【正文】 和降低開發(fā)的風險，采取了模塊化的設(shè)計思想。 電源設(shè)計 永磁機構(gòu)中的分閘線圈或合閘線圈需要通電產(chǎn)生磁動勢，依靠電磁吸引力驅(qū)動動鐵心運動，而且勵磁磁動勢必須達到一定的數(shù)值，才能滿足高壓真空斷路器的執(zhí)行機構(gòu)對分閘或合閘速度要求。若要在較短的時間內(nèi)獲得很大的脈動電流，目前有兩種方案比較常用：一種方案是采用電容器 。另一種方案是采用蓄電池。這兩種方案均在實踐中被應用過而且結(jié)果較為令人滿意。然而如果采用蓄電池作為電源，需要考慮諸如過充電、過放電等一系列復雜問題，充電電路及配套的保護電路較為復雜。以電容器作為電源與可充電蓄電池電源相比，具有許多優(yōu)點，例如電容器的充放電時間較短，可采用具有濾波或非濾波、穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓的直流輸出的任何一種常規(guī)電源裝置對其進行充電，也不必考慮過充的危險，所以不需要對精確的充電電流和充電時間進行監(jiān)視，無需蓄電池充電放電及其配套的保護電路那一系列復雜設(shè)計，而且不存在伴隨蓄電池的化學污染或電極氧化問題，可以承受無數(shù)次短路，并可放電至任意電壓都不會被損 25 壞。除此之外，電容器還可以直接被并聯(lián)使 用，而不會產(chǎn)生蓄電池并聯(lián)時所產(chǎn)生的側(cè)流效應問題。因此，戶內(nèi)永磁機構(gòu)中的電源設(shè)計最經(jīng)濟最常用的方法是采用電容。對于戶外工作的高壓真空斷路器，由于現(xiàn)場電源不易解決，一般采用蓄電池。設(shè)計給電容器充電的電源時，需要考慮電容器的耐壓值，考慮實際分閘或合閘操作時控制器所需的電源電壓。戶內(nèi)高壓真空斷路器永磁機構(gòu)中的電源在實際工作時的電壓大約為 DC100V，因此必須保證為電容器充電的電源輸出電壓為 DC100V。開關(guān)電源在設(shè)計時均衡考慮了電源行業(yè)標準，除體積小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓精度高、紋波小等優(yōu)點以外，在動態(tài)負載特性 和電磁兼容性兩方面也令人非常滿意。因此，戶內(nèi)永磁機構(gòu)中的電源方案最經(jīng)濟、最安全、最可靠的選擇是利用開關(guān)穩(wěn)壓電源為充電電容器充電，而后用充電的電容器對分、合閘線圈放電的方式。在電容器極板上存在恒定的直流 100V 操作電壓，可為操動機構(gòu)的分閘線圈或合閘線圈勵磁提供完成分閘操作或合閘操作所需的脈沖電能。它能儲存完成一個完整 O－ CO 操作循環(huán)的低于 250J 電能。當這樣的一個完整操作循環(huán)結(jié)束后，電容器組在不足 20S 內(nèi)以 2A 的峰值電流重新充電。因此，即使輔助電源發(fā)生故障，儲能電容器事先儲存好的電能仍可確保開斷操作能進行一個 完整的 O— CO 操作循環(huán)。 高壓真空斷路器分、合閘狀態(tài)的檢測 永磁機構(gòu)高壓真空斷路器必須保證可靠地處于分、合閘位置，決不允許出現(xiàn)中間狀態(tài)的故障位置，一旦出現(xiàn)故障位置，應能及時給出警報。同時，永磁機構(gòu)在動鐵心運動到行程極限位置后，為減少碰撞損耗和電源損耗，應及時對分、合閘線圈進行斷電。這也要求必須對斷路器的分、合閘狀態(tài)進行精確檢測。 如果采用傳統(tǒng)的有觸點輔助開關(guān)，由于運行環(huán)境復雜容易產(chǎn)生污染、觸頭氧化等現(xiàn)象，經(jīng)常會使觸頭接觸不良，甚至失效，從而導致觸點開關(guān)不能準確 26 判定觸頭的位置。因此，現(xiàn)在常使用 電子開關(guān)和非接觸式傳感器來取代傳統(tǒng)的觸點輔助開關(guān)。