开关控制装置（共7篇）
开关控制装置 篇1
0 引言
国家电网公司提出“2020年全面建成坚强的智能电网”的目标,智能电网建设将是我国电网未来几年发展的主要方向[1,2]。作为智能电网的重要环节,智能变电站已成为变电站自动化系统领域研究的热点。国家电网公司在江苏南京组织召开《智能变电站技术导则》(送审稿)评审会议。由国网电力科学研究院负责起草的《智能变电站技术导则》通过专家评审。这对智能变电站的相关技术研究提出了迫切的要求。
与现在正在进行的传统变电站的数字化改造相比,变电站的智能化有着不同的内涵。数字化变电站强调的是实现全站数字方式交换信息和互操作;智能化变电站更强调变电站一次和二次设备和全站系统功能的智能化,强调设备的在线监测、快速诊断和自动执行。从目前现状来看,要完成变电站的智能化,智能一次设备的研究是变电站智能化研究的关键所在。开关是变电站主要一次设备之一,其智能化的实现是智能变电站研究的重要内容[3,4,5,6],我们对开关智能化关键设备控制装置的实现进行了研究。
1 研究内容及其必要性
目前国内外还没有真正意义上的智能开关。国内目前进行的数字化变电站项目,开关的数字化实现大多是通过二次设备来转化实现,一般采用数字操作箱的模式。数字操作箱安装在变电站控制室智能控制柜内,通过电缆与开关连接,现场仍然有不小的接线工作量。采用上述方式实现的数字化变电站普遍没有对开关内部的二次回路进行集成化改造,智能数字操作箱与开关整合度较低。适用于智能化变电站的智能开关,其控制装置必须就地安装于开关汇控柜内。开关本体取消了开关内部二次回路,仅提供跳合闸接口、闭锁触点、开关辅助触点,由控制装置实现开关跳合闸闭锁、防止跳跃、强制跳闸、就地操作等功能。同时控制装置还必须承担开关大量数字量和模拟量测量的任务。面对不同的开关现场要求,要实时可靠地实现控制和监测的任务,设计一个能完成灵活配置的控制装置硬件平台是我们首先要解决的问题。
智能开关的过程层接入技术则是在数字化变电站过程层通信的基础上发展起来的。目前,过程总线采用以太网技术在业界已达成共识,部分采用IEC61850-9-1点对点方式传输采样值的试验(或示范)工程已得到了应用。然而,如果采用IEC61850-9-2方式,采样数据、控制命令、状态信息和诊断信息以总线方式在过程总线、甚至全变电站统一的通信网络上完全共享原理可行,优越性明显,工程实现有较大难度,例如以太网的CSMA/CD介质访问控制方法限制了其直接应用于强实时要求这类应用场合。因此,可以说智能变电站通信网络需要实现新的过程层功能,实时性要求和流量特性与传统系统相比发生了很大变化,这不是片面提高通信带宽可以解决的。因此,有必要对过程网络的实时性能进行专门研究,以判断其能否满足智能变电站的过程层功能的实施要求[7]。
传统开关是变电站控制和保护的执行机构,通过电缆的连接,利用模拟的开关量实现开关操作和简单的监测;实现数字化开关实现了基于数字通信的开关操作,其本身也是一个操作机构;配置了智能控制装置的智能开关,基于实时的数据监测和智能保护逻辑的实现,其不仅能够实现基于通信的开关操作,还能实现开关本体的控制逻辑和保护自动作,即智能变电站可以将部分保护功能下放到智能开关本身完成。开关就地保护简化了数字化变电站保护的动作流程,缩短了保护动作时间,实现开关就地保护功能是智能开关的一个主要特征。
开关作为电力系统中最重要的设备之一,肩负着控制和保护的双重任务,其性能的可靠性关系到电力系统的安全运行。目前,对开关性能的检查主要是在停电状况下进行预防性检测,检查其机械和电气性能,但这种方法不能及时发现事故的异常状况,且过度拆卸检修反而会影响开关的正常运行。而正在研建的智能变电站不仅需要运行的稳定性,而且需要尽量减少停机检修的可能性。因而,为了有效地提高输配电系统的可靠性和稳定性,必须能够实时地了解开关设备的运行状况,加强对开关设备状态的在线监测。开关状态监测功能是智能开关的另一个主要特征。
我们在开关控制装置灵活可靠的硬件平台、控制装置的过程层实时通信方面进行了研究,以此为基础构建了智能开关操作装置,实现了开关自动在线状态监测功能及就地保护操作等功能。
2 硬件平台
为了实现控制装置的灵活配置,我们需要的是开发一套适合厂站自动化未来发展,同时也满足可靠性和低成本要求的高速串行总线。
近年来兴起的低压差分总线(BLVDS)具有高速及数据传输稳定的特点,其330 m V的低压差分信号和快速过渡时间,可以使通信速率达到100Mbps~1 Gbps,非常适合装置级背板总线设计。FPGA技术的发展为实现高速串行总线提供了便利条件。我们采用的XILINX 3S系列FPGA自带BLVDS的驱动器,基于该硬件实现的串行通信总线,其电路示意图如图1所示。
高速串行总线具有以下特点:
1)高速度:装置内部通信能够达到至少200 Mbps的串行通信速度。
2)可扩展:总线上至少外挂20个通信模块,为厂站自动化装置的实现提供了极大可能。
3)可靠:高速总线传输中应用了高速数据通信的容错技术,实现数据传输的自纠错,保证数据传输的高可靠性。
4)冗余:装置高速串行总线采用四条总线,总线间完全独立,为装置内部通信提供多路冗余。
5)实时性:装置内部通信采用完全可控的收发机制,保证了装置内部通信的高实时性。如测量模块的全部采样数据传输到CPU模块的传输时间仅在微秒级,如此性能确保了保护装置的实时性要求。
6)灵活性:装置背板各模块插件位置管脚定义完全相同,模块采用标准尺寸,因此模块插件位置可以任意互换。
7)抗干扰:高速串行总线采用差分电路,并在总线板上采用EMC提高技术。基于高速总线的样机装置现通过了各项EMC试验。
目前,基于高速串行总线技术,我们根据结构要求开发了数种总线板。总线板应用了高速PCB布线技术,经详细测试,其总线高速通信性能稳定。
3 变电站过程总线实时特性改进
变电站过程总线实时特性的研究,是根据智能变电站过程层自动化应用环境,综合考虑响应时间、抖动、同步性和吞吐量等标准,参考工业以太网技术标准IEC61784-2,将每个通信周期分成两个不同的部分,一个是循环的、确定的部分,称之为实时通道;另外一个是标准通道,软实时数据和标准的TCP/IP数据通过这个通道传输,如图2所示。
在实时通道中,为实时数据预留了固定循环间隔的时间窗,而实时数据总是按固定的次序插入,因此,实时数据就在固定的间隔被传送,循环周期中剩余的时间用来传递标准的TCP/IP数据。两种不同类型的数据就可以同时在网络上传递,而且不会互相干扰,实现了对以太网技术的兼容。
针对过程总线采样数据、控制命令、状态信息和诊断信息等不同的具体应用所要求的实时等级差异,将其分别映射到不同的通信通道上进行传输以满足区分的实时特性。这里,按实时性的高低,将智能电网过程层信息按传输的实时性分为两类。
