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        智能化斷路器介紹及其工作原理分析
        時間:2018-06-23??編輯:陜西久興電氣集團有限公司

          

          1 前言

          低壓斷路器作為電力供配電系統中廣泛使用的主要控制電器, 除了要能正常分合相關系統額定電流外, 還要在相關系統故障時能快速有選擇性地可靠分斷相關系統短路故障電流,且不能出現越級跳閘或拒動現象。

          特別是隨著電力系統控制方式數字化進程的發展應用以及電力系統綜合自動化的廣泛應用, 對系統可視化、自動化、網絡化、實時化、精確化的要求越來越高, 相應地對應用面積廣、網絡結構復雜、操作較頻繁、故障率高的低壓斷路器也就提出了更高的要求, 傳統斷路器根本無法滿足現代電力系統綜合自動化的需要。智能化技術的應用于是成了低壓斷路器的一個重要發展應用方向。

          2 智能化斷路器的簡介

          智能化斷路器綜合了現代高電壓零飛弧技術、電子技術、電氣自動化技術、網絡通信技術、計算機及其軟件技術等, 采用模塊化結構, 完全突破了傳統斷路器的許多不足, 集保護、測量、監控于一體。除了具備過載、過流、速斷、漏電、接地等常規控制、保護、報警、整定功能外, 同時還具備人機對話顯示、存儲、記憶、邏輯分析、判斷和選擇以及網絡通信等功能。能夠實時地顯示溫度、電流、電壓、功率因數、有功、無功等各種特征參數并進行故障參數、類型的儲存,具有自診斷能力, 從而為運行維護人員進行相應的信息查詢和故障判斷處理提供現場的實際運行資料, 為系統運行方式的優化奠定了基礎。通過其所具備的網絡通信技術可以使多臺智能化斷路器實現與中央控制計算機雙向通訊, 構成智能化的供配電系統, 實現“四遙”功能, 為無人化站所和實現區域聯鎖、遠方監控、運方調整等創造必要的設備技術保障。

          3 斷路器智能化技術的構成及其工作原理

          智能化斷路器中智能化技術的應用核心是集保護、測量、監控于一體的多功能脫扣器, 它主要由微處理器單元、信號檢測采集單元、開關量輸入單元、顯示和鍵盤單元、執行輸出單元、通信接口、電源等幾個部分組成。如圖1 所示。

          其各部分的工作原理如下:

          3.1 微處理器單元

          單片機以其高性價比和可靠性成為智能化斷路器智能控制系統的首選。微處理器單元由高性能的自帶A/D 轉換、看門狗監視器、I2C 串行總線和高速輸入輸出通道、通訊接口和標準的JTAG 程序燒寫口的單片機及其外圍電子電路組成。配以優化的軟件, 組成的單片機控制系統所需外圍元件少, 使得設計簡單, 布線方便, 而且在穩定性和抗干擾能力上都有極大的提高。

          各交流量分別經信號輸入回路、低通濾波器送到CPU 控制的多路開關, 經模數轉換后, 由DB 數據總線送到數據存儲器( RAM) 。CPU 通過調用程序存儲器( EPROM) 中的程序對采集的數據進行計算, 其計算結果與存放在電可擦存儲器( E2PROM)中的整定值進行比較, 作出相應的故障判斷處理。再通過輸入輸出端口( I/O) 將處理信號送到相應外設( 信號與出口) 發出報警信號, 或執行跳閘。微處理單元除了要完成整個系統的測量、保護、邏輯等功能外, 還具有自我故障診斷和監察的能力,當斷路器本身發生故障或環境溫度超過允許范圍時, 能發出相應的信號顯示或報警, 同時重新起動。自診斷的項目主要有EPROM出錯、A/D 轉換出錯、環境超溫、CT 斷線、跳閘線圈斷線、斷路器拒動及觸頭維護。微處理單元的自診斷功能不僅大大提高了斷路器的運行可靠性, 更給后期維修、故障判斷工作提供了極大的方便。

