多功能三相低壓斷路控制技術(shù)和研究

摘要：一種用于三相低壓斷路器的新型控制技術(shù)。該技術(shù)以微控制器為核心，控制三相低壓斷路故障后的斷開(kāi)時(shí)間，使斷路器完成短路、過(guò)載、缺相的故障保護和顯示功能。該控制技術(shù)依據斷路器的反時(shí)限斷開(kāi)特性曲線(xiàn)，合理地設計微控制器的控制軟件，運用電子技術(shù)實(shí)現了不同電路故障狀態(tài)下的相應斷路延時(shí)。

關(guān)鍵詞：斷路器 微控制器 控制技術(shù) 故障保護

0～25A小型低壓斷路器是小功率低壓電力系統中不可缺少的控制和保護設備。目前常用用的多為塑殼式低壓斷路器，均采用熱動(dòng)式脫扣控制方式，即利用負載電流的熱效應使雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生變形控制脫扣[4]。由于雙金屬片的形狀結構精度和熱變形難以保證，斷路器脫扣延時(shí)時(shí)間難以精確控制，所以這種斷路器精度不高。同時(shí)它還有功能不完善的缺點(diǎn)，例如：缺相故障無(wú)法判斷、引起斷路故障的原因用戶(hù)無(wú)法知道、維修不便等缺陷。

隨著(zhù)小功率低壓電力系統對保護設備要求的不斷提高，對傳統的低壓斷路器的控制技術(shù)進(jìn)行改造成迫在眉睫的問(wèn)題。本文提出以微控制器為核心的可控制低壓斷路保護技術(shù)，利用微控制器內部含有的高穩定度頻率源、定時(shí)/計數器等硬件，配合高精度電流互感器，方便、精確地進(jìn)行有關(guān)時(shí)間和電流的處理，使得控制電路相對傳統的熱動(dòng)式控制方式具有更小的體積和更實(shí)用的功能。該技術(shù)在很大程度上彌補了原先低壓斷路保護技術(shù)的缺陷，精度高、使用靈活、延時(shí)時(shí)間特性可以精確似合電流——時(shí)間特性典線(xiàn)，而且用戶(hù)可以根據需要選擇過(guò)載延時(shí)級別、調整額定電流的數值。

1 控制電路工作原理

系統采用Toshiba公司生產(chǎn)的51系列小型化單片機為核心設計了控制電路，根據主電路電流情況，判斷主電路工作狀態(tài)，控制斷路器脫扣機構動(dòng)作。圖1示出了控制電路原理框圖。

電路設備中工作電流數值是斷路器脫扣的依據，電流互感器感測三相電路中電流大小。前置電路把互感器輸出電流轉換成電壓，然后進(jìn)行放大和峰值保持，再送給A/D轉換器采樣。

微控制器依據采樣結果判斷故障類(lèi)型，保護過(guò)載程度進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)結束發(fā)出分斷控制信號，在脫扣電路[3]的作用下，切斷主電路，同時(shí)點(diǎn)亮故障顯示燈。為了讓用戶(hù)可以在一個(gè)級別內調整額定電流，單片機對用戶(hù)調整情況進(jìn)行采樣，然后判斷用戶(hù)設定的額定電流，根據額定電流對采樣結果進(jìn)行轉換。

根據斷路器對短路故障的特殊技術(shù)要求，從發(fā)生短路到發(fā)出分斷信號需在5ms時(shí)間內完成。而控制器的工作電源的建立時(shí)間大約為100ms，如果開(kāi)機時(shí)發(fā)生短路故障，微控制器就不能在5ms內判斷出短路故障并發(fā)出分為怕控制信號。針對這種特殊情況，另外設計了短路判斷電路[2]，由短路電流直接控制脫扣電路，有效地保證了瞬時(shí)脫扣時(shí)間。然后微控制器根據主電路中電流情況判斷是否是短路造成脫扣，點(diǎn)亮短路指示燈。

控制電路直接從三相交流電中取出電流，經(jīng)過(guò)轉換得到電流電壓，供給單片機和其它電路，不需另外提供直流電源。由于設計要求在原來(lái)判斷路器殼體的基礎上改造，給整個(gè)電路部分提供的空間很小?；隗w積小的要求，電源部分采用電量?jì)δ芊€壓輸出的方法。試驗證明當相電壓在380V～220V范圍內變化時(shí)，微控制器仍然能夠正常工作。