1)标准通信,包括:参数与配置;诊断数据;IEC61850-8-1 MMS。
2)实时通信,包括:GOOSE报文,采样数据传输。
以上两类数据按照不同的优先等级(实时通道最优)在过程层总线相应的时间窗内传输,从而保证变电站过程总线实时特性。
4 就地保护和状态监测功能的实现
4.1 装置的主要结构
智能开关控制装置构成如图3所示,主要板件有主CPU板、交直流测量板件、IO测量板件和出口板件,板件数目根据开关现场配置,板件之间基于高速串行总线来实现相互通信。主CPU基于双核CPU构建,主要完成高速总线的接口(接收其他板件的测量数据和发送到出口板件的动作命令等)、测量数据的运算、保护和控制逻辑的实现、过程层通信的实现、间隔层通信的实现、人机界面等功能。交直流测量板件主要完成开关就地交流量的测量、开关状态监测传感器的接入,并组织数据通过高速串行总线上送到主CPU。IO测量板件主要测量开关的动作状态等开关量信息,并将测量数据通过高速串行总线上送到主CPU。出口板件通过高速串行总线接收主CPU板发送的动作命令,接口开关本体的操作机构,使能开关动作的发生。
4.2 就地保护功能的实现
开关就地保护功能实现框图如图4所示。
其工作过程简述如下:控制和保护逻辑、保护的定值等设定数据由间隔层通信接口或人机界面接口下载到控制装置主CPU的参数空间。开关就地交流量经互感器等转换器件传送到交直流测量板件。交直流测量板件将就地交流量经滤波等处理和组帧后经高速总线上送到主CPU板,主CPU板按照设定的控制和保护逻辑进行处理,如判断故障,则向出口板发送相应的动作命令,启动开关动作。
本装置就地保护功能实现的特点是装置保护功能的数据源和出口操作都是基于高速串行总线完成的。高速串行总线数据通信的微秒级实时性保障了保护动作的及时性,同时其带来了装置的灵活可配置,使控制装置能使用不同现场的开关特性。
4.3 状态监测功能的实现
开关状态监测功能实现框图如图5所示。
其工作过程简述如下:由传感器或测试装置测定的数据或信号传送到控制装置交直流测量板件,数据组帧并通过高速串行总线上送到装置主CPU板。主CPU板进行数据处理和自适应补偿工作,经过处理后的数据通过装置过程层网络接口送至智能变电站过程层总线标准通信通道,作为开源数据,供其他各IED使用。
本装置开关状态监测功能实现的特点是,开关状态监测数据上送到智能变电站过程层总线经由总线的标准通道,这种方式不占用总线实时通道的带宽,保证了过程层通信中GOOSE跳闸命令等数据的实时传送,同时使开关数据传送经由过程层总线到变电站其他设备成为可能。
5 总结
智能开关的研究是变电站自动化领域的发展趋势之一。作为开关的智能化的关键部件操作装置必然被大量使用。本项目对开关控制装置灵活可靠的硬件平台、控制装置的过程层实时通信、开关就地保护和在线状态监测功能的实现等方面进行的研究,为智能开关控制装置的实现打下了基础。
摘要：分析了智能变电站智能开关目前主要存在的问题,提出智能开关控制装置研究的必要性,并指出开关控制装置的灵活配置和过程层实时通信性能的提高是智能开关研究需要解决的问题,开关就地保护和开关状态监测是开关智能化的两个主要特征。基于高速串行总线,构建了智能开关控制装置硬件平台,实现了装置的灵活配置;同时提出改进过程层总线通信实时性的方法。在此基础上提出的智能开关就地保护和状态检测功能的实现方案,为智能开关控制装置的研制提供了基础。
关键词：智能变电站,智能开关,控制装置,就地保护,状态检测
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开关控制装置 篇2
目前, 随着我国汽车工业的快速发展, 汽车已大量地进入家庭, 汽车已逐步替代了其他的交通工具, 成为城市、乡村的主要交通工具, 随着我国汽车保有量的急剧增加, 道路拥挤现象明显上升, 交通事故频发。由于汽车车门突然开启, 过往的机动车及行人来不及避让而引发的交通事故时有发生, 现有技术中没有提供相关的车门开控关装置, 因此提供一种汽车自动控制车门开关装置以预防和减少由于汽车车门突然开启使过往的机动车及行人来不及避让而引发的交通事故的发生已迫在眉睫。
2 自动控制开关车门装置的原理
机械原理:利用双向伺服电机, 传动齿轮, 传动齿条, 中央控制模块, 雷达发射器, 雷达接收器, 发射接收天线, 组成中央控制系统, 当遇到人或机动车快速接近时, 汽车自动关闭开启过程中的车门, 避免事故发生。电子控制原理:就是利用雷达传感器给中央控制模块提供车门开启过程中, 车门其他物体距离信号, 速度信号, 角度信号, 当物体接近时, 中央控制模块根据这些信号, 与中央控制模块内部存储的数据进行对比, 确认车门的当前位置, 然后向伺服电机发出指令, 伺服电机执行中央控制模块的指令 (电机正转或反转) , 车门自动开启或关闭。
(1) 当车内人员拉动车门内拉手时, 车门锁块打开, 汽车车门角度传感器既给中央控制模块一个角度信号, 中央控制模块接收信号后给伺服电机发出指令, 伺服电机转动, 车门自动打开。车门打开至最大极限时伺服电机停止工作, 车门停在最大开度, 10 s后, 中央控制模块给伺服电机发出指令, 车门自动关闭, 车门锁块自动锁止, 或使用遥控器关闭车门。
(2) 当车外人员要进入车内时, 使用遥控器开启车门, 车门自动打开, 当人员进入车内后, 10 s车门自动关闭, 或拉动一下车门内拉手, 车门内拉手触点接通伺服电机工作, 车门自动关闭。
3 自动控制开关车门装置的实施
一种汽车自动控制车门开关装置 (图1) 包括弧形齿条1、齿条固定件2、传动齿轮3、双向伺服电机4、以及安装在汽车门处的中央控制模块 (ECM) 5、雷达发射器6、雷达接收器7、发射接收天线8和滤波器9, 弧形齿条1位于汽车车门10与汽车车体铰接处, 弧形齿条1的一端通过齿条固定件2固定在汽车车门口一侧车体上 (车体上与车门对应的位置) , 弧形齿条1的另一端悬浮且插装在汽车车门相应位置开有的限位槽内, 并与传动齿轮3啮合;双向伺服电机4固定在汽车车门上, 传动齿轮3安装在双向伺服电机4输出轴上, 双向伺服电机4驱支传动齿轮3在弧形齿条1的齿面上做顺时或逆时针转动, 通过伺服电机正转或反转转动带动车门开或关;雷达发射器6的波束发射端信号经发射接收天线8传递给雷达接收器7, 滤波器9用于将雷达接收器7接收的反射的回波信号转换成电压信号后给中央控制模块5提供电信号, 中央控制模块5接受电信号后向伺服双向电机4发出指令, 伺服双向电机转动控制车门的开启、关闭。
双向伺服电机4通过线束与中央控制模块 (ECM) 5连接, 接受中央控制模块 (ECM) 5控制, 雷达发射器6和雷达接收器7安装在汽车仪表台上11, 并与发射接收天线相连接, 雷达接收器7接收到波束通过滤波器9, 最终传递给中央控制模块 (ECM) 5, 中央控制模块 (ECM) 5, 再给双向伺服电机4发出指令, 完成自动控制。