          3.2 信號檢測采集單元

          信號檢測采集單元作為智能化斷路器十分重要的組成部分, 要求有高的轉換精度、靈敏度、可靠性、頻率響應、測量范圍以及抗干擾能力, 以便微處理單元能夠作出精確的判斷處理。因此, 信號檢測采集單元將保護信號和測量信號分別取自不同類型的電流互感器, 以滿足保護和測量的要求。在測量大電流( 短路電流) 時基本上都采用線性度好、精確度高的空心電流互感器進行保護信號的檢測; 而小電流及電參數的檢測則采用鐵芯互感器; 測量和保護用的電壓信號則由電壓互感器獲得。上述信號經過信號處理電路后, 便能將主回路中的電壓及電流信號線性的轉換為數字電路和單片機可處理的電平信號,經單片機分析判斷后發出信號或控制斷路器的動作。

          根據電流、電壓的采樣值,還可利用不同的算法計算出相應的電壓、電流的有效值、有功功率、無功功率、頻率、功率因數、電能等參數, 實現各種表計功能, 對降低成本, 簡化布線, 提高低壓配電的可靠性大有益處。

          3.3 開關量輸入單元

          為了滿足控制邏輯的需要, 單片機內部具有的高速輸入通道(HSI)和高速輸出通道(HSO),可以很方便地用于開關量的輸入與輸出, 便于上位機的監視和操作控制。開關量的輸入主要是斷路器的輔助接點狀態, 經過光電隔離可以很方便地輸入CPU 中,以此判斷斷路器的狀態。

          3.4 顯示和鍵盤單元

          在智能化設備中, 不僅要實現自動控制, 還要能把相關信息傳遞給操作運行人員, 還要能夠接受外部輸入并做出響應。良好的用戶界面是人機對話所不可缺少的, 靈活的鍵盤管理及直觀的信息顯示給用戶提供了極大的便利。通過液晶屏或發光管能夠適時顯示各種狀態和負載的參數值及故障電流、故障類型和保護動作、試驗整定情況, 結合按鍵還可以進行保護的整定、預警值的設定、開關的試驗和各種功能的檢測。3.5 執行輸出單元

          智能化斷路器的執行元件為一個帶永久磁鐵的磁通變換器, 其特點是體積小, 功耗低, 脫扣力大。正常工作時永久磁鐵使動靜鐵芯保持吸合。來自互感器的過載、短路、接地等故障信號, 按預先設計好的保護特性要求, 經微處理器單元處理后, 發出一定寬度的跳閘脈沖(負方波脈沖)送到磁通變換器的線圈,產生反向磁場, 抵消永久磁通, 動鐵芯釋放產生的機械能量推動斷路器的脫扣器使斷路器分斷, 其脫扣執行電路如圖2 所示

          3.6 通信接口

          智能化斷路器所帶的串行通信接口, 可將智能化斷路器連接到現場總線, 將配電系統組成一局域網,一臺計算機作為主站,若干帶通訊接口的智能斷路器組成從站。斷路器編號、分合閘狀態、各種設定值、運行電流、電壓、故障電流、動作時間及故障狀態等多種參數進行網絡傳輸, 實現與系統上位管理機或控制調度中心計算機間的信息交換, 接收上位機或遠方調度控制中心的數據上傳要求, 完成對現場設備的遠方監控和遙測、遙訊、遙調、遙控功能。

          3.7 電源

          智能化斷路器采用雙電源供電方式, 只要其中任何一路電源正常工作, 均可可靠地給多功能脫扣器供電。一路電源為自生電源, 用速飽和鐵芯電流互感器從主電路感應獲得電源。另一路電源為輔助電源, 以“或”的方式由外部提供,它不僅在主電源不能工作時提供電源, 還可在主電路停電或斷路器投入運行前對控制器進行參數整定、功能檢查、試驗、狀態顯示、通信以及在斷路器故障分斷后能保持各種狀態指示及故障檢查, 以維持其正常工作和各種顯示。