1、單片微機及電子交流無觸點開關在低壓 (0.4KV) 智能型配電 柜設計中的應用 摘要 :本文主要介紹了單片微機及電子交流開關在低 壓(0.4KV)智能型配電柜設計中的應用，重點介紹了智能型配 電柜的控制原理、關鍵部件 -大功率電子交流無觸點開關的 工作特性和作用。 關鍵詞 :單片微機 ;電子交流開關 ;智能化 ;控制柜 1 概述 電力是各行各業用電單位的生產和生活資料。電力供應 的安全、可靠、穩定、經濟 ,是 用電單位追求的目標。電力經過發電廠以高壓輸送到變 電站進行變壓后再輸送到用電單位 ,用電單位根據用電要求 , 通過自備變壓器最后一次進行變壓 ,再通過計量及配電裝置 進入用電設備。絕大多

2、數用電設備是低壓用電,如 0.4KV 級。 一般單位都設有低壓配電室 ,配電室裝有配電柜、 補償柜、 饋 電柜等裝置 ,對電能進行計量、分配、控制、保護、調節和監 視等。而配電柜和饋電柜是配電系統中最常見的低壓電器。 這類電器 ,我國在 60 至 80 年代都是仿造蘇聯的產品 ;80 年代 后,引進外國技術進行吸收改造國產化。目前國內生產的抽出 式和固定面板式配電柜都不是智能化、 無觸點化產品 ,存在故 障分斷可靠性較差 ,易熔焊 ,產生故障無法形成孤島效應而會 影響一大片 ,并且故障難以查找 ,沒法實現遙控、遙測、遙調、 遙信 ,額定電流參數無法在容量內設定 ,用電狀況參數無法通 過指針式儀

3、表全面顯示和了解 ,安全性較差。 根據傳統型配電柜的存在問題和技術進步的趨勢,我司 從市場需求出發 ,采用功率強大的 PIC 單片微機作控制主機 和 KP 系列大功率晶閘管作為無觸點開關 , 研發成功了智能型 無觸點開關低壓成套配電柜 ,經過四代改進設計和試用 ,表現 出本產品具有顯著的優良特性。 2 單片微機和電子交流無觸點開關在低壓配電柜中的 應用 本智能型低壓配電柜的單片微機控制系統結構如圖 1 所 示: 由圖 1 所見 ,本產品是一種新型的低壓配電裝置 ,組成是 : 控制部分以單片微機做主機的硬件電路板,所述主機還配置 有自行編程的控制軟件和應用軟件 ;具有數據采集輸入口、 數 據控制

4、輸出口、上位機和從位機聯絡的通信口、人機對話輸 入口（鍵盤 ）、用作顯示口的液晶顯示屏、系統故障報警器及 數據輸出打印口等。 本產品中的所有各項電氣參數 ,均屬于微 機自動檢測、自動控制、自動保護、自動整定,并由晶閘管電 子交流無觸點開關實現全自動無觸點化控制管理。由單片微 機做主機構成的計算機實時監督控制系統,具有快速反應阻 斷控制 ,數字表精確度達 0.5-1 級,數據顯示量達到 15 種 ,從而 構成了一個全新的信息化實時監督控制以及無觸點開關的 低壓配電系統。 用電數據顯示部分 ,經數據采集后 ,通過轉換傳送給液晶 顯示屏 ,同時顯示 15 種電氣參數 ,既全面又直觀準確。顯示部 分通

5、過接口與主機實行數據交換 ,顯示部分全為數字化方式。 在數據采集過程中 ,編制有數據采集模塊 ,該模塊具有 12 個高 速數據采集通道 ,可在微秒級內完成一個 12位數（二進制 ）的 采集 ,因此具有快速、準確、量大的特性。 如圖 2所示 ,數據輸出控制部分是由晶閘管無觸點開關 與交流接觸器并聯構成 ,可在毫秒級內對系統的供配電實行 通斷及保護控制。系統對故障處理具有毫秒級的自動控制保 護功能。 系統在軟件的控制下 ,通過晶閘管組成的電子交流開 關,具有完善的保護功能。控制部分全為智能化保護,主系統 可對 24 個從控系統實行全面監控 ,系統可在毫秒級內對從控 系統實行自動控制分離。系統在故障

6、處理上能及時報警、快 速自動保護及即時打印輸出。系統還可以打印各種報表和曲 線。本產品設有 35 鍵鍵盤輸入口 ,它與主機用串行口聯接 ,操 作人員可在鍵盤輸入數據或檢查各種電氣參數。這些電氣參 數可在液晶屏上顯示。 由于本產品系統功能強大 ,因而操作起 來方便。例如 ,本產品若作為廠區低壓供電變壓器 低壓側出口的主控制柜 ,而操作人員僅需將變壓器的容 量用十進制數從鍵盤輸入 ,再將系統電流互感器變比輸入 ,然 后,一系列的保護參數便由系統自動整定了。 通過人機對話鍵 盤,系統電流參數可實現在線無級整定。 在整定范圍內的所有 任意一個整定電流 ,均屬于系統“安 -秒曲線”的控制及保護 范疇。以

