智能化断路器介绍及其工作原理分析(1)

1 前言

低压断路器作为电力供配电系统中广泛使用的主要控制电器, 除了要能正常分合相关系统额定电流外, 还要在相关系统故障时能快速有选择性地可靠分断相关系统短路故障电流,且不能出现越级跳闸或拒动现象。

特别是随着电力系统控制方式数字化进程的发展应用以及电力系统综合自动化的广泛应用, 对系统可视化、自动化、网络化、实时化、精确化的要求越来越高, 相应地对应用面积广、网络结构复杂、操作较频繁、故障率高的低压断路器也就提出了更高的要求, 传统断路器根本无法满足现代电力系统综合自动化的需要。智能化技术的应用于是成了低压断路器的一个重要发展应用方向。

2 智能化断路器的简介

智能化断路器综合了现代高电压零飞弧技术、电子技术、电气自动化技术、网络通信技术、计算机及其软件技术等, 采用模块化结构, 完全突破了传统断路器的许多不足, 集保护、测量、监控于一体。除了具备过载、过流、速断、漏电、接地等常规控制、保护、报警、整定功能外, 同时还具备人机对话显示、存储、记忆、逻辑分析、判断和选择以及网络通信等功能。能够实时地显示温度、电流、电压、功率因数、有功、无功等各种特征参数并进行故障参数、类型的储存,具有自诊断能力, 从而为运行维护人员进行相应的信息查询和故障判断处理提供现场的实际运行资料, 为系统运行方式的优化奠定了基础。通过其所具备的网络通信技术可以使多台智能化断路器实现与中央控制计算机双向通讯, 构成智能化的供配电系统, 实现“四遥”功能, 为无人化站所和实现区域联锁、远方监控、运方调整等创造必要的设备技术保障。

3 断路器智能化技术的构成及其工作原理

智能化断路器中智能化技术的应用核心是集保护、测量、监控于一体的多功能脱扣器, 它主要由微处理器单元、信号检测采集单元、开关量输入单元、显示和键盘单元、执行输出单元、通信接口、电源等几个部分组成。如图1 所示。

其各部分的工作原理如下:

3.1 微处理器单元

单片机以其高性价比和可靠性成为智能化断路器智能控制系统的首选。微处理器单元由高性能的自带A/D 转换、看门狗监视器、I2C 串行总线和高速输入输出通道、通讯接口和标准的JTAG 程序烧写口的单片机及其外围电子电路组成。配以优化的软件, 组成的单片机控制系统所需外围元件少, 使得设计简单, 布线方便, 而且在稳定性和抗干扰能力上都有极大的提高。

各交流量分别经信号输入回路、低通滤波器送到CPU 控制的多路开关, 经模数转换后, 由DB 数据总线送到数据存储器( RAM) 。CPU 通过调用程序存储器( EPROM) 中的程序对采集的数据进行计算, 其计算结果与存放在电可擦存储器( E2PROM)中的整定值进行比较, 作出相应的故障判断处理。再通过输入输出端口( I/O) 将处理信号送到相应外设( 信号与出口) 发出报警信号, 或执行跳闸。微处理单元除了要完成整个系统的测量、保护、逻辑等功能外, 还具有自我故障诊断和监察的能力,当断路器本身发生故障或环境温度超过允许范围时, 能发出相应的信号显示或报警, 同时重新起动。自诊断的项目主要有EPROM出错、A/D 转换出错、环境超温、CT 断线、跳闸线圈断线、断路器拒动及触头维护。微处理单元的自诊断功能不仅大大提高了断路器的运行可靠性, 更给后期维修、故障判断工作提供了极大的方便。

3.2 信号检测采集单元

信号检测采集单元作为智能化断路器十分重要的组成部分, 要求有高的转换精度、灵敏度、可靠性、频率响应、测量范围以及抗干扰能力, 以便微处理单元能够作出精确的判断处理。因此, 信号检测采集单元将保护信号和测量信号分别取自不同类型的电流互感器, 以满足保护和测量的要求。在测量大电流( 短路电流) 时基本上都采用线性度好、精确度高的空心电流互感器进行保护信号的检测; 而小电流及电参数的检测则采用铁芯互感器; 测量和保护用的电压信号则由电压互感器获得。上述信号经过信号处理电路后, 便能将主回路中的电压及电流信号线性的转换为数字电路和单片机可处理的电平信号,经单片机分析判断后发出信号或控制断路器的动作。

根据电流、电压的采样值,还可利用不同的算法计算出相应的电压、电流的有效值、有功功率、无功功率、频率、功率因数、电能等参数, 实现各种表计功能, 对降低成本, 简化布线, 提高低压配电的可靠性大有益处。

3.3 开关量输入单元

为了满足控制逻辑的需要, 单片机内部具有的高速输入通道(HSI)和高速输出通道(HSO),可以很方便地用于开关量的输入与输出, 便于上位机的监视和操作控制。开关量的输入主要是断路器的辅助接点状态, 经过光电隔离可以很方便地输入CPU 中,以此判断断路器的状态。