4 自动控制开关车门装置的实用价值
自动控制车门开关装置适用于任何车辆, 应用面广, 具有较高的实用价值, 推广价值, 该装置利用伺服双向电机, 传动齿轮, 传动齿条, 中央控制模块, 雷达发射机, 雷达接受机, 发射接收天线, 形成自动控制系统, 受中央控制模块的控制, 雷达发射器通过天线向各侧车门方向发射波束, 再由接收器接受反射的回波, 通过回波分析测定接近物体的角度, 距离, 时速。再由滤波器转换成电压信号, 给中央控制器提供电信号;中央控制器接受电信号后伺服双向电机发出指令, 伺服双向电机转动, 控制车门的开启和关闭。当有人或车辆超出设定的范围时, 雷达传感器就给中央控制器发出信号, 中央控制器接受到位置信号后, 向伺服电机发出指令, 伺服电机启动, 车门快速关闭, 避免与人或车辆相撞。通过雷达发射器发射波束, 接收器接受反射的回波, 滤波器转换成电压信号, 给中央控制器提供电信号, 中央控制模块接受信号再给伺服双向电机发出指令来完成汽车车门自动关闭, 避免与人或车辆相撞。从而获得在遇到人或机动车快速接近时, 汽车自动关闭开启的车门, 避免人或机动车与汽车车门相撞, 造成人和汽车损伤, 同时中央自动控制系统还可以节省人力, 无需用力开关车门, 只要使用遥控器, 车门钥匙或车门拉手, 车门自动打开或关闭。
5 结语
自动控制车门开关装置, 避免了交通事故的发生, 为汽车安全行驶提供了保障, 使电动车及行人有了安全保障, 完全避免了人身伤害, 自动控制车门开关装置具有极大的推广价值, 该装置设置合理, 结构简单, 便于安装, 实用广泛。
摘要：客运汽车自动控制车门开关装置, 预防汽车车门开启时与人或机动车相撞, 利用弧形齿条, 传动齿轮, 双向伺服电机, 中央控制模块, 雷达发射器, 雷达接收器, 发射接收天线组成中央控制系统, 当遇到人或机动车快速接近时, 汽车自动关闭开启的车门, 避免人或机动车与汽车车门相撞, 造成人和汽车损伤, 中央自动控制系统还可以节省人力, 无需用力开关车门, 只要使用遥控器, 车门钥匙或车门拉手, 车门自动打开或关闭。
关键词：弧形齿条,传动齿轮,双向伺服电机,中央控制模块
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开关控制装置 篇3
近几十年来,为了满足各种民事、军事及多地开关控制电路经常被应用于住宅照明、施工场所、生活生产等多个领域[1]。例如在学校、公寓大楼、机关等现代化建筑的配电设计中,为对系统配电进行科学化管理,通常采取多处灯源控制的电路设计 ;在人行通道、楼梯走廊等公共建筑场合,同样要求达到多处开关控制照明装置的目的。随着社会经济建设的不断深入及电工技术的快速发展,控制电路已逐步朝着集成电路的方向发展。在此种形势下,设计并制作出照明装置多地控制开关电路具有非常重要的应用价值。
1照明装置两地控制开关电路分析
双控开关分为一位、两位或是多位,其中后两者的双控开关主要由两组及以上的一位双控开关共同组成[2]。实际上,一位双控开关指的是一个单刀双掷开关,两只开关分别对相应灯具进行控制,如图1所示。在图中,开关S1与S2为一位双控开关,每一只开关均能对照明电路的通断状态进行任意、单独控制。
由图1中的“2控1”电路图中可以看出,只要将任一开关的状态改变,无论电路处于何种初始状态,照明电路都会由通电变为断电或相反。此外,此种电路设计不但线路简明,便于检修,且充分符合用电安全规范要求。
2 照明装置三地控制开关电路分析
在实际住房装修中,有时会要求在房门间的通道以及床的两边这三处地方对房间同一盏照明灯进行共同控制,通常采用一只一位三控开关与两只一位双控开关[3]。然而,市场上三控开关比较少,因此可以利用一只两位双控开关进行代替,其电路图具体如图2所示。
在图2所示的3控1线路图中,S2为双位双控转向开关,S1与S3则为一位双控开关,这三只开关均能对照明电路的通断状态进行任意、单独控制。以图2中的原理为基础,在两只一位双控开关之间设计出更多的双位双控转向开关,便可制作出照明装置多地控制开关电路系统,具体如图3所示。
以图2中的“3控1”电路为基础,在三地控制电路的双位双控后面不断嵌接“双位双控”,即可构成“多控1”的开关控制电路。在此种电路中,任意两只开关均由两根导线连接起来,当改动一次开关,其两侧的上下导线交换连接一次,进而改变线路的通断状态。多地控制开关电路的优势为线路简单,且开关分布在同一个方向时,具有比较低的布线成本 ;此种电路的不足之处便是当开关分布在整个空间或平面时,难免会出现迂回的布线形式,不具备高灵活度与经济性,并且此电路的失压保护功能比较缺乏,不适用于大电量电路。基于此,下文就多地控制开关电路进行进一步的设计与改进。
3 照明装置多地控制开关电路的设计与制作
3.1 多地控制开关电路的设计思路
上文提出的电路设计对灯具容量较大的场合存在一定的局限,对于生产流水线,以及大型的车间与仓库,采用上述的开关电路是难以充分满足控制要求的。分析上述电路存在的不足之处,我们考虑应用多个按钮对控制电路进行组合,系统设计思路图具体见图4。
3.2利用继电器按钮对多地控制开关电路进行改进
继电器按钮多地控制开关的电路图具体如图5所示,将继电器QF合上后,按压SB1-1、SB1-2等打开按钮中的任意一个,KM1通电,所有照明灯具均打开 ;按下SB2-1、SB2-2等关闭按钮中任意一个,KM1变为断电,所有照明灯具均关闭。这样将SB1-1与SB1-2、SB2-1与SB2-2、SB3-1等多个按钮开关进行组合,从而形成多个按钮开关对照明电路进行同时控制的装置。著优点,倘若将主电路作为中心,处于各地的开关只需引三根导线便可辐射至空间或平面的任意方向 ;其缺点便是开关引去的导线偏多,且开关需按钮两两组合方可发挥出作用,给具体使用造成了不便之处。
3.3 多地控制开关电路的简化组合及其制作
在生产流水线,以及大型的车间产房及库房中,通常采用三相四线制电源对照明灯具进行供电[4]。对上述图5开关电路图的优点及不足之处进行分析,在此基础上利用继电器的接触元件设计出了图6所示的多处开关控制电路。我们在按钮盒中装带一个处于常开状态的按钮,对线路中的任一按钮进行操作,便可对整个照明装置的通、断电状态进行独自、任意控制。