7、 2000A 額定電流的低壓配電柜為例 ,用戶設定電流 可按實際需要從 200A 至 2000A 范圍內任意整定。 因此 ,一臺 配電柜的應用范圍就很方便地擴大了。 本產品能為電力系統實行微機控制聯網管理、集中調度 電力提供了技術條件。系統具有遠距離通信能力。因此它可 與上位機 （上一級配電控制系統 ）實行相互交換數據 ,并可與下 一級各“從機”交換數據 ,即能達到遙控、遙側、遙調、遙信 , 如用電單位配電控制室的集中控制管理和供電部門對用電 戶的遠程電力調度和管理 ,從而實現整個配電網絡集中自動 控制和科學化管理 ,極大地提高了電網的管理能力和安全可 靠性。上位機和下位機的通信方式可采用現有

8、技術處理,例如 : 采用專用的數據通信總線、現有電話系統等通信手段。 3 電子交流無觸點開關的工作原理與作用 從圖 3 可見 ,交流 380V 進線電源經過低壓斷路器 ,從快速 熔斷器出來再由濾波電容器進行濾波 ,同時經壓敏避雷器進 行保護 ,再將電源送至大功率晶閘管電子交流無觸點開關。此 時晶閘管與交流接觸器并聯連接 ,起著復合控制作用。 進來的 電源經此開關控制后 ,直接輸出至用戶用電負載。 為了進一步 對電源濾波和防止高電位進入到負載 ,因而從開關下口出來 , 再經過濾波處理和過電壓保護 ,能確保用電負載的穩定性和 可靠性。為確保微機對電流采樣的準確性,從開關出來 ,經過 電流變換的處理

9、 ,既裝了測量電流互感器 ,還加裝了保護電流 互感器。因此 ,系統對過流及短路的保護是相當可靠而準確 的。 本產品是新一代的全智能化、無觸點化、網絡化的新型 低壓配電系統。它的智能化是由單片微機構成的多機系統 , 即采樣部分、鍵盤管理部分、控制部分、顯示部分均由單獨 的單片微機進行數據處理 ,然后經過通信方式與主機進行數 據交換 ,以實現系統全面的 ,快速的 ,準確的實時監督和控制。 它具有連續數字顯示、 自動計量 （ 系統的有功電度和無功電度 并能分時計度 ）、自動保護 （超壓、低壓、過流、過載、短路、 超溫等 ）、自動控制等功能。 微機控制技術代替了傳統式的機 電儀器儀表 ,從而實現了低壓

10、配電系統的全智能化。 它的無觸點化是采用大功率晶閘管和大功率交流接觸 器并聯 ,組合成無觸點復合開關而實現。 晶閘管為半導體電子 器件 ,通過門極控制信號 ,采取過零觸發 ,以完整的正弦波向電 網供配電 ,從而代替了傳統的有觸點開關低壓斷路器。系統采 用晶閘管作無觸點開關控制后 ,大大提高了系統的配電質量 , 抑制了用電設備在開、 停過程中所產生的沖擊電流和過電壓 , 使配電系統更加安全、 更為可靠。 眾所周知 ,電網的諧波污染 , 大部分是來自用戶用電設備的開、停而引起。采用晶閘管作 為控制開關 ,電壓采取過零觸發 （即過零導通 ）和電流過零關斷 從根本上杜絕了大電流對電網的沖擊和過電壓的出

11、現。 因為 , 用電設備控制在零電壓開通 ,此時電流也從零開始 ,根本不存 在大電流的沖擊。 若電壓不是過零導通 ,其余任何時刻導通都 會出現電流的沖擊 ,不外乎是大小而已。 關于過電壓對電網的 污染 ,主要出自電感性負載 ,一旦電流突然中斷 ,儲能設備的電 感將產生極大的反電勢 ,因而對電網產生很大的過電壓沖擊。 按反電勢產生的公式 :e=-Mdi/dt, e 為反電勢 ,-M 為常數 （與電 壓方向相反 ）,di/dt 為電流的突變量。當晶閘管采用電流零時 關斷 ,此時再大的電感性負載 ,其產生的反電勢也為零 ,因為 di/dt=0 。根本不存在過電壓問題。由于晶閘管為半導體電子 器件 ,

12、其電流為器件內部電流 ,根本不屬于金屬間接觸電流 ,因 而晶閘管稱為無觸點開關。 在本產品中 ,我們采用的是大功率 晶閘管與交流接觸器并聯組合 ,成為一個新型的組合開關。 它 有如下特點 : 3.1 交流接觸器為金屬接觸式電流 ,兩觸頭間易產生 熔焊及火花甚至拉弧 ,拉弧嚴重時更易造成相間短路 ,引發供 電事故。其優點是 ,兩金屬觸頭間接觸阻抗很低 ,因此 ,工作時 耗能低 ,不易發熱。 3.2 晶閘管是非接觸式開關 ,導通時為器件內部電子流 ,不 存在接觸問題 ,更無拉弧與火花出現 ,并且開關速度快 ,可頻繁 操作。由于它為可控器件 ,在開、 關的過程中完全不存在電流 沖擊和過電壓干擾。其缺

