单片微机及电子交流无触点开关在低压智能型配电柜设计中的应用

1、单片微机及电子交流无触点开关在低压 (0.4KV) 智能型配电 柜设计中的应用 摘要 :本文主要介绍了单片微机及电子交流开关在低 压(0.4KV)智能型配电柜设计中的应用，重点介绍了智能型配 电柜的控制原理、关键部件 -大功率电子交流无触点开关的 工作特性和作用。 关键词 :单片微机 ;电子交流开关 ;智能化 ;控制柜 1 概述 电力是各行各业用电单位的生产和生活资料。电力供应 的安全、可靠、稳定、经济 ,是 用电单位追求的目标。电力经过发电厂以高压输送到变 电站进行变压后再输送到用电单位 ,用电单位根据用电要求 , 通过自备变压器最后一次进行变压 ,再通过计量及配电装置 进入用电设备。绝大多

2、数用电设备是低压用电,如 0.4KV 级。 一般单位都设有低压配电室 ,配电室装有配电柜、 补偿柜、 馈 电柜等装置 ,对电能进行计量、分配、控制、保护、调节和监 视等。而配电柜和馈电柜是配电系统中最常见的低压电器。 这类电器 ,我国在 60 至 80 年代都是仿造苏联的产品 ;80 年代 后,引进外国技术进行吸收改造国产化。目前国内生产的抽出 式和固定面板式配电柜都不是智能化、 无触点化产品 ,存在故 障分断可靠性较差 ,易熔焊 ,产生故障无法形成孤岛效应而会 影响一大片 ,并且故障难以查找 ,没法实现遥控、遥测、遥调、 遥信 ,额定电流参数无法在容量内设定 ,用电状况参数无法通 过指针式仪

3、表全面显示和了解 ,安全性较差。 根据传统型配电柜的存在问题和技术进步的趋势,我司 从市场需求出发 ,采用功率强大的 PIC 单片微机作控制主机 和 KP 系列大功率晶闸管作为无触点开关 , 研发成功了智能型 无触点开关低压成套配电柜 ,经过四代改进设计和试用 ,表现 出本产品具有显著的优良特性。 2 单片微机和电子交流无触点开关在低压配电柜中的 应用 本智能型低压配电柜的单片微机控制系统结构如图 1 所 示: 由图 1 所见 ,本产品是一种新型的低压配电装置 ,组成是 : 控制部分以单片微机做主机的硬件电路板,所述主机还配置 有自行编程的控制软件和应用软件 ;具有数据采集输入口、 数 据控制

4、输出口、上位机和从位机联络的通信口、人机对话输 入口（键盘 ）、用作显示口的液晶显示屏、系统故障报警器及 数据输出打印口等。 本产品中的所有各项电气参数 ,均属于微 机自动检测、自动控制、自动保护、自动整定,并由晶闸管电 子交流无触点开关实现全自动无触点化控制管理。由单片微 机做主机构成的计算机实时监督控制系统,具有快速反应阻 断控制 ,数字表精确度达 0.5-1 级,数据显示量达到 15 种 ,从而 构成了一个全新的信息化实时监督控制以及无触点开关的 低压配电系统。 用电数据显示部分 ,经数据采集后 ,通过转换传送给液晶 显示屏 ,同时显示 15 种电气参数 ,既全面又直观准确。显示部 分通

5、过接口与主机实行数据交换 ,显示部分全为数字化方式。 在数据采集过程中 ,编制有数据采集模块 ,该模块具有 12 个高 速数据采集通道 ,可在微秒级内完成一个 12位数（二进制 ）的 采集 ,因此具有快速、准确、量大的特性。 如图 2所示 ,数据输出控制部分是由晶闸管无触点开关 与交流接触器并联构成 ,可在毫秒级内对系统的供配电实行 通断及保护控制。系统对故障处理具有毫秒级的自动控制保 护功能。 系统在软件的控制下 ,通过晶闸管组成的电子交流开 关,具有完善的保护功能。控制部分全为智能化保护,主系统 可对 24 个从控系统实行全面监控 ,系统可在毫秒级内对从控 系统实行自动控制分离。系统在故障

6、处理上能及时报警、快 速自动保护及即时打印输出。系统还可以打印各种报表和曲 线。本产品设有 35 键键盘输入口 ,它与主机用串行口联接 ,操 作人员可在键盘输入数据或检查各种电气参数。这些电气参 数可在液晶屏上显示。 由于本产品系统功能强大 ,因而操作起 来方便。例如 ,本产品若作为厂区低压供电变压器 低压侧出口的主控制柜 ,而操作人员仅需将变压器的容 量用十进制数从键盘输入 ,再将系统电流互感器变比输入 ,然 后,一系列的保护参数便由系统自动整定了。 通过人机对话键 盘,系统电流参数可实现在线无级整定。 在整定范围内的所有 任意一个整定电流 ,均属于系统“安 -秒曲线”的控制及保护 范畴。以