當接收到來自手動、自動控制模塊的分、合閘指令時，送至CPU，邏輯控制回路會根據(jù)分、合閘位置采樣模塊發(fā)出的高、低電平（代表相應的分合閘位置信息），自動檢測當前斷路器狀態(tài)，以決定是否執(zhí)行分、合閘指令。但是如果分、合閘指令同時收到，則 CPU 會通過邏輯控制器及時閉鎖合閘指令而只響應分閘指令；若在電網(wǎng)一次側(cè)電源監(jiān)測回路檢測到到有過電流或過電壓、欠電壓信號， CPU 模塊也會通過邏輯控制器及時閉鎖合閘命令，并立即發(fā)出分閘指令。 CPU 模塊 Microchip 公 司推出的 PIC 16F877 是一款 8 位單片機，它采用精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)和 FLASH 存儲技術(shù)，相比于其它類型的單片機，具有以下特點： 1) 運行速度快。該單片機在結(jié)構(gòu)上采用了兩級流水線的哈佛總線結(jié)構(gòu)，指令的讀取和執(zhí)行采用流水線方式，使得單條指令 (GOTO、 CALL 指令除外 )的執(zhí)行基本上可在一個周期內(nèi)完成。另一方面，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度，便于實現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化，有利于提高 CPU 的處理速度。該系列單片機是目前世界上速度最快的品種之一。 2) 擴展功能豐富，功能強大。 PIC 16F877 單片機不同程度地將各種外圍功能模塊集成于內(nèi)部，如 A/D 模塊、 EEPROM、捕捉 \比較 \ 脈寬調(diào)制器、 I2C 和SPI 串行總線端口等，減少了外圍器件的使用，簡化了電路板的設(shè)計，提高了系統(tǒng)可靠性。 3) 邏輯結(jié)構(gòu)清晰。該單片機采用了精簡指令集 (RISC)技術(shù)，其指令系統(tǒng)只有 131 條指令，大多指令為單時鐘周期指令，其尋址方式也得到了簡化，簡單易學。該系列單片機的一個很大的特色是廣泛使用了可位尋址的特殊功能寄存器，只要將命令寫入這些特殊功能寄存器，就可以方便靈活地控制各功能模 27 塊，易于編制程序。 另外， PIC 16F877 單片機還有可在線編程，上電、掉電延時復位保護和看門狗功能， I/O 管腳驅(qū)動能力和抗干擾能力強。 本設(shè)計中的微處理器采用高性能的 PIC 16F877，它具有 8kB? 4 個片內(nèi)Flash 程序存儲器， 368kB? 8 個片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)， 256kB? 8 個 EEPROM 數(shù)據(jù)存儲器及 10 位多通道 A/D 轉(zhuǎn)換器。由于采用 PIC16F877 可以無需其它許多外圍元器件，所以控制器的硬件線路簡單，降低了成本，而且大大提高了可靠性。 信號輸入單元 控制器的輸入信號有反映開關(guān)狀態(tài)與手動操作的開關(guān)量信號、來自電壓互感器與電流互感器的模擬量信號、撥碼開關(guān)的設(shè)置參數(shù)等。數(shù)字量通過光電耦合器可以很方便地實現(xiàn)隔離與變換，送入微控制器進行處理 。模擬量要通過 A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量來分析。交流電量信號輸入回路通常包括隔離變換器、濾波、超值保護與量化處理等部分。在電力系統(tǒng)中， 電壓電流信號取自電壓互感器與電流互感器二次側(cè)，其額定值分別為 100V/5A。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，這些電氣量會發(fā)生很大的變化 (幾十倍 )，因此必須將其轉(zhuǎn)換成微機系統(tǒng)可以接收的信號類型與范圍，并且須保證故障情況下也不會超過此范圍。 