2 單片機工作軟件

主電路電流大小和延時(shí)時(shí)間的關(guān)系是整個(gè)程序設計的關(guān)鍵。電路提出的反時(shí)限斷開(kāi)特性曲線(xiàn)如圖2所示。

為防止因電路過(guò)熱而導致設備的損壞，采用基于電路的發(fā)熱程度進(jìn)行控制。因此，根據發(fā)熱量的概念，確定電路電流與延時(shí)時(shí)間之間的關(guān)系。由于不同程度的每一種故障類(lèi)型都對應著(zhù)一個(gè)特定的發(fā)熱率，正常狀態(tài)下的發(fā)熱率為負。對這個(gè)發(fā)熱率進(jìn)行積分，就得到了不同故障積累的熱量，電路在達到某個(gè)特定的發(fā)熱量時(shí)，就應該啟動(dòng)電磁鐵驅動(dòng)路器將電路斷開(kāi)。

在反時(shí)限保證特性范圍內，由于被保護對象是線(xiàn)路，其I2·t=f(t)應為常數。根據反時(shí)限特性，遵循發(fā)熱量相等的原則，在過(guò)載過(guò)程中，最終的熱積累效應應符合：

這樣首次過(guò)載時(shí)，延時(shí)時(shí)間的計算采用插值法：

式中，I為采集到的瞬時(shí)電流值；t為I所對應的時(shí)間教育處值；Ik、Ik-1為I電流所在區域段中緊相鄰的前后電流值；tk、tk-1為Ik、Ik-1相對應的延時(shí)時(shí)間。

若非首次過(guò)載，則考慮熱積累效應，如在負載電流I1時(shí)所對應的延時(shí)時(shí)間為t1，經(jīng)過(guò)ti'時(shí)間延時(shí)后，負載電流變?yōu)镮2,這時(shí)重表為定時(shí)器賦值的延時(shí)時(shí)間應為：

根據電路發(fā)熱量積分原理，將各種不同的故障歸結為同一類(lèi)型，即為熱效應上的等價(jià)關(guān)系，經(jīng)過(guò)數據處理，確定出同時(shí)出現多種故障時(shí)的延時(shí)時(shí)間，這樣可以避免因短時(shí)間異常而造成的誤動(dòng)作。由于單片機的運算速度相對于脫扣機械系統的動(dòng)作時(shí)間是非?？斓?，在程序設計中，將已延時(shí)時(shí)間和對應的故障的預設定時(shí)間進(jìn)行比較，決定脫扣動(dòng)作延時(shí)時(shí)間的長(cháng)短，從而達到實(shí)時(shí)控制的功能。圖3示出了微控制器的軟件工作流程[1]。

3 性能分析

實(shí)驗線(xiàn)路接法如圖4所示。

額定電流Ie調節到0.4A，三個(gè)滑線(xiàn)變阻器作為負載，調節三個(gè)變阻器的阻值改變主電路中的電流，用電流表測量電流值，用秒表測量延時(shí)時(shí)間。記錄主電路三相中最大電流Imax的過(guò)載程度和延時(shí)時(shí)間。

試驗數據如表1所示。

表1 過(guò)載試驗數據

可見(jiàn)，此系統運行時(shí)，很好地滿(mǎn)足了表2提出的設計技術(shù)要求。

表2 過(guò)載保護技術(shù)要求

設計技術(shù)指標對缺相提出的延時(shí)時(shí)間為：兩相1.15Ie，一相0Ie，動(dòng)作時(shí)間T≤2min；通過(guò)單片機精確地控制延時(shí)時(shí)間，只要在程序中加入延時(shí)時(shí)間設置即可。

當然，在進(jìn)行現場(chǎng)實(shí)驗時(shí)的按照具體的現場(chǎng)條件，可能需要改變某些延時(shí)時(shí)間，采用單片機系統的優(yōu)越性則進(jìn)一步在此得到體現。延時(shí)曲線(xiàn)的變動(dòng)變得非常簡(jiǎn)單，只需在程序中將相的閾值進(jìn)行改動(dòng)，還可以根據精度要求對曲線(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步的細化。而硬件部分不需要任何變化。

采用單片機控制技術(shù)的新型低壓斷路器，實(shí)現了智能化的要求，克服了傳統斷路的缺點(diǎn)，還增加了一些新的功能。