智能化断路器的开发和研究-瑞达国际集团

　　智能化断路器的开发和研究

　　供电网络中的电气开关(包括断路器、转换开关和接触器)，通常情况下用于闭合或断开供应电能的电路，以达到停电、供电和转换电路的目的。

　　当电网出现不正常情况时，例如过载、过压和欠压、短路等，能自动地把负载从电网上断开。因为这些不正常情况将危及操作人员的安全和设备的正常运行，甚至引起人身死亡事故或造成火灾。

　　配电用断路器主要在低压配电系统中做过载、短路、过压和欠压保护之用，也可用作为电路的不频繁操作。配电用断路器有选择型和非选择型两类。非选择型保护特性较为简单，多用于支路保护。主断路器则要求采用选择型，以满足电路内各种保护电器的选择性断开，把事故区域限制到最小范围。

　　传统的断路器保护功能是利用了某些物理效应，通过机械系统的动作来实现的。因而体积较大，效果也不够理想。为了防止用电设备发生故障时影响整个供电线路，以及在供电网络出现异常时损坏用电设备，在传统断路器的基础上逐步开发出更可靠的和具有更多保护功能的断路器。

　　例如，具有短路保护、过流和过热保护、漏电保护、缺相保护等功能的断路器。

　　随着微电子技术的发展，集成电路的出现大大缩小了普通电子电路的体积，因此出现了以专用集成电路为基础的多功能断路器。这种断路器已经比原有的机械式断路器进了一大步，但仍然不能称之为智能化。

　　微型计算机技术的发展为电气开关的智能化提供了条件。智能化的电气开关，不仅能够提供普通断路器的各种保护功能，还能够实时显示电路中的各种参数(电流、电压、功率、功率因数等)。

　　各种保护功能的动作参数也可以显示、设定和修改。保护电路动作时的故障参数，可以存储在非易失存储器中以便查询。这些功能只有在采用微处理机以后才能实现。

　　目前，国外已经开发出了系列化智能断路器。

　　这些智能化断路器的性能大大优于传统的断路器产品。我国在这方面的产品开发还刚刚起步。本文对智能化电气开关的有关技术进行了探讨，并给出一种用于低压电网的智能化断路器的设计开发实例。

　　2智能化电气开关的关键技术2.1单片机及其应用技术单片机以其紧凑的结构、丰富的功能而受到广泛的应用，并成为智能化仪器仪表的核心部件。目前，在研制高性能、高精度、多功能的测量控制仪表时，几乎无一例外地都考虑采用微处理器和单片机。在测量控制仪表中采用单片机技术使之成为智能仪表后，能够解决许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还能够简化控制仪表电路，提高系统的可靠性，降低整机的成本以及加快新产品的开发速度。随着集成电路制造技术的不断提高，单片机的体积越来越小，而功能越来越丰富。新一代的单片机产品，已经将程序ROM、定时/计数器、串行通讯接口、A/D转换器、PWM转换输出、波形发生器、WATCHDOG监视器、I2C总线接口、更多的I/O端口和内部RAM寄存器集成在一起，从而能够适应更加广泛的用途。另一方面，功能简单的单片机则向低功耗和小型化方向发展。采用串行总线的单片机，其外部引脚只有8个。表1所列是一些典型单片机产品的性能参数。

　　2.2专用集成电路智能化电气开关经常涉及到一些特殊的和复杂的功能。这些功能如果完全由计算机来完成，无疑会加重CPU的负担，其效果也未必理想。事实上在智能化电气开关出现以前，已经开发出了许多行之有效的专用集成电路，例如漏电保护专用集成电路。采用专用集成电路，不仅能够减轻CPU的工作负荷，还能够在万一CPU发生故障时保证可靠的动作，在一定程度上也能够提高系统的响应速度。

　　表1典型单片机的性能参数型号片内特殊功能串行接口专用集成电路分为两类：一类是实现某种专用功能的电路，例如漏电保护集成电路、电源专用集成电路、缺相保护集成电路等;另外一类是运算电路，主要是用于电流保护运算(对数、反对数运算)、功率因数运算等。

　　2.3智能化集成传感器随着用电保护技术的不断完善，各种保护装置的功能和技术要求也不断地提高。一般情况下，低压断路器要求具有以下的保护功能：①过电压和欠电压保护功能;②三段电流保护功能;③漏电保护功能;④缺相保护功能;⑤其他异常保护功能(瞬时尖峰脉冲、瞬时断电等)。