7、 2000A 额定电流的低压配电柜为例 ,用户设定电流 可按实际需要从 200A 至 2000A 范围内任意整定。 因此 ,一台 配电柜的应用范围就很方便地扩大了。 本产品能为电力系统实行微机控制联网管理、集中调度 电力提供了技术条件。系统具有远距离通信能力。因此它可 与上位机 （上一级配电控制系统 ）实行相互交换数据 ,并可与下 一级各“从机”交换数据 ,即能达到遥控、遥侧、遥调、遥信 , 如用电单位配电控制室的集中控制管理和供电部门对用电 户的远程电力调度和管理 ,从而实现整个配电网络集中自动 控制和科学化管理 ,极大地提高了电网的管理能力和安全可 靠性。上位机和下位机的通信方式可采用现有

8、技术处理,例如 : 采用专用的数据通信总线、现有电话系统等通信手段。 3 电子交流无触点开关的工作原理与作用 从图 3 可见 ,交流 380V 进线电源经过低压断路器 ,从快速 熔断器出来再由滤波电容器进行滤波 ,同时经压敏避雷器进 行保护 ,再将电源送至大功率晶闸管电子交流无触点开关。此 时晶闸管与交流接触器并联连接 ,起着复合控制作用。 进来的 电源经此开关控制后 ,直接输出至用户用电负载。 为了进一步 对电源滤波和防止高电位进入到负载 ,因而从开关下口出来 , 再经过滤波处理和过电压保护 ,能确保用电负载的稳定性和 可靠性。为确保微机对电流采样的准确性,从开关出来 ,经过 电流变换的处理

9、 ,既装了测量电流互感器 ,还加装了保护电流 互感器。因此 ,系统对过流及短路的保护是相当可靠而准确 的。 本产品是新一代的全智能化、无触点化、网络化的新型 低压配电系统。它的智能化是由单片微机构成的多机系统 , 即采样部分、键盘管理部分、控制部分、显示部分均由单独 的单片微机进行数据处理 ,然后经过通信方式与主机进行数 据交换 ,以实现系统全面的 ,快速的 ,准确的实时监督和控制。 它具有连续数字显示、 自动计量 （ 系统的有功电度和无功电度 并能分时计度 ）、自动保护 （超压、低压、过流、过载、短路、 超温等 ）、自动控制等功能。 微机控制技术代替了传统式的机 电仪器仪表 ,从而实现了低压

10、配电系统的全智能化。 它的无触点化是采用大功率晶闸管和大功率交流接触 器并联 ,组合成无触点复合开关而实现。 晶闸管为半导体电子 器件 ,通过门极控制信号 ,采取过零触发 ,以完整的正弦波向电 网供配电 ,从而代替了传统的有触点开关低压断路器。系统采 用晶闸管作无触点开关控制后 ,大大提高了系统的配电质量 , 抑制了用电设备在开、 停过程中所产生的冲击电流和过电压 , 使配电系统更加安全、 更为可靠。 众所周知 ,电网的谐波污染 , 大部分是来自用户用电设备的开、停而引起。采用晶闸管作 为控制开关 ,电压采取过零触发 （即过零导通 ）和电流过零关断 从根本上杜绝了大电流对电网的冲击和过电压的出

11、现。 因为 , 用电设备控制在零电压开通 ,此时电流也从零开始 ,根本不存 在大电流的冲击。 若电压不是过零导通 ,其余任何时刻导通都 会出现电流的冲击 ,不外乎是大小而已。 关于过电压对电网的 污染 ,主要出自电感性负载 ,一旦电流突然中断 ,储能设备的电 感将产生极大的反电势 ,因而对电网产生很大的过电压冲击。 按反电势产生的公式 :e=-Mdi/dt, e 为反电势 ,-M 为常数 （与电 压方向相反 ）,di/dt 为电流的突变量。当晶闸管采用电流零时 关断 ,此时再大的电感性负载 ,其产生的反电势也为零 ,因为 di/dt=0 。根本不存在过电压问题。由于晶闸管为半导体电子 器件 ,

12、其电流为器件内部电流 ,根本不属于金属间接触电流 ,因 而晶闸管称为无触点开关。 在本产品中 ,我们采用的是大功率 晶闸管与交流接触器并联组合 ,成为一个新型的组合开关。 它 有如下特点 : 3.1 交流接触器为金属接触式电流 ,两触头间易产生 熔焊及火花甚至拉弧 ,拉弧严重时更易造成相间短路 ,引发供 电事故。其优点是 ,两金属触头间接触阻抗很低 ,因此 ,工作时 耗能低 ,不易发热。 3.2 晶闸管是非接触式开关 ,导通时为器件内部电子流 ,不 存在接触问题 ,更无拉弧与火花出现 ,并且开关速度快 ,可频繁 操作。由于它为可控器件 ,在开、 关的过程中完全不存在电流 冲击和过电压干扰。其缺