将继电器QF合上之后,对SB1、SB2、SB3等任一开 关进行按 压,便可将KM1回路接通,同时装置KM1通电,KM2回路被断 开,KM回路接通,装置KM在得电的同时进行自锁,所有照明装置均被打开 ;将SB1、SB2、SB3等任一开关松开,KM1则失电。在实际生产生活中,当需要将照明装置的电源关闭时,按压SB1、SB2、SB3等任一开关即可,此时接通了KM2回路,装置KM2得电,KM回路则被断开,KM失电,所有的照明装置均熄灭。经过大量实践研究得知,经过简化组合处理后的此种电路设计方法非常简单方便,具有较高的使用价值与经济价值,同时便于安装与维修,在两处及多处控制方面同样适用。简化后的电路随着控制地点不断增多,并不会逐渐复杂化,而是具有习惯的电路设计分析规律,同时具有较高的实用价值与研究参考价值。
3.4 电路的创新设计
在对照明装置多地控制开关电路进行设计与制作时,相关技术人员尽可能多的对之前人们做的相关研究及实验进行了解与分析,尤其需要高度重视不同电路设计方法的特点。为设计并制作出方便简单、安全可靠、经济实用的开关控制电路,就应从表面差别比较大的电路装置中将其蕴含的各种不同方法挖掘出来,并进行充分把握,进而设计出具有创造性的实验电路[5]。例如,图7即为单向可控硅电路改进后的线路图。
在图7所示的开关电路图中,我们将其整流滤波后转为由按钮进行组合与控制,具体操作步骤为 :按下S1-2、S2-2、S3-2等众多按钮中的任意一个,便可导通可控硅,照明灯具通电 ;将按钮松开后,虽然可控硅失去了电压,但其自身具备持续导通的特性,因而可以实现继续导通。而将S1-1、S2-1、S3-1等任一按钮按下后,便使得可控硅发生短路,可控硅失压后便松开,此时灯具熄灭。这样组合S1-2与S1-2、S2-1与S2-2、S3-1等多个按钮开关,进而制作出对同一灯具进行同时控制的装置。这样在实验教学过程中,学生通过对较少但又熟悉的技术细节进行分析便可将电路图中的简单实用的物理原理进行体会,同时很好地掌握其中的设计技巧。
4 结语
开关控制装置 篇4
1. 相关技术的国内外发展现状
目前, 国内外高速开关阀的技术发展比较成熟, 但多局限于提高响应时间, 而控制流量较小, 自力式差压控制技术在国内外得到广泛应用, 下面做简单介绍。
1.1 高速开关阀研究现状
比较典型的有以下几种:
(1) 高速开关电磁阀
高速开关电磁阀的控制方式是PWM脉宽调制方式。当脉冲信号为低电平时, 电磁铁断电, 实现控制动作;当脉冲信号为高电平时, 电磁铁通电, 实现控制动作。
(2) 压电晶体型高速开关阀
近年来, 国外利用某些晶体材料的压电效应来研制高响应电液阀, 取得了一些进展。压电驱动式电液阀就是利用了压电材料的电致伸缩效应特性。
(3) 稀土超磁致伸缩材料高速开关阀
针对电磁铁吸合式电磁阀在频响和输出功率方面存在的局限性, 提出采用稀土超磁致伸缩材料做高速开关阀驱动器。其工作原理是:激励线圈内通入按一定规律变化的电流, 引起磁场强度的变化.进而稀土超磁致伸缩材料棒长度发生变化.推动变形梁使之发生变形;通过变形梁的放大作用, 再推动顶杆移动, 实现控制动作。与压电陶瓷材料PZT相比, 在低频段应变量较大, 且可以承受较大的压应力, 可以高速实现电磁能与机械能之间的转换, 但是需要消耗大量的驱动能量。
(4) 电流变液高速开关阀
电流变液高速开关阀是以电流变液体为驱动元件。由于电流变液具有独特的电场响应特性, 且响应速度很快 (一般为毫秒级) , 因而被人们称作“机敏材料”。
高速开关阀存在两方面缺点:一是控制流量较小;二是控制精度较差, 响应频率还不是很高。目前国内外学者们主要是从这两方面着手研究。对阀的控制大流量主要采用二级高速开关阀, 对阀的控制精度主要是从控制方式上下功夫, 对阀的响应频率主要是从驱动器的材料和结构上研究、改进。
国外一些科研机构致力于研究高速开关阀与逻辑锥阀配合进行大流量控制等课题。由于高速开关阀本身结构决定而允许通过最大流量较小, 但如果用来作为一先导阀控制一个逻辑锥阀, 则有可能进行较大流量的比例控制。日本已有定型产品, 控制流量可达20L/min。最近, 洛阳工学院的周福章等人也撰文介绍了他们所研制的新型二级高速开关阀。这种阀采用柱塞式液压增益放大机构, 以高速开关电磁阀作为先导级, 通过第二级锥阀的液压放大, 使阀所能控制的最大流量超过80L/min, 不仅保持了阀有较高的切换速度, 而且通过使用“降幅双压驱动”较好地解决了大流量与快速性之间的矛盾。此阀的主阀开启时间为0.8ms, 关闭时间为3ms。
1.2 差压自力式控制技术发展现状
国内差压自力式控制技术发展比较成熟。后勤工程学院曾研制成功油罐防溢自力式液位控制装置, 是应用流体传动与机械控制的基本原理 (包括小孔节流、小孔滤波、差动压力控制等) , 创新设计的差动自力式控制阀。装置的基本工作原理如图1所示:
如图1所示, 装置由差动控制阀、液位开关及控制管路等组成。差动控制阀由内外两个腔体组成, 主阀芯安装在内腔体内。在非工作状态, 腔体内没有建立输送介质压力, 内腔主阀芯在弹簧力作用下处于关闭状态。开始工作后, 进油管路来油首先经小孔滤波, 以稳定腔体内部的流体压力, 建立稳定的内部流场, 避免局部扰动影响。内腔进流小孔孔径φA小于出流小孔孔径φB, 利用φA的小孔节流效应, 在内腔体内不能建立流体压力, 此时主阀芯上部只受到弹簧力的作用。在主阀尚未开启的情况下, 外腔体即主阀芯下部的流体压力即为泵的出口压力, 该压力对阀芯形成的向上作用力大于弹簧的弹性力, 主阀开启, 开始正常的灌装作业。当罐内液位到达设定液位时, 浮筒上升堵塞控制油路通往油罐的出流小孔, 由于内腔处于充满状态, 在控制装置内腔很快建立起与外腔一致的流体压力, 主阀在弹簧力的作用下关闭, 完成液位控制过程。小孔节流效应限制了主阀芯下降速度, 使主阀缓慢关闭, 避免了因关阀速度过快引起水击升压, 造成管路震动或损坏。
2. 电磁先导控制自力式高速开关装置的研究思路
分析上述高速开关阀的发展现状, 目前国内外高速开关电磁阀控制流量较小, 单一依托电磁阀无法满足该项目控制需求, 本课题拟研制的高速开关装置采用电磁控制先导阀, 主阀利用差压控制原理, 既可有效提高控制流量, 其开启响应时间也能满足项目需求。装置的基本工作原理如图2所示
如图2所示, 装置由差动控制阀, 电磁开关阀及控制管路等组成, 差动控制阀由内外两个腔体组成, 主阀安装在内腔体内。在非工作状态, 电磁阀开启, 内腔进流小孔孔径φA小于出流小孔孔径φB, 利用φA的小孔节流效应, 在内腔体内不能建立流体压力, 此时主阀芯在大气压和内腔1弹簧的联合作用下处于关闭状态。当模拟突发泄露工况时, 电磁阀关闭, 由于内腔2处于充满状态, 在控制装置内腔2很快建立起流体压力, 此流体压力即为泵出口压力, 该压力远大于内腔1内压力, 主阀在进口流体压力和内腔2内压力联合作用下瞬间开启, 完成控制过程, 形成瞬间泄露。
3. 结语
开关控制装置 篇5