13、點 : 在導通時有一定的器件壓降 ,因 而工作時具有一定的能量消耗。 3.3 兩者組合后 ,并聯成一個新的開關 ,取其兩者的優點 , 克服各自的缺點。在導通時 ,晶閘管先導通 ,交流接觸器后接 通。斷開時 ,交流接觸器先斷開 ,晶閘管后斷。在平時工作接 通期間 ,名為兩者均導通 ,實際上因為交流接觸器阻抗遠小于 晶閘管的阻抗 ,所以絕大部分負載電流均由接觸器承載。 因此 , 晶閘管不需要加特殊散熱裝置。 3.4 通過無觸點開關與交流接觸器的并聯組合,在低壓配 電柜中代替了傳統式的低壓斷路器。這不但可通過大電流 , 一方面具有傳統式的低功耗優點 ,而且具有現代型電子式無 觸點開關的優點。它是我們

14、研發的新一代現代型和傳統型相 結合的新型開關。 4 智能型電子交流開關低壓 (0.4KV) 成套配電柜的功能 與特點 我們研發的此智能型新產品 ,遵循國家供配電的技術標 準 GB7251-2005 低壓成套開關設備 ,同時參照國際配電裝 置的標準 IEC439 。其功能特點是 : 4.1 全智能化 :配電系統中的各項電氣參數均屬于微機自 動檢測、自動控制、自動保護、自動計量、自動整定,并由晶 閘管電子無觸點開關實現全自動無觸點化控制管理;由單片 微機做主機 ,構成一個全新的計算機信息化實時監督、 控制系 統,具有快速反應阻斷控制功能。 產品采用晶閘管電子交流無觸點開關與交流接觸器并 聯組合 ,

15、實現無觸點化控制 ,替代了傳統的低壓斷路器 ,使配電 柜主電路操作系統不存在電弧、 觸點磨損和熔焊等問題 ,同時 減少系統功耗。 4.2 顯示數字化 :各種電氣參數通過主機進行數據采集、 數據處理后傳給液晶顯示屏 ,可同時連續顯示 15 種電氣參數 如:ABC三相線電壓、ABC三相線電流、系統三相相功率因 數 ,系統最大需量值、系統有功功率、系統無功功率、系統有 功電度數、系統無功電度數、系統全天候時鐘。系統鍵盤能 顯示 11 項內容。我們還設計一個按鈕 ,能操作顯示屏進入休 眠保護狀態 ,需要顯示時再打開 ,可大大延長顯示屏的使用壽 命。 4.3 控制保護智能化 :系統具有完善的保護及控制功

16、能,包 括超壓和低壓保護、電流過載保護、短路電流短延時保護、 短路電流速斷保護 ;可實行無級電流連續整定 ;并可實行分時 計度、計算、制表及打印等功能。系統對故障處理具有毫秒 級的自動控制和保護功能 ,能及時報警 ,快速自動保護及即時 打印 ,把故障點的故障數據及發生時間即時打印輸出,提供查 找和處置。在保護功能設置中 ,我們配置了低壓斷路器保護、 無觸點開關保護、微機控制保護的三重保護。當用戶出現用 電故障時 ,形成“適應性自成孤島效應” ,對電網及其它用戶 不產生任何影響。 本產品用數據采集模塊進行數據采集,該模塊具有 12 路 高速數據采集通道 ,可在微秒級內完成一個 12 位數（二進制

17、 ） 的采集。 由晶閘管無觸點開關構成數據輸出控制,可在毫秒級 內對供配電系統進行通斷保護控制。 4.4 管理網絡化 : 我們在產品系統中設置有異步通信接口 能對上位機和下位機進行通信 ,使電力系統能實行微機聯網 管理、 集中調度和控制 ,實現區域甚至全國網絡化管理。 對用 電規模較大的用電戶來說 ,能很方便地實現單位用電集中管 理、控制和測算。 4.5實現人機對話 :如圖 5 所示,由 35 鍵鍵盤作為數據輸 入口 ,它與主機通信接口聯接 ,操作人員可在鍵盤上輸入數據 或檢查各種電氣參數。 這些電氣參數可在液晶屏上顯示 ,有利 于用電用戶方便地了解用電情況。 4.6 提高用電系統的穩定性 :本產品以晶閘管和交流接觸 器組成電子式交流無觸點開關 ,取代了傳統式的有觸點開關 低壓斷路器 ,使電路在開、 關過程中避免出現大的電弧干擾和 損壞 ,從而提高了控制系統的穩定性和安全性 ,延長了控制系 統的使用壽命 ,同時也有效地抑制了用電設備所產生的涌浪 電流和過電壓對用電系統的影響 ,使配電系統更為安全和可 靠。如圖 4 所示 ,在柜體結構設計上 ,我們還按電磁兼容要求 進行了有關組件的安裝布置 ,通過國家有關部門的全面檢測 , 達到相關標準的要求