)開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn) 我們研發(fā)的此智能型新產(chǎn)品 ,遵循國(guó)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(shí)參照國(guó)際配電裝 置的標(biāo)準(zhǔn) IEC439 。其功能特點(diǎn)是 : 4.1 全智能化 :配電系統(tǒng)中的各項(xiàng)電氣參數(shù)均屬于微機(jī)自 動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制、自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)計(jì)量、自動(dòng)整定,并由晶 閘管電子無觸點(diǎn)開關(guān)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無觸點(diǎn)化控制管理;由單片 微機(jī)做主機(jī) ,構(gòu)成一個(gè)全新的計(jì)算機(jī)信息化實(shí)時(shí)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(diǎn)開關(guān)與交流接觸器并 聯(lián)組合 ,

15、實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)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(diǎn)磨損和熔焊等問題 ,同時(shí) 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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理后傳給液晶顯示屏 ,可同時(shí)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(shí)鐘。系統(tǒng)鍵盤能 顯示 11 項(xiàng)內(nèi)容。我們還設(shè)計(jì)一個(gè)按鈕 ,能操作顯示屏進(jìn)入休 眠保護(hù)狀態(tài) ,需要顯示時(shí)再打開 ,可大大延長(zhǎng)顯示屏的使用壽 命。 4.3 控制保護(hù)智能化 :系統(tǒng)具有完善的保護(hù)及控制功

16、能,包 括超壓和低壓保護(hù)、電流過載保護(hù)、短路電流短延時(shí)保護(hù)、 短路電流速斷保護(hù) ;可實(shí)行無級(jí)電流連續(xù)整定 ;并可實(shí)行分時(shí) 計(jì)度、計(jì)算、制表及打印等功能。系統(tǒng)對(duì)故障處理具有毫秒 級(jí)的自動(dòng)控制和保護(hù)功能 ,能及時(shí)報(bào)警 ,快速自動(dòng)保護(hù)及即時(shí) 打印 ,把故障點(diǎn)的故障數(shù)據(jù)及發(fā)生時(shí)間即時(shí)打印輸出,提供查 找和處置。在保護(hù)功能設(shè)置中 ,我們配置了低壓斷路器保護(hù)、 無觸點(diǎn)開關(guān)保護(hù)、微機(jī)控制保護(hù)的三重保護(hù)。當(dāng)用戶出現(xiàn)用 電故障時(shí) ,形成“適應(yīng)性自成孤島效應(yīng)” ,對(duì)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(jìn)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(jí)內(nèi)完成一個(gè) 12 位數(shù)（二進(jìn)制

17、 ） 的采集。 由晶閘管無觸點(diǎn)開關(guān)構(gòu)成數(shù)據(jù)輸出控制,可在毫秒級(jí) 內(nèi)對(duì)供配電系統(tǒng)進(jìn)行通斷保護(hù)控制。 4.4 管理網(wǎng)絡(luò)化 : 我們?cè)诋a(chǎn)品系統(tǒng)中設(shè)置有異步通信接口 能對(duì)上位機(jī)和下位機(jī)進(jìn)行通信 ,使電力系統(tǒng)能實(shí)行微機(jī)聯(lián)網(wǎng) 管理、 集中調(diào)度和控制 ,實(shí)現(xiàn)區(qū)域甚至全國(guó)網(wǎng)絡(luò)化管理。 對(duì)用 電規(guī)模較大的用電戶來說 ,能很方便地實(shí)現(xiàn)單位用電集中管 理、控制和測(cè)算。 4.5實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話 :如圖 5 所示,由 35 鍵鍵盤作為數(shù)據(jù)輸 入口 ,它與主機(jī)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(diǎn)開關(guān) ,取代了傳統(tǒng)式的有觸點(diǎn)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(zhǎng)了控制系 統(tǒng)的使用壽命 ,同時(shí)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(duì)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(jì)上 ,我們還按電磁兼容要求 進(jìn)行了有關(guān)組件的安裝布置 ,通過國(guó)家有關(guān)部門的全面檢測(cè) , 達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求