在电动机起动器中的电动机过载保护继电器或起动器适合提供电动机和电路导线的过载保护。作为UD的断路器需对电路导线和起动器本身提供短路保护。过电流继电器和断路器之间的配合按IEC 60947-4-1中B.4或IEC 60947-4-2附录C试验确定, 不论是1型还是2型组合的确定, 都要保证电动机起动电流的选择性。具有过载和故障电流保护功能的断路器可用于此目的, 见图4。但仅有瞬时脱扣功能的断路器也需要和瞬动断路器ICB (符合IEC 60947-2附录D) 一样应特别指明适用于此目的, 见图5。
注:符合IEC 60898-1的断路器具有规定的过载特性, 按瞬时脱扣水平分档有规定的误差范围。因此在过载区域的选择性可参考B、C、D型特性。一般D型适用, 因为可避过电动机冲击电流。B型—瞬时动作范围 (3～5) In;C型—瞬时动作范围 (5～10) In;D型—瞬时动作范围 (10～20) In。
5.2熔断器 (符合IEC 60947-1) 作为上级电器 (UD)
IEC/TR 61818提供了低压熔断路的详细应用指南。
IEC/TR 61459提供了熔断器与接触器或电动机起动器之间配合的详细应用指南。
5.2.1熔断器和断路器——符合IEC 60269-1的熔断器 (UD) 与断路器 (DD) 之间的选择性
配电装置一般以断路器或熔断器为主, 但除用电端外, 往往在特别高的预期电流时出现熔断器作断路器后备保护的特殊情况。
5.2.1.1熔断器和断路器——在过载区域内选择性
在过载区域内的选择性由比较时间-电流特性曲线确定, 见图6。
(过载区域内的动作时间对熔断器t≥0.1s)
5.2.1.2熔断器和断路器——在故障电流区域的选择性
在故障电流区域内的选择性由I2t特性曲线确定。
选择性极限电流为断路器的允通I2t超过熔断器弧前I2t处的值, 见图7。
5.2.2熔断器和熔断器——符合IEC 60269-1的熔断器之间 (UD和DD) 的选择性
5.2.2.1熔断器 (UD) 和熔断器 (DD) ——在过载区域内的选择性
过载区域内的选择性由比较时间-电流特性确定, 见图8。
5.2.2.2熔断器 (UD) 和熔断器 (DD) ——在故障电流区域内的选择性
故障电流区域内的选择性由I2t特性确定。选择性极限电流为下级熔断器FU/DD的全动作I2t超过上级熔断器FU/UD弧前I2t处的值。实际建议容许一个动作范围, 即DD I2t小于或等于80%UD弧前I2t。
在故障电流 (短路) 区域内熔断器的I2t为恒定 (为选择性目的) , 因此可从制造商提供的平面图得出。弧前I2t与 (此区域内) 电压和电流无关。但是电弧I2t与系统电压有关, 因此有效全动作时间在中性线接地 (TN) 情况下FU/DD的全动作I2t取系统的相对中性点电压。
5.2.2.3熔断器 (UD) 和熔断器 (DD) ——额定电流比率
符合IEC 60269-2同型号 (例如g G) 额定电流16 A以上的熔断器如果FU/UD与FU/DD额定电流之比为1.6:1或更大些时就有选择性。
5.2.3熔断器和控制与保护电器——熔断器 (符合IEC 60269-1) (UD) 和控制与保护电器 (符合IEC 60947-6-2) (DD) 之间的选择性
通常符合IEC 60947-2的控制与保护电器是终端电器, 即电动机控制器, 因为它既有内置过电流脱扣器, 又有短路分断能力, 为选择性目的, 它可以用像断路器的同样方法处理 (见5.2.1) 。
5.2.4熔断器和电动机过载保护继电器——熔断器 (符合IEC 60269-1) (UD) 和电动机过载保护继电器 (符合IEC 60947-4-2) (DD) 之间的选择性
在电动机起动器内的过载保护继电器可作为电动机和电路导线的过载保护, 作为UD的熔断器需要对电路导线和起动器本身提供短路保护, 过载继电器和熔断器之间的选择性按IEC 60947-4-1中B.4 (起动器和SCPD之间的交接电流协调) 或IEC 60947-4-2中附录C (过载保护电器与SCPD之间的选择性) 试验确定。符合IEC 60269-1的gG级熔断器可用于此目的。但是因为只需故障电流 (短路) 保护, 需要为此目的专门指定熔断器。符合IEC 60947-2的gM、gD和aM型熔断器是小尺寸熔断器, 可用于电动电路。gM和gD型在过载区域内有延时, a M型只在故障电流区域内动作, 在每一种情况都要有承受电动机冲击电流的能力。
在符合IEC 60947-4-2的半导体电动机起动器的情况下, 当规定是2型配合的时候, 需要符合IEC 60269-4的半导体熔断器。
按IEC 60947-4-1中B.4的协调确定, 不论是1型还是2型均要保证规定的电动机电流以下的选择性。
6 剩余电流动作保护装置 (RCD)
6.1 前言
专用产品要求在IEC 61008-1、IEC 61009-1和IEC 60947-2附录B和附录M中给出。这些标准是和包括在《技术报告IEC62350:正确使用RCD指导》的指令一致。
RCD的剩余电流保护功能类似接地电流保护。
术语“剩余电流”一般指装置检测到的相线和中线 (单相电路) 之间的任何电流差;余额电流或剩余电流就是接地电流。在三相电路中, 装置检测主极中电流矢量和的任何合成电流。在这两种情况中, 这些条件发生在电流从RCD负载侧经过大地途径返回到电源的情况。
注:RCD也能看作一个漏电保护装置。
剩余电流保护功能可与过载和 (或) 短路保护组合在同一装置中, 或在系统中独立使用。
在TN-S系统或IT系统中, 绝缘故障可能产生大电流, 此故障电流也可能被RCD和过电流保护装置检测到, 在此情况下需考虑所有装置包括后备保护装置的特性。
一个RCD有额定电流 (In) (主回路) 和剩余动作电流 (IΔn) , IΔn可以是固定的或可调节的, 瞬时或延时的。
6.2 剩余电流动作保护装置之间的选择性
需考虑二种剩余电流情况:
(1) 对地漏电电流:定义为在没有电路故障时流到大地的电流, 其电流值可能是几个毫安;
(2) 对地故障电流:定义为在电路故障情况下流到大地的电流, 即带电导体与大地之间的绝缘被破坏。
6.2.1 对地漏电情况下RCD之间的选择性
瞬动的 (无延时的) RCD串联时, 选择性极为有限, 因为任何超过RCD/UD的IΔn的漏电电流将引起两个RCD动作, 因此RCD/UD需延时 (例如S型) , 以达到选择性, 见图9。实际上RCD/UD的IΔn与RCD/DD的IΔn之比至少应为3:1;RCD/UD的延时应大于电路中任何一个DD的全部动作时间。
一般非延时RCD用作电路终端电器。
IΔn为30 m A以下的RCD (有时指高灵敏的RCD) 常用作电击保护 (主保护) , 在此情况只需非延时型。当RCD的IΔn整定值、延时整定值有一个可调范围时, 对30 m AIΔn整定值时不履行延时, 自动转为瞬时动作。
S型RCD是一种专用的延时型RCD, 标以符号。
