计算机及PLC应用智能化集成低压电器蔡志远谢涌泉马少华厉伟王俭沈阳工业大学（023）刘树宝沈阳三和电器有限责任公司（141）数字测量和处理单元为核心，利用电力电子技术和单片机技术，实现了短路电流的接通和分断及对主电路的故障保护。该电器具有接触器和低压断路器的全部功能，这标志着低压电器正从分立走向集成。
叙词：智能化集成低压电器接触器断路器1前言随着传感器技术、电子技术和计算机技术的进步，低压电器在经历了从电磁式向电子式的发展后已迈进智能式，以微处理器为核心的测控技术被成功地应用在各种低压电器中，在改进了开关性能的同时，也推进了电网二次技术的革新。
本文提出了一种新型的以单片机式数字化测量、控制和处理单元为核心的集成低压电器，其外形类似一普通的电磁接触器，但它既能在正常的工作条件下频繁地接通或分断主电路，也能在过载、短路或欠压等异常情况下自动地分断主电路，具有功能多、保护性能好、可靠性高和故障自诊断能力及通信能力等智能化低压电器所共有的优点2智能化集成低压电器的工作原理接触器和低压断路器一般均由3部分组成，即感测部分、传动部分和执行部分。两者的感测部分和传动部分完全不同，但执行部分均为触头。
接触器主触头的灭弧能力较差，不具备接通和分断短路电流的能力，即使采用与低压断路器完全相同的触头系统和灭弧室，由于其电磁系统的复位时间较长且分闸速度有限，它也无法分断短路电流低压断路器有较强的接通和分断能力，但其操作和脱扣机构满足不了频繁动作和远距离控制的要求。故接触器和低压断路器往往需要配合在一起使用，两者一直未能合为一体。
为了将接触器和低压断路器集成在一起，本设计兼顾低压断路器的通断能力和接触器的频繁动作及远距离控制要求，采用电磁铁驱动触头运动，借助电力电子技术和单片机测控技术实现了电磁铁的快速动作及主电路的故障诊断和动作保护，其原理框图如图1所示。
该电器主要由触头、灭弧室、电磁铁及智能控制单元组成。触头和灭弧室的工作条件不仅能满智能化集成低压电器低压电器（2003№5）足频繁操作的要求，还能满足接通和分断短路电流的要求电磁铁的匝数少、线径粗，故其时间常数小、动作速度快。电磁铁在全电压下通电吸合，随即在低电压下保持，即使频繁操作，线圈的温升也不会超过允许值。在短路分闸时，去磁电路能快速除去电磁铁中的磁场，以使开关迅速脱扣以单片机为核心的数字测量和处理电路实时采集主电路的电流，并作出故障诊断，以适时给予动作保护。
3智能控制单元的设计由于工作条件及控制和保护功能不同，普通的接触器和低压断路器不能互相取代，但将接触器的电磁铁和低压断路器的触头及灭弧室稍加改进并有机结合之后，利用电力电子技术和单片机测控技术组成智能控制单元，巧妙地解决了其频繁操作和保护动作的问题，从而将接触器和低压断路器集成于一体。图2所示为智能控制单元的原理框图。
智能控制单元主要由励磁去磁电路、电流采集电路、数字处理电路和整定及显示电路组成。
励磁去磁电路是智能控制单元最为关键的部分。为保证开关能快速地接通和关断，且能频繁地操作，线圈需在全压下吸合，并在直流低压下加以保持。当线圈断电时，还需辅之以有效的去磁措施。本设计采用IGBT切换励磁电源，并在去磁过程中，用功率晶体管向线圈施加一反向电压，使之快速去磁。实验结果表明，本设计电路能有效地减少电磁铁的复位时间，从而成功地分断了预期的短路电流。
电流采集电路的职能是采集主电路的电流，以进行故障诊断和动作保护。为利于小型化，互感型电流传感器的铁芯为高磁导率的坡莫合金。
为能快速采集到短路电流，本设计利用微分电路检测主电路的电流上升速率。这样，即使短路电流尚未达到幅值，也能及时作出反应，以给予动作保护。
数字处理电路以美国Microchip Technology公司的PIC16F873单片机为核心，其特点是速度快、功耗低、体积小、价格廉，片内除含有程序存储器、数据存储器和I O口及定时器外，还含有128 Byte的EEPROM和5路10 bit的A D转换器及定时器看门狗，只需很少的外围器件就能组成系统。它的哈佛结构、单周期指令等特点更是能够满足实时控制的要求整定和显示电路包括2个输入按键和6 bit LED显示器。为节约I O口，本设计采用动态扫描方式，并用2片移位寄存器74分别给出位码和字码。利用整定和显示电路，用户能方便地查询和修改整定值，并能及时了解被保护电路的工作情况，非常便捷。
4过电流保护特性和保护模型本集成低压电器的保护功能包括过电流保护、欠压保护、失压保护和断相保护及三相不平衡保护等。其中过电流保护是最基本和重要的事前保护，保护模型也最为复杂。下面对过电流保护特性和保护模型加以叙述。
过电流保护特性为三段保护，包括过载反时限延时动作、短路定时限短延时动作和短路瞬时动作。短路定时限短延时动作和短路瞬时动作是直接根据电流过载倍数给出动作命令的。由于电动机在运行过程中，负载始终处于动态变化之中，故本设计利用热平衡方程计算出每一采样间隔内低压电器（2003№5）智能化集成低压电器电动机定子绕组的温升变化，进而用递推公式计算出瞬时温升，并在温升超出允许值时，给予过载保护。
