智能型限载断路器终端控制器的设计与实现

2013-10-09王爱永

河北农机 2013年5期

王爱永

唐山智达自动化工程技术有限公司 064002

1 智能型限载断路器终端控制器的开发背景

随着我国国民经济的高速发展及人民生活水平的不断提高，生产设备、用电器具的数量与功率相应越来越大，因此对电能的需求也越来越大。但是在现行条件下，供电保护设备与计量设备总是在一定的额定电压、功率下运行的，一旦超载用电，就可能造成送电线路的发热、加速老化，甚至可能发生短路造成火灾，或者给用电计量装置及用电器具造成损坏。因此，限制电路超载是很有必要的。当前，一些地方的供电部门不得不在高峰季节、时段，限制大功率电器使用，在保证用户正常用电的情况下，在技术上采取相应的防范超载用电的措施，因此限载断路器应运而生。就此而言，限载断路器及其控制系统用于低压输电线路中，可有效地防范超载用电的发生。

2 智能型限载断路器终端控制器的基本功能

智能型限载断路器控制系统的主要功能应包括过载、短路、过压欠压监测、分析、报警等。具体来说，包括如下几个方面：

2.1 监测功能

系统能实时监测电流、电压、剩余电流，断路器超限跳闸后，必须在规定的时间间隔后方能合闸。对于反复跳闸的线路，系统应设置不断增长的跳闸时间。

2.2 过电流保护功能

系统应具有过电流保护的功能，其主要保护方式为限载式和反时限式两大类。可通过软件设定限载电流、剩余电流、过电流长延时、过电流短延时的设定值与报警值。

2.3 预警功能

针对监测到的电流、电压、剩余电流等限载参数，系统应能及时预警。这里的预警与报警是有区别的。当实际指标接近限载指标时，系统应采取预警动作，超前反馈，主动防护，并通过声、光、电等模式发出预警信号。

2.4 存储、通讯、记录、远程控制功能

应能够对故障、预警信号出现的时间、地点、故障类别进行记录并存储。通过通讯端口，能实现与上位机通信，同时远程开关亦可控制信号通过端子输入，控制断路器动作。

3 智能型限载断路器终端控制器的设计与实现

3.1 原理分析

3.1.1 过流过载故障判断。如前所述，过电流保护的功能，其主要保护方式为限载式和反时限式。系统中，设定限载电流为Irx=（1.05～1.5）In（额定电流），步长设定为 1A，系统预设连续可调，限载时间间隔t r x＝60 s，限载预警电流指标设定为Irx0=0.95In，给预警留出足够的余量。此时，当系统在限载模式下运行时，当负载电流小于或等于额定电流时，系统正常运行；当负载电流小于预警电流但大于额定电流时，系统在一定时间内自动脱扣。

3.1.2 过欠压故障。过欠压故障脱扣采用连续检测延时方式，当连续检测电路电压超过设定的过压值或低于设定的欠压值4s时，即认为出现电压故障，输出控制信号使断路器脱扣，这样可以有效防止由于干扰而使电路器出现误动作。

3.1.3 漏电故障。漏电故障也采用连续检测延时方式，当漏电电流超过0.8倍漏电电流设定值时，即进行声光报警，但是不跳闸，当连续检测实际漏电电流超过设定漏电电流值超过0.5s时，输出脱扣信号使断路器脱扣。

3.1.4 短路故障。本系统设定电流超过额定电流的8倍时，认定线路短路，此时设定断路器短路瞬间动作时间<100 m s。

3.2 硬件实现

在硬件实现上，可以考虑采用一个嵌入式单片机来实现上述故障判断功能，其构成框图如下：

图1 智能型限载断路器终端控制器的硬件框图

目前，在实验中，我们采用了Microchip公司的16位RISC单片机PIC24FJ128为GPU核心，芯片时钟频率为32MHz，支持多种寻址模式，完成前述各类数据输出、预警、报警、通信、显示等基本功能。

硬件部分的实现主要在电流检测、电压检测、剩余电流检测三个方面。对于电流检测与电压检测，则作为一个整体考虑实现。在本系统中，应用了电流互感器与电阻串联，产生电压的模式来形成信号输入，这样既能够减小控制器的体积，也保证了检测的精度。电流检测方面，使用三相交流互感器与整流滤波器、放大器进行信号采集。对于剩余电流的检测，主要是采用直相四线电源的电流矢量和等于零的原理进行的，电流互感器中的磁通量的矢量和应等于0，否则就存在剩余电流。

在通讯硬件电路的实现上，本系统采用Modbus总线模式与上位机进行通信，采用主从式分布式系统进行通讯连接，一台主机控制多台系统。在线路连接上，使用串行接口进行数据的上行与下行发送，发送控制由RS485驱动器MAX485实现。