它们按IEC 61008-1、IEC 61009-1和IEC 60974-2附录B和附录M有明确的特性规定, 按这些标准可对非延时RCD的选择性进行设计。其特性见图9。
6.2.2 对地故障电流情况下RCD之间的选择性
一般对地故障电流比对地漏电电流大得多, 如几十安、几百安甚至几千安。串联RCD之间的选择性按对地漏电电流同样方法得到, 但是要考虑在大电流中与上级SCPD的配合。在所有情况中选择性以RCD延时梯级为基础。
在RCD带内置过电流保护的情况, 功能协调自动进行 (在额定短路能力以下) , 不需上级SCPD。
因为串联RCD的选择性有限, 不得不设置多重的时间梯级。区域联锁可能是优选方案。
7 区域选择性联锁
7.1 引言
区域选择性联锁是一种控制断路器的方法。它能在极短的延时时间内提供选择性保护, 与配电系统的分级数量和故障位置无关, 在每台受影响的断路器上需设置ZSI模块, 置于断路器内部或单独设置均可。可提供相应故障、接地故障或二者兼有的联锁。
7.2 动作原理
如果ZSI用于多个分级的系统中, 每一个受短路电流作用的断路器 (即故障的上级) 直接询问下级断路器查清在下级电路是否存在短路电流。延时整定值tZSI整定在保证下级断路器 (直接在故障上方) 有时间分断故障。ZSI的优点是可增加分级数, 因为时基选择性会在系统电源端断路器造成较长的不希望的延时。
7.3 举例说明
ZSI的动作原理用下例可作最好的说明, 见图10。
例A:在区域3短路
断路器Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q7承受短路, Q7根据ZSI信号锁住Q5, 也锁住Q1、Q2和Q3, 因此它们在tZSI=50 ms时不脱扣。因为Q7没有接收到从下级断路器来的联锁信号, Q7本身担负尽快分断短路电流的责任。
进一步讲, 万一断路器有问题 (即Q7不尽快动作) , Q5可作为后备保护, 在经过短延时整定值tSD=150 ms后脱扣。
例B:在区域2短路
断路器Q1、Q2、Q3和Q5承受短路, Q7不承受短路电流。因此Q5不可能收到从Q7来的联锁信号, 但能提供联锁信号至Q1、Q2、Q3。此信号告诉Q5, 它是最靠近短路上级的断路器, Q5经tZSI=50 ms脱扣而不是150 ms, 时间减少10 0ms。
例C:在区域1短路
仅Q1、Q2、Q3承受短路, 它们没有收到下级任何一台断路器的联锁信号, 因此Q1、Q2、Q3在tZSI=50 ms后脱扣, 时间省去250 ms。
8 过电流保护继电器 (OCR) ——与单个激励量计量继电器 (与时间有关或无关)
OCR装置的要求在IEC 60255系列标准中规定。
用一个电源向OCR和电流互感器监视系统的电路供电。
继电器的输出作为非自动开关电器的电气脱扣系统的输入, 例如使非自动断路器的分励脱扣器动作。断路器的ICW额定值必须等于或大于装置点的预期电流值, 其相应额定时间与OCR整定值一致, OCR的过载特性调整到与断路器特性相配合。
OCR和开关电器配合能作为另一种用途的带内置保护继电器的断路器。一般OCR用于中压 (MV) 和低压 (LV) 主开关柜的电源输入端, 见图11。
系统设计师可选择用一个OCR提供电力系统所需的保护、选择性、传感和通信。
OCR制造商提供详细的使用说明书, 并提供用于测量系统的电流互感器及它们在系统中应处位置的建议。
串联OCR之间及OCR和另一OCPD之间的选择性可用图解装置的时间-电流特性得到, 采用和断路器同样的方式, 见4.1。
注:在确定与另一像4.1所描述的装置的选择性时, 与OCR配合的断路器的全部动作时间必须考虑到OCR脱扣时间特性的增加。
开关控制装置 篇6
1 范围
本文作为确定低压开关设备和控制设备过电流保护装置之间的选择性的应用指南,汇总了有关名词术语的定义,提供了应用范例。
本文涉及下列标准:
IEC 60255-3、IEC 60255-6、IEC 60255-8、I E C 60255-12;I E C 60269-1、I E C 60269-2、I E C 60269-3、I E C 60269-4;I E C60898-1;IEC 60947系列标准;IEC 61008-1;IEC 61009-1。
本文不涉及其它保护形式,诸如逆功率保护、正向保护、电弧保护系统等。
2 参考标准
参考标准见参考文献[1-16]。
3 术语和定义及缩写
3.1 术语按英文字母排序
3.2 术语和定义
3.2.1 过电流保护装置的配合
串联的两个或多个过电流保护装置的配合,以保证选择性和(或)后备保护。
3.2.2 过电流选择性
两个或多个过电流保护电器之间的动作特性的配合。在给定范围内出现过电流时,指定在这个范围动作的电器动作,而其它电器不动作(IEV 441-17-15)。
注:串联选择性和网络选择性是有区别的,串联选择性包含不同的过电流保护电器同时通过同一电流;网络选择性包含同一保护电器通过不同大小的过电流。
3.2.3 保护的选择性
识别电力系统中发生故障段和(或)相的保护能力(IEV 448-11-06)。
3.2.4 选择性极限电流
上级(IEC中称上游,下同)过电流保护装置的最大断开时间-电流特性与下级(IEC中称下游)过电流保护装置的弧前(对熔断器)或脱扣(对断路器)时间-电流特性之间交叉点的电流(Is)(IEV 442-05-60修正了的)。
注1:对无人为延时断路器组合情况,在短路区域内选择性极限电流不是一个简单的时间函数,必须根据试验数据确定。
注2:对熔断器组合情况,在短路区域内选择性极限电流是允通能量I2t的函数。
3.2.5 过电流保护装置(OCPD)
OCPD是电路电流超过预先确定的规定延时情况下用于断开电路的装置(IEV 826-14-14修正了的)。
注:术语OCPD包括一过电流保护继电器与一单独的开关电器组合的用途。
3.2.6 后备保护
后备保护指两个串联的过电流保护电器的一种过电流配合。电源侧保护电器(一般是电源侧,但并非一定是电源侧)在有(无)另一保护电器的帮助下实现过电流保护,并防止另一个保护电器的过负荷。
3.2.7 上级(上游)电器UD
考虑两个OCPD之间的选择性时,连接到最靠近电源电路中的OCPD。
3.2.8 下级(下游)电器DD
考虑两个OCPD之间的选择性时,连接到上级电器之后至负载中间电路的OCPD。
3.2.9 过载区域(过电流的)
过载区域指超过OCPD额定电流的电流范围,在电路中无故障时由电路负载而引起的。
注1:OCPD动作的过载区域,根据反时限电流-时间特性在几秒至4 h的范围内。
注2:在配电电路情况下,过载区域没有严格规定,因为它取决于负载承受过电流的能力,它可按OCPD的特性规定如下:
(1)在断路器情况下,过载区域是脱扣特性反时限变化起点至实际上是瞬动之间的区域,实际瞬动水平在0.2 s以内动作。典型的情况发生在10倍标称全负载的范围,取决于整定值。
(2)微型断路器MCB按IEC 60898-1瞬动脱扣极限中有的规定,在该标准表J中规定有三种型式:B、C和D。
(3)在熔断器情况下,过电流区域可考虑造成熔断器在0.1 s以上动作的过电流值。典型的在10～20倍额定电流以下。
注3:在一条电路供一单独电动机的情况,过载区域限制在电动机的堵转电流。典型的6～15倍电动机满载电流(Ie),特殊情况可见更高值。
注4:在过载区域内可能出现瞬变条件,例如变压器冲击电流,时间仅为数毫秒。
3.2.1 0 故障电流区域(过电流的)
故障电流区域指由电路故障产生的超过过载电流的电流范围。
4 选择性要求的范围
4.1 概述
表1示出考虑的OCPD的范围,并列出了每种选择性的符号和相应的条款。如果过电流保护电器装有由电源线电压供电的欠电压脱扣器时,可能由于上级电器的动作(因短路引起电压降低)而影响选择性。为了提高选择性,欠电压脱扣器应有一定的延时。
表中代号:
C B—断路器;M C B—微型断路器,符合IEC 60898-1;C PS—控制与保护的开关电器,符合IEC 60947-6-2;MOR—电动机过载继电器;RC D—剩余电流装置,符合IEC 61008-1、IEC 61009-1;FU—熔断器,符合IEC 60269系列。
4.2 电动机保护断路器和手动电动机起动器
这些电器没有独立的IEC标准覆盖,但是其中断路器特性包括在IEC 60947-2中,电动机过载继电器的特性包括在IEC 60947-4-1中,为了讨论上级电器选择性目的,可用对待断路器同样的方式对待。
5 选择性的确定
本条讨论确定两个串联OCPD在系统中任何一点的选择性的方法。完善的协调研究要求把一些方法应用到所有的OCPD中,从电源到负载。在确定选择性极限电流时必须考虑动作特性的应用误差。
为简化起见,在后面的图中用没有误差的特性带表示。在利用公布的时间-电流特性时,对下级电器(DD)需考虑最大动作时间曲线,对上级电器(UD)需考虑最小动作时间曲线。
注:为精确严格起见,热式过载装置应考虑动作温度,考虑冷、热二种特性。实际上在多数情况下比较二条冷态特性或二条热态特性足以得到满意的解决。
5.1 断路器作为上级电器(UD)
由断路器MCB、MCCB、ACB提供过电流保护特性:
内部——热/磁式、电子式,仅MCCB、ACB;
外部遥控——由MCCB或ACB组合的过电流保护继电器。
5.1.1 断路器之间的选择性
5.1.1. 1 断路器——在过载区域的选择性
在过载区域内的选择性用比较时间-电流特性验证,见图1a)和图1b)(图1b)仅适用于MCCB和ACB)。在过载区域内,特性的时间轴和电流轴离开,就能保证DD对相应的UD选择性动作。应考虑应用误差,按产品标准要求,制造商的数据应表示成误差带或用其它方式表示应用误差。
5.1.1. 2 断路器——在故障电流区域内的选择性
断路器之间的选择性在产品标准IEC 60947-2附录A和IEC 60898-1附录D中有详尽描述,并规定了确定在故障区域内的选择性的试验方法。这些适用的方法在5.1.1.2.1和5.1.1.2.2中再加详述。
注:由于基本结构原因,符合IEC 60898-1的MCB一般对符合IEC 60947-2的MCCB有高度选择性。
5.1.1. 2. 1 断路器——用比较特性曲线法确定在故障区域内的选择性
根据特性曲线确定两台断路器在故障区域内的选择性仅限于有电子脱扣器提供的短延时功能的情况,见图2,使UD瞬时脱扣的故障电流时的选择性,对电子式和电磁式脱扣器二者均须按制造商提供的试验数据确定(见5.1.1.2.2)。
在UD是热/磁式断路器的情况,如果没有专门的试验数据,两台断路器在故障电流区域的选择性的最低水平可如下确定:
当DD的允通电流峰值低于UD的相应瞬时脱扣值的峰值,就认为在故障电流区域有选择性。
例:UD=800 A MCCB;I瞬时=(8～12)k A;DD=125 A MCCB(即整定值(10±0.2)k A)。
UD的最小脱扣水平为8×1.414=11.3 k A峰值;由于DD的限流效应,从工厂数据得知DD在15 kA的预期允通电流为11 kA峰值,因此系统至少在15 kA预期电流时有选择性。
注:按此方法得到的选择性极限电流在低端会有误差,按试验确定的实际选择性极限在多数情况下有明显提高。
5.1.1. 2. 2 断路器在发生瞬时脱扣的故障电流区域内由试验确定选择性
对每种断路器组合,选择性极限电流由试验确定,制造商必须提供试验数据,一般用特性曲线形式提供,对不同情况,选择性可能是全选择性或局部选择性:
(1)全选择性。意即在短路分断能力以下的全部过电流,只有DD动作(至脱扣位置),在DD是限流断路器的情况下,由于电动斥力触头动作,可达到高于DD短路分断能力的全选择性。电动斥力触头动作指触头在电动力作用瞬间斥开一会(典型的为<10 ms),见注3。
(2)局部选择性。意即在过电流低于DD的短路分断能力时的选择性。选择性极限电流由比较时间-电流特性得到,或在UD为瞬时脱扣情况下,由制造商提供的试验数据得到。在UD是限流断路器的情况下,可能发生电动斥力触头动作。
适于断路器应用的选择性等级举例给于附录A中。
在某些应用中,电动斥力触头瞬间斥开一会可能不适用。在此情况下选用不会发生触头斥开的断路器或把断路器整定在不发生触头斥开的水平,即上级电器须采用短延时,但是要正确估计由于短路故障造成的电压降低,与SCPD(熔断器或断路器)无关,即与故障电流大小和至故障点电路的感抗有关。
注1:在引起断路器瞬时脱扣的故障电流区域内的选择性极限电流数据由试验得到,并需对每种装置的型式作规定,不同制造商的电器替换无判别方法。
注2:处理各个制造商提供的时间-电流数据,可利用确定选择性的专利软件系统。
注3:在故障电流大于DD的短路分断能力时,取决于后备保护的电动斥力触头动作,不适用于DD输入侧有感应负载(例如电动机)反馈巨大短路电流的情况。
5.1.2 断路器(UD)与熔断器(符合IEC269-1)(DD)之间的选择性
5.1.2. 1 断路器和熔断器——在过载区域内的选择性
在过载区域内的选择性由比较时间-电流特性曲线确定,见图3。
5.1.2. 2 断路器和熔断器——在故障区域内的选择性
在断路器带短路延时脱扣器情况下由比较时间-电流特性曲线可确定故障区域内的选择性。在断路器不带短路延时脱扣器情况下,在瞬时脱扣区域内,选择性极限电流必须由制造商提供的试验数据确定。
当UD是热/磁式断路器又没有专门试验数据时,断路器和熔断器在故障电流区域内的选择性按下述确定之:DD在故障电流的峰值允通电流低于相应于UD瞬时脱扣水平的峰值时认为有选择性。