13、点 : 在导通时有一定的器件压降 ,因 而工作时具有一定的能量消耗。 3.3 两者组合后 ,并联成一个新的开关 ,取其两者的优点 , 克服各自的缺点。在导通时 ,晶闸管先导通 ,交流接触器后接 通。断开时 ,交流接触器先断开 ,晶闸管后断。在平时工作接 通期间 ,名为两者均导通 ,实际上因为交流接触器阻抗远小于 晶闸管的阻抗 ,所以绝大部分负载电流均由接触器承载。 因此 , 晶闸管不需要加特殊散热装置。 3.4 通过无触点开关与交流接触器的并联组合,在低压配 电柜中代替了传统式的低压断路器。这不但可通过大电流 , 一方面具有传统式的低功耗优点 ,而且具有现代型电子式无 触点开关的优点。它是我们

14、研发的新一代现代型和传统型相 结合的新型开关。 4 智能型电子交流开关低压 (0.4KV) 成套配电柜的功能 与特点 我们研发的此智能型新产品 ,遵循国家供配电的技术标 准 GB7251-2005 低压成套开关设备 ,同时参照国际配电装 置的标准 IEC439 。其功能特点是 : 4.1 全智能化 :配电系统中的各项电气参数均属于微机自 动检测、自动控制、自动保护、自动计量、自动整定,并由晶 闸管电子无触点开关实现全自动无触点化控制管理;由单片 微机做主机 ,构成一个全新的计算机信息化实时监督、 控制系 统,具有快速反应阻断控制功能。 产品采用晶闸管电子交流无触点开关与交流接触器并 联组合 ,

15、实现无触点化控制 ,替代了传统的低压断路器 ,使配电 柜主电路操作系统不存在电弧、 触点磨损和熔焊等问题 ,同时 减少系统功耗。 4.2 显示数字化 :各种电气参数通过主机进行数据采集、 数据处理后传给液晶显示屏 ,可同时连续显示 15 种电气参数 如:ABC三相线电压、ABC三相线电流、系统三相相功率因 数 ,系统最大需量值、系统有功功率、系统无功功率、系统有 功电度数、系统无功电度数、系统全天候时钟。系统键盘能 显示 11 项内容。我们还设计一个按钮 ,能操作显示屏进入休 眠保护状态 ,需要显示时再打开 ,可大大延长显示屏的使用寿 命。 4.3 控制保护智能化 :系统具有完善的保护及控制功

16、能,包 括超压和低压保护、电流过载保护、短路电流短延时保护、 短路电流速断保护 ;可实行无级电流连续整定 ;并可实行分时 计度、计算、制表及打印等功能。系统对故障处理具有毫秒 级的自动控制和保护功能 ,能及时报警 ,快速自动保护及即时 打印 ,把故障点的故障数据及发生时间即时打印输出,提供查 找和处置。在保护功能设置中 ,我们配置了低压断路器保护、 无触点开关保护、微机控制保护的三重保护。当用户出现用 电故障时 ,形成“适应性自成孤岛效应” ,对电网及其它用户 不产生任何影响。 本产品用数据采集模块进行数据采集,该模块具有 12 路 高速数据采集通道 ,可在微秒级内完成一个 12 位数（二进制

17、 ） 的采集。 由晶闸管无触点开关构成数据输出控制,可在毫秒级 内对供配电系统进行通断保护控制。 4.4 管理网络化 : 我们在产品系统中设置有异步通信接口 能对上位机和下位机进行通信 ,使电力系统能实行微机联网 管理、 集中调度和控制 ,实现区域甚至全国网络化管理。 对用 电规模较大的用电户来说 ,能很方便地实现单位用电集中管 理、控制和测算。 4.5实现人机对话 :如图 5 所示,由 35 键键盘作为数据输 入口 ,它与主机通信接口联接 ,操作人员可在键盘上输入数据 或检查各种电气参数。 这些电气参数可在液晶屏上显示 ,有利 于用电用户方便地了解用电情况。 4.6 提高用电系统的稳定性 :本产品以晶闸管和交流接触 器组成电子式交流无触点开关 ,取代了传统式的有触点开关 低压断路器 ,使电路在开、 关过程中避免出现大的电弧干扰和 损坏 ,从而提高了控制系统的稳定性和安全性 ,延长了控制系 统的使用寿命 ,同时也有效地抑制了用电设备所产生的涌浪 电流和过电压对用电系统的影响 ,使配电系统更为安全和可 靠。如图 4 所示 ,在柜体结构设计上 ,我们还按电磁兼容要求 进行了有关组件的安装布置 ,通过国家有关部门的全面检测 , 达到相关标准的要求