　　要完成这些保护功能，就要有相应的各种传感器。这些传感器性能的好坏，直接关系到智能化电气开关的性能。另一方面，传感器要有较高的精度、较宽的动态范围及检测范围，同时又要有较小的体积，输出信号还要便于与智能控制电路接口。这在目前还是较难做到的。受微电子技术的影响，传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。如果能够利用最新的技术开发一种集成化的传感器，即将各种电量传感器集成在一起，将能够大大提高其使用性能。更进一步，还可以将微处理器与传感器集成于一体。这可以使智能化电气开关的整体性能提高一个档次。

　　2.4电源技术智能化电气开关的电路可以有三种供电方式：专用电源供电、蓄电池供电和电流互感器供电，后者也称为自供电。这三种供电方式可以单独使用，也可以配合使用，形成冗余供电系统。前两种供电方式在技术上与一般的微机应用系统没有什么区别。电流互感器供电是断路器所特有的一种供电方式，单独使用时可以省去其他供电电路，而且可以随着电网的接通自动开始工作，是一种理想的供电方式。但电流互感器供电有以下几个问题需要妥善处理：①由于电源能量来源于电流互感器，因此电网电路中电流较小时不足以供电。②当电网电路的电流缓慢上升时，自供电电源的电压也是缓慢上升的。这对于模拟电路不会有问题，而对于微处理机和数字电路，应该有一个可靠的复位电路，才能使其启动并正常工作。③由于电流互感器既要作为电流信号，又要提供电源能量，两者之间必然会产生交叉影响。即智能化电路的工作电流会影响对电网电路电流的检测结果。因此，要有一套补偿与修正的方法。

　　使用多种供电方式的冗余供电，可以增加系统的电源可靠性。但冗余供电方式需要有一个切换装置。由于智能化电路的工作电流通常都较小，因此切换电路在技术上不难实现。可以直接由微处理器配合专用电源检测电路进行切换控制。

　　2.5系统集成化技术智能化电气开关是以微处理器为核心的机电一体化产品。它包括供电部分(常规供电、电池供电、电流互感器自供电)、专感器、控制部分、调整部分、执行机构以及开关本体。各个组成部分之间相互关联，又相互影响。如何协调与处理好各个组成部分之间的关系，使其既能满足所有的功能要求，又不超出现有技术条件所允许的范围(体积、功耗、可靠性、电磁兼容性等)就是系统集成化技术的主要内容。

　　智能化电气开关是一类具有较高技术含量的产品。实践表明，产品的技术含量越高，系统集成化技术对其影响和作用也越大。特别是在生产实践中，由于牵涉面大，往往一个部件的问题而影响整机的性能与质量。在现代工业中，系统集成化技术集中体现了基础工业的整体水平。

　　值得一提的是，目前迅速发展的CAD/CAM技术对于系统集成化技术有着重要的影响。CAD/CAM技术已经在机械、电子、电工、建筑、美工、服装等领域得到了广泛的应用。CAD技术已经不仅仅是作为一种绘图工具发挥作用，而且能够进行计算、分析、校验和模拟。这些功能不仅能够提高设计效率、减少设计失误，还能够使设计者在设计阶段看到产品的逼真外观，模拟产品的实际运行。从而使参加设计者能够对产品各方面的情况有一个总体的把握。

　　3智能化全功能低压脱扣器的开发CM1-Z型智能化脱扣控制器是作者开发的一种全功能型低压配电保护装置，用于配电开关柜中与多种脱扣器配套使用。

　　3.1主要技术要求使用条件。三相四线制线路。工作电压保护功能。三段电流保护;过电压、欠电压保护;漏电保护;缺相保护。

　　显示功能。电压、电流、功率、功率因数显示;设定参数显示;试验电流显示;10次故障记忆与参数显示;故障预报警显示;合闸、分闸状态显示。

　　~1.3倍额定电流范围内精度为3%.功率显示为kW.功率因数显示分辨率为0.01;故障时间显示分辨率为0.001s.3.2总体结构CM1-Z型智能脱扣控制器由开关电源、87C552单片机及其外围电路、信号采样与滤波放大电路、自动量程切换电路、锁相环频率跟踪电路、漏电保护电路、显示与操作面板、功能选择开关、RS-485串行通讯接口和E2PROM存储器所组成。系统的组成与结构框图如所列。

　　由于使用了高性能的87C552单片机，可以对三相四线的电路参数进行独立的实时检测，并根据用户的需要显示有关的电路参数(电压、电流、功率和功率因数等)。该装置具有常规的三段电流热模拟保护功能，以及过压、欠压、漏电和缺相保护功能。可对配电线路或电动机等电器进行有效的和可靠的保护。

　　智能化断路器原理框图显示操作面板外观如所示。面板数字显示共分为6组，分别为电流显示(电流)、电压显示(电压)、功率及功率因数显示(功率)、设定参数显示(设定)、试验参数显示(试验)和故障参数显示(检查)。正常运行时若无故障，总是显示电流。按“功能”键可以切换到其他显示组。