注:用此方法确定的选择性极限在低端会有误差,在多数情况下按试验确定的实际水平有明显提高。
5.1.3 断路器(UD)和控制与保护电器(DD)(符合IEC 60947-6-2)之间的选择性
一般控制与保护电器(符合IEC 60947-6-2)是一种终端电器,即电动机控制器,由于它有内置过电流继电器,又有高短路分断能力,所以可用像断路器同样的方法确定选择性(见5.1.1)。
中压开关柜状态监测装置设计 篇7
电力系统推广变电站无人值班管理模式和综合自动化, 使得开关柜的安全运行变得非常重要。如果开关柜在运行时发生故障, 将带来极其严重的后果。首先, 开关柜故障将直接危害被保护的线路, 可能使各种电气设备损坏;其次, 可能引起大面积停电, 严重干扰正常的生产与生活秩序[1]。
现代电力系统对开关柜安全运行的可靠性提出了很高的要求, 而在线监测使运行维护人员能够了解到开关柜的历史运行状态和当前运行状态, 及时地发现故障甚至提前做出故障预测并进行检修, 尽量避免事故发生和减少停电时间[2]。因此, 在线监测对于保证开关柜正常运行, 提高电力系统的稳定性具有非常重要的意义。
1 硬件设计
1.1 硬件方案设计
本设计以ds PIC33F系列单片机为核心。分别由电压互感器和电流互感器采集开关柜的电压和电流信号, 由频率检测模块检测电流频率, 红外温度传感器采集开关柜的温度信号。
此外, 本设计还有电源模块, 给温度传感器、ds PIC、LCD和放大器供电, 有LCD显示和声光报警模块, 有键盘用于设置报警温度值, 系统硬件框图如图1 所示。
1.2 电压互感器和电流互感器
本设计选用SPT204A电流型电压互感器, 额定输入电流2 m A, 额定输出电流2 m A, 最大输入电流10 m A, 在0 ~ 10 m A内工作的线性度较好。电压互感器应用电路如图2 所示。
电流检测用HCT204A电流互感器, 额定输入电流5 m A, 额定输出电流2.5 m A, 测量精度为0.1%, 线性度为0.07%, 角差小于或等于9′。
1.3 绝对值放大电路
绝对值放大电路有两个功能:一是把互感器输出的交流信号转换成只有正极性的信号;二是把该信号的幅值增加一倍以方便后续单片机的处理。绝对值放大电路如图3 所示。
绝对值放大电路的输出电压VOUT与输入电压VIN的关系如公式 (1) 所示:
1.4 频率检测电路
频率检测电路是用比较器把正弦信号转换成脉冲信号的电路, 如图4 所示。该电路的输出脉冲信号接到单片机的ICx引脚, 使用单片机的输入捕捉功能, 可得到每16 个脉冲的时间T。
要检测的正弦信号频率计算如公式 (2) 所示:
1.5 温度传感器
对电力设备的测温可分为接触式测温和非接触式测温两种方式。接触式测温是指通过设置在设备上的温度传感器直接测量温度。非接触式测温依据热辐射原理, 不需要和被测物体进行接触, 这样就解决了与高压设备的安全隔离和与测温目标的热交换的问题。
非接触式测温还有热惯性小、测温速度快的优点[3]。非接触式测温有光纤温度传感器测温法和红外传感器测温法等[4]。
本设计使用的红外热电堆传感器测温范围是-50 ~ 350 ℃, 精度100 V/W。该传感器利用红外线的波长在热电堆探测器上产生相应的输出电压, 输出电压与目标温度的关系如公式 (3) 所示:
式中, ε为发射率;Tob为目标温度;Tsen为热电堆本体温度;C为与传感器结构有关的常数。
1.6 温度传感器的信号调理电路
温度传感器的信号调理电路框图如图5 所示。温度传感器在0 ~ 120℃时输出电压为-0.8 ~5 m V。该小电压信号经过放大11 倍和放大13 倍的两级差动放大电路, 输出电压为0.184 8 ~ 1.155 V。放大电路后端接一个电压跟随器, 电压跟随器的输入阻抗大, 输出阻抗小, 能提高电路的带载能力。再经过电压上移电路上移1 V电压, 最后从绝对值电路输出的电压为0.815 2 ~ 2.155 V。
2 软件设计
2.1 软件流程图
本设计的软件方案可以分成几个模块:电压和电流A/D采样模块、输入捕捉模块、温度A/D采样模块、LCD显示模块、键盘模块和数据处理模块, 软件流程图如图6 所示。
2.2 电压和电流A/D采样流程图
电压和电流A/D采样流程图如图7 所示。
电压有效值如公式 (4) 所示:
电流有效值如公式 (5) 所示:
式中, N为每周期的采样次数, 由香农采样定理确定;uk、ik分别为第k次的电压和电流采样值。
有功功率如公式 (6) 所示:
式中, uAk、uBk、uCk、iAk、iBk、iCk分别为A、B、C三相第k次的采样值。
视在功率如公式 (7) 所示:
式中, UA、UB、UC、IA、IB、IC分别为A、B、C三相的电压有效值和电流有效值。
功率因数为:cosφ=P /S。
2.3 温度A/D采样流程图
温度A/D采样程序由数据采集、软件滤波和温度换算三部分组成, 如图8 所示。
数据采集:定时器1 每10 ms中断一次, 启动A/D转换。
软件滤波:每10 次A/D转换后, 去掉10 个A/D值中的最大和最小值, 其余8 个值的平均值就是滤波结果。
温度换算:根据温度传感器的输出电压与目标温度的公式, 分段线性插值求出某A/D值对应的温度。
3 实例运行
利用该检测装置进行了一些测试, 其中, 电压电流检测使用了实验室的市电, 测得其线电压为393 V, 三相接入不对称电阻RA=87.7Ω, RB=88.5Ω, RC=95.9Ω。测量结果如表1 所示。
通过对同一目标物的相同位置的测温, 对比红外测温枪测得的温度数据与本设计所做温度监测器测得的数据, 结果如表2 所示。
由表1 和表2 可以知道, 本设计测得的三相电流误差约为1%, 三相电压误差约为0.2%, 有功功率误差为 (1 721-1 704) /1 704=0.997%, 频率为50.00 Hz。测得的温度数据与测温枪相比, 平均误差为0.6 ℃。
4 结语
本设计实现了对中压开关柜的重要状态量电压、电流、频率、功率和温度的在线监测, 其中温度检测是用红外测温方式, 解决了与高压电器的安全隔离以及与被测目标的热交换问题, 具有测温范围大、速度快的优点, 而且相对于接触式测温装置供电方案简单, 只需要电池, 且可随时更换。若把本设计与通信模块结合, 则能把每个测量点的数据汇总到主机或者上位机, 在开关柜在线检测应用中会有广阔的前景。
参考文献
[1]张平.高压开关柜的发展与现状分析[J].中国科技信息, 2007 (24) :89.
[2]梁汉泉, 曾永浩, 周永耀.浅谈智能化开关柜的应用与发展[J].中国科技投资, 2012 (27) :99.
[3]曾强, 舒芳誉, 李清华.红外测温仪的工作原理及应用[J].电子质量, 2007 (1) :25-26.