将电动机看成一均质等温体，根据热平衡原理：物体产生的热量等于它本身所吸收的热量与向周围介质散出的热量之和式中K―――过载倍数―――电动机的额定电流c―――电动机定子绕组的比热m―――电动机定子绕组的质量―――电动机定子绕组的综合散热系数A―――电动机定子绕组的散热外表面积τ―――电动机定子绕组的温升如果采样周期为ΔT ，则由式（1）可以导出离散形式的电动机定子绕组温升的递推公式：用式（2）能即时计算出电动机定子绕组的瞬时温升。过载时，温升增加欠载时，温升降低。
因此，该模型能动态跟踪电动机定子绕组的温升变化，具有全记忆功能，可充分发挥电动机的过载能力，并在在电动机定子绕组的温升接近动作值时，给出预警提示。
5软件设计软件采用模块化结构，包括初始化模块、参数整定模块、数据采集模块、故障诊断和处理模块及显示模块，图3所示为程序总体框图。
开关上电运行后，首先执行初始化程序，以设置I O口的数据方向和对定时器、中断、寄存器及显示缓冲区和看门狗定时器进行初始化。
PICl6F873有3个定时器：定时器0是一个8 bit溢出计数器，被作为看门狗定时器定时器1是一个16 bit定时器计数器，用其对电动机的启动延时时间进行定时定时器2是一个8 bit定时器，用其为采样周期定时。
为提高响应速度，短路保护采用中断方式，当INT引脚出现由低到高的跳变时， INTF将置位。
为使单片机能响应此中断，预先应将INTE置位。
在初始化过程中，除应将与硬件有关的一些特殊功能寄存器置位或复位外，还应将一些必要的整定参数从EEPROM中读出，并送入映像寄存器。为满足用户的需要，保护动作参数应能由用户任意整定。为方便用户使用，保护动作参数也应能随时查询。为此，编制了参数整定和查询程序。
参数的整定和查询是通过两个按键MENU和SET及6 bit LED显示器来实现的。开关上电后，自动进入监控状态，此时，如果同时按下MENUT和SET键，即转入参数整定和查询状态，6 bit LED显示器分别给出提示符和整定值。如需修改该参数，则按SET键，点动则自动加1 ，连动则自动加1或10（视时间长短而定），当达到上限值时，会自动地返回下限值，再接着递增。如要查询或修改下一项，则按MENU键，上一项被修改过的参数将自动地被送入EEPROM中。
为实现故障保护，需测量A、B、C三相绕组的电流。由于被测电流变化范围宽，而电动机实际的运行电流常常在额定电流或额定电流之下，为减小量子化误差，本设计的A D转换器用了两个高低不同的参考输入电压，前者取自PIC16F873的电源电压，为5 V 后者由LM385提供，为1 .2 V.参考电压由软件加以选择，当测量大电流时，用电源电压作为参考输入电压当测量小电流时，则用LM385所提供的基准电压作为参考输入电压。
根据A、B、C三相绕组的电流采样值，故障诊断和处理程序完成过电流、欠压、失压和断相及三相不平衡等诊断，并在达到动作值时给予保护。
本文所提出的智能化集成低压电器以数字测智能化集成低压电器低压电器（2003№5）量、控制和处理单元为核心，外形类似一普通的电磁接触器，利用电力电子技术和单片机技术使其拥有了接触器和低压断路器的主要功能，该集成低压电器的样机已通过型式试验。图4为短路接通与分断能力试验的典型示波图。
1陈德桂，耿英三。开关电器的智能操作[ J] .电工技术2方鸿发。低压电器[ M] .北京：机械工业出版社， 1988 4张冠生。电器基础理论[ M] .北京：机械工业出版社，上海市电气工程设计研究会召开新产品推广介绍会2003年9月17日由上海市电气工程设计研究会在上海电器科学研究所主持召开大连坤光电器有限公司高压开关柜制造技术新产品推广介绍会。主要介绍该公司引进韩国日进电气公司的DXG40.5型柜式SF和引进德国德理施尔公司12kV充SF环网型GISELA系列负荷开关柜和MINEX系列断路器柜产品。会议由上海市电气工程设计研究会副理事长、上海冶金设计研究院副总工程师王崇湘教授级高级工程师主持。参加会议的有30多家上海的设计研究院专家和浙江杭州电力局领导。
气体绝缘金属封闭开关设备（简称CGIS）具有模块化设计、密封性好、结构简单、性能稳定可靠和免维护、采用智能型二次系统等特点，其技术性能达到国际同行业先进水平。与其他产品在可靠性、小型化、经济性等方面综合比较，具有显著的优越性，国内有关城市的地铁等已经采用，受到众多用户青睐。
充SF气体绝缘、紧凑型、可扩展的模块化设计环网型GISELA系列负荷开关柜和MINEX系列断路器柜具有安全性和灵活性。GISELA系列负荷开关柜适用于电力系统的网络节点及用户终端的要求MINEX系列断路器柜适用于电力用户的正常运行和故障情况下实行控制、保护、测量和监测。
（姚立明供稿）低压电器（2003№5）智能化集成低压电器