多功能三相低壓斷路控制技術和研究

摘要：一種用于三相低壓斷路器的新型控制技術。該技術以微控制器為核心，控制三相低壓斷路故障后的斷開時間，使斷路器完成短路、過載、缺相的故障保護和顯示功能。該控制技術依據(jù)斷路器的反時限斷開特性曲線，合理地設計微控制器的控制軟件，運用電子技術實現(xiàn)了不同電路故障狀態(tài)下的相應斷路延時。

關鍵詞：斷路器 微控制器 控制技術 故障保護

0～25A小型低壓斷路器是小功率低壓電力系統(tǒng)中不可缺少的控制和保護設備。目前常用用的多為塑殼式低壓斷路器，均采用熱動式脫扣控制方式，即利用負載電流的熱效應使雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生變形控制脫扣[4]。由于雙金屬片的形狀結構精度和熱變形難以保證，斷路器脫扣延時時間難以精確控制，所以這種斷路器精度不高。同時它還有功能不完善的缺點，例如：缺相故障無法判斷、引起斷路故障的原因用戶無法知道、維修不便等缺陷。

隨著小功率低壓電力系統(tǒng)對保護設備要求的不斷提高，對傳統(tǒng)的低壓斷路器的控制技術進行改造成迫在眉睫的問題。本文提出以微控制器為核心的可控制低壓斷路保護技術，利用微控制器內(nèi)部含有的高穩(wěn)定度頻率源、定時/計數(shù)器等硬件，配合高精度電流互感器，方便、精確地進行有關時間和電流的處理，使得控制電路相對傳統(tǒng)的熱動式控制方式具有更小的體積和更實用的功能。該技術在很大程度上彌補了原先低壓斷路保護技術的缺陷，精度高、使用靈活、延時時間特性可以精確似合電流——時間特性典線，而且用戶可以根據(jù)需要選擇過載延時級別、調(diào)整額定電流的數(shù)值。

1 控制電路工作原理

系統(tǒng)采用Toshiba公司生產(chǎn)的51系列小型化單片機為核心設計了控制電路，根據(jù)主電路電流情況，判斷主電路工作狀態(tài)，控制斷路器脫扣機構動作。圖1示出了控制電路原理框圖。

電路設備中工作電流數(shù)值是斷路器脫扣的依據(jù)，電流互感器感測三相電路中電流大小。前置電路把互感器輸出電流轉換成電壓，然后進行放大和峰值保持，再送給A/D轉換器采樣。

微控制器依據(jù)采樣結果判斷故障類型，保護過載程度進行延時，延時結束發(fā)出分斷控制信號，在脫扣電路[3]的作用下，切斷主電路，同時點亮故障顯示燈。為了讓用戶可以在一個級別內(nèi)調(diào)整額定電流，單片機對用戶調(diào)整情況進行采樣，然后判斷用戶設定的額定電流，根據(jù)額定電流對采樣結果進行轉換。

根據(jù)斷路器對短路故障的特殊技術要求，從發(fā)生短路到發(fā)出分斷信號需在5ms時間內(nèi)完成。而控制器的工作電源的建立時間大約為100ms，如果開機時發(fā)生短路故障，微控制器就不能在5ms內(nèi)判斷出短路故障并發(fā)出分為怕控制信號。針對這種特殊情況，另外設計了短路判斷電路[2]，由短路電流直接控制脫扣電路，有效地保證了瞬時脫扣時間。然后微控制器根據(jù)主電路中電流情況判斷是否是短路造成脫扣，點亮短路指示燈。

控制電路直接從三相交流電中取出電流，經(jīng)過轉換得到電流電壓，供給單片機和其它電路，不需另外提供直流電源。由于設計要求在原來判斷路器殼體的基礎上改造，給整個電路部分提供的空間很小?；隗w積小的要求，電源部分采用電量儲能穩(wěn)壓輸出的方法。試驗證明當相電壓在380V～220V范圍內(nèi)變化時，微控制器仍然能夠正常工作。

2 單片機工作軟件

主電路電流大小和延時時間的關系是整個程序設計的關鍵。電路提出的反時限斷開特性曲線如圖2所示。

為防止因電路過熱而導致設備的損壞，采用基于電路的發(fā)熱程度進行控制。因此，根據(jù)發(fā)熱量的概念，確定電路電流與延時時間之間的關系。由于不同程度的每一種故障類型都對應著一個特定的發(fā)熱率，正常狀態(tài)下的發(fā)熱率為負。對這個發(fā)熱率進行積分，就得到了不同故障積累的熱量，電路在達到某個特定的發(fā)熱量時，就應該啟動電磁鐵驅動路器將電路斷開。

在反時限保證特性范圍內(nèi)，由于被保護對象是線路，其I2·t=f(t)應為常數(shù)。根據(jù)反時限特性，遵循發(fā)熱量相等的原則，在過載過程中，最終的熱積累效應應符合：

這樣首次過載時，延時時間的計算采用插值法：

式中，I為采集到的瞬時電流值；t為I所對應的時間教育處值；Ik、Ik-1為I電流所在區(qū)域段中緊相鄰的前后電流值；tk、tk-1為Ik、Ik-1相對應的延時時間。

若非首次過載，則考慮熱積累效應，如在負載電流I1時所對應的延時時間為t1，經(jīng)過ti'時間延時后，負載電流變?yōu)镮2,這時重表為定時器賦值的延時時間應為：

根據(jù)電路發(fā)熱量積分原理，將各種不同的故障歸結為同一類型，即為熱效應上的等價關系，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，確定出同時出現(xiàn)多種故障時的延時時間，這樣可以避免因短時間異常而造成的誤動作。由于單片機的運算速度相對于脫扣機械系統(tǒng)的動作時間是非常快的，在程序設計中，將已延時時間和對應的故障的預設定時間進行比較，決定脫扣動作延時時間的長短，從而達到實時控制的功能。圖3示出了微控制器的軟件工作流程[1]。

3 性能分析

實驗線路接法如圖4所示。

額定電流Ie調(diào)節(jié)到0.4A，三個滑線變阻器作為負載，調(diào)節(jié)三個變阻器的阻值改變主電路中的電流，用電流表測量電流值，用秒表測量延時時間。記錄主電路三相中最大電流Imax的過載程度和延時時間。

試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 過載試驗數(shù)據(jù)

可見，此系統(tǒng)運行時，很好地滿足了表2提出的設計技術要求。

表2 過載保護技術要求

設計技術指標對缺相提出的延時時間為：兩相1.15Ie，一相0Ie，動作時間T≤2min；通過單片機精確地控制延時時間，只要在程序中加入延時時間設置即可。

當然，在進行現(xiàn)場實驗時的按照具體的現(xiàn)場條件，可能需要改變某些延時時間，采用單片機系統(tǒng)的優(yōu)越性則進一步在此得到體現(xiàn)。延時曲線的變動變得非常簡單，只需在程序中將相的閾值進行改動，還可以根據(jù)精度要求對曲線進行進一步的細化。而硬件部分不需要任何變化。

采用單片機控制技術的新型低壓斷路器，實現(xiàn)了智能化的要求，克服了傳統(tǒng)斷路的缺點，還增加了一些新的功能。