塑壳断路器用智能控制器及设计时应注意的问题

文/ 发布于2017-06-16 浏览次数:884

0 引言

塑料外壳式断路器是广泛应用于低压配电网络系统中的一种关键元器件。据统计,今年我国新增发电电机约达9500万kW,国内对塑料外壳式断路器需求在2 000万台左右,并且随着科学技术不断进步,计算机、通信技术、电子技术和电力工业自动化的飞速发展,电力系统的供需矛盾发生了巨大的变化。电力系统中对断路器的安全、可靠性要求越来越高,对断路器的多功能、自动化程度高的要求也日益迫切,非智能型塑壳断路器已不能满足系统的需要。非智能塑壳断路器一般只有双金属元件式的过载延时和电磁铁的瞬动保护,测量误差大,保护特性误差也较大,用户又不能调节,不能联网和远距离控制。各行各业都开发新一代塑壳断路器带智能型控制器以满足需求,新一代塑壳断路器应采用模块化结构,基本实现各种附件采用模块化,应有三段保护,做到热磁式结构模块及电子式结构模块互换。基于这种社会发展的需求,杭州之江开关股份有限公司为提高供电的稳定性和可靠性,提高输配系统自动化水平,新研制开发了塑壳断路器中配用的智能控制器。

1 智能控制器的用途及适用范围

1)智能控制器适用于交流50 Hz,额定绝缘电压690 V,额定工作电压400 V及以下,额定电流从40 A(整定电流从16 A起)至1 250 A低压电网中。

2)智能控制器不仅增加了整定电流的选择范围,具有过载长延时、短路短延时、短路瞬时三段保护,并且过载长延时及短延时动作时间可以设定。H型控制器除了具有上述功能外,还具备了现场总线的通信功能,与工控计算机或控制器联网通信,实现配电网络的计算机联网,在1 km范围内对断路器实现遥控、遥调、遥测、遥信,使断路器控制功能大大增强。

智能控制器按功能可分为M型控制器(面板直接设定型)和H型控制器(拨至近控在面板上直接设定,拨至遥控用编程器或从上位机上进行设定)。

2 智能控制器保护特性参数设定和保护功能

智能控制器面板如图1所示,智能控制器的保护功能见表1。1—运行电流负载指示,红色(HSM1z-160负载指示灯只有一盏,并且当运行电流负载≥100 % I r1时亮);2—MCU运行灯,绿色(1 s闪亮);3—长延时过载电流I r1整定的编码开关;4—长延时跳闸时间t 1整定的编码开关(最大反时限延时T=(6I r1)2×t 1/I 2;5—短路短延时电流I r2整定的编码开关;6—短路短延时跳闸时间t 2整定的编码开关;7—短路瞬时电流I r3整定的编码开关。当I>I r2且I ≥8I r1时为定时限,延时t 2跳闸;当I >I r2且I <8I r1时为反时限,跳闸时间T=(8I r1)2×t 2/I2。

电流整定时须注意:I r1

3 智能型控制器设计及应注意的问题

智能型控制器是该系列断路器的心脏部分,也是该断路器的关键部分,动作特性的灵敏度由该部图1 智能控制器面板分来保证,智能控制器原理图如图2所示[1]。智能控制器的核心部件是CPU,选择时应考虑:(1)内置8~16位总线;(2)8~16 KB EEPROM或FLASH;(3)0.5~1 KB SRAM;(4)同步或异步串口、SPI串口、I2C串口;(5)具有优先级的多级向量中断;(6)内置看门狗定时器。

电流互感器和放大滤波电路设计是智能控制器的关键部件。在研制国家重点项目智能型塑壳式断路器中的控制器时,当电流较大时(如800 A断路器在8×800 A=6 400 A时),互感器铁心饱和而呈非线性,高倍电流时计算机只能用查表法进行近似测量,造成较大的测量误差。解决这个问题,可从铁心材料选型、铁心截面比例选择、线圈匝数、导线线径等多个因素综合考虑改进设计。从而保证对800 A塑壳断路器可获得0~10000 A均线性的互感器,保证了三段保护量程内高精度电流测量。

放大器的设计要考虑电流测量精度、电磁兼容性能,同一路互感器输出可用两路放大器,信号较小时用放大倍数较大的一路测量,而信号较大时用放大倍数较小的一路测量,也可以用计算机程控放大,放大倍数可取1,2,4,8倍。放大器输入端要有抗雷击浪涌和快速瞬态脉冲群的能力。为提高抗干扰能力,可以考虑选择用带通滤波和选频放大。

计算机通过电流互感器进行采样的方法一般有两种。其一为先求最大值,然后除以 √2 得有效值,这种方法适用于因互感器在大电流工作时,有波形畸变,但幅度跌落较少,用最大值法仍可获得较好的测量精度,如用求面积法则会带来较大的误差;其二为求面积法,I=[(1/T )∫T0 i 2dt ]1/2,当取样电路中由于谐波所占比例较大,造成波形畸变,幅值跌落,这种场合可用面积法来获取电流,其准确度较高。

用电流互感器产生自生电源,供电给CPU及逻辑电路。若控制器中只有自生电源而无外接辅助电源时要处理好如下6个问题:

(1)当主回路电流较小时,其能量不足以供给逻辑电路,这可适当增加互感器匝数,但要注意不要使铁心在大电流时过早的磁饱和;

(2)要解决主回路电流较大时能量过剩,产生能量大于消耗能量,因而

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