光電耦合器件是利用光傳遞信息的，它是由輸入端的發(fā)光二極管和輸出端的光敏元件組成，輸入與輸出在電氣上是完全隔離的。其體積小、結(jié)構(gòu)簡單且使用簡便，可以根據(jù)現(xiàn)場實際干擾情況的不同，組成各種不同的抗干擾電路對共模和差模干擾進行抑制。光電耦合器用在輸入、輸出間隔離的情況下，線路是很簡單的。這種 隔離的作用不僅可應用于數(shù)字電路，也可以用在線性電路中。光電耦合器用于消除噪聲主要體現(xiàn)在兩個方面 :一方面是防止輸入端的噪聲傳遞到輸出端，而只把有用信號傳送到輸出端。另一方面，由于輸入端到輸出 28 端的信號傳遞是通過光來實現(xiàn)的，極間電容很小，絕緣電阻很大，因而輸出端的信號與噪聲也不會反饋到輸入端。使用光電耦合器時，應注意的是這種光電耦合器本身有 10~30pF 的分布電容，所以工作頻率不能太高 。另外在接點輸入時，應加 RC 濾波器，抑制接點的抖動。另外，用于低電壓時，其傳輸距離以100 米以內(nèi)為限、傳輸速率在 10Kbps 以下為 宜。 電 壓 輸 入 電壓 轉(zhuǎn) 換 器濾 波 保 護 電 路 限 壓放 大C P U從 P T 來 的 電 壓0 ~ 2 . 5 V 圖 35 電壓模擬量輸入示意圖 Voltage analogInput schematic 本系統(tǒng)需要采集的模擬信號共有 8 路，有三相電壓信號、三相電流信號、零序電壓和零序電流信號。從電壓互感器和電流互感器得到的電壓信號 (100V)和電流信號 (5A)進入控制器后還需要經(jīng)過進一步的調(diào)整轉(zhuǎn)換成 CPU 需要的0~ 電壓信號。然后信號再送到 CPU 進行處理。其中電壓模擬量輸入電路示意圖如圖 45 所示，電流模擬量輸入與之類似。 由于本系統(tǒng)使用的 PIC 16F877 自帶 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器模塊，所以不用另外設(shè)計采樣電路。內(nèi)核用到兩個參考電平，即 RV? 和 RV? ，作為轉(zhuǎn)換范圍的上下限和讀數(shù)的滿量程值和“ 0”值。轉(zhuǎn)換數(shù)值在輸入信號大于 RV? 時為滿量程值，小于等于 RV? 時為“ 0”。 信號輸出單元 信號輸出單元用于指示高壓真空斷路器的運行狀態(tài)。輸出信號有斷路器的分合閘狀態(tài)、斷路器執(zhí)行機構(gòu)的動作執(zhí)行情況 (正常分閘或合閘、過流速斷分閘、失壓分閘、過壓欠壓分閘 )、當前操作電壓是否可進行合閘或分閘、給電容器充電的開關(guān)電源的輸入電壓正常與否以及高壓真空斷路器操動機構(gòu)故障報警 29 信號等。當斷路器處于合閘狀態(tài)時，標志斷路器合閘的指示燈亮 。當斷路器處于分閘狀態(tài)時，標志斷路器分閘的指示燈亮 。當分閘時電容器兩端的電壓大于規(guī)定值時，標志分閘電容電壓過量的指示燈亮 。當合閘時電容器兩端的電壓大于規(guī)定值時，標志合閘電容電壓過量的指示 燈亮 。當斷路器處于合閘狀態(tài)，測量得到的電流互感器的二次電流值大于設(shè)定的過流定值，過流時間大于設(shè)定的延時定值，且此時分閘電容指示燈亮，斷路器就會跳開，過流速斷指示燈亮。當斷路器處于合閘狀態(tài)時，測量得到的電壓互感器的二次電壓大于設(shè)定的過壓定值，且分閘電容燈指示亮時，斷路器跳開，此指示燈閃爍 。當失壓保護投入工作，且線路二次電壓低于設(shè)定值時，失壓指示燈亮 。當重合閘保護投入，且微機判斷此時系統(tǒng)滿足重合閘的條件，正在進行重合閘，或者已經(jīng)完成了重合閘，但沒有對其進行復位操作時，重合閘指示燈亮。當高壓真空斷路器的執(zhí)行機構(gòu)進 行合閘操作，但由于某些原因引起合閘不成功時，微機立即發(fā)出分閘命令，使斷路器跳開，此時故障報警指示燈亮?？刂破鬏敵鰡卧疽鈭D如圖 36所示。 C P U電 平 轉(zhuǎn) 換 電 路 光 電 隔 離 器 控 制 臺面 板 指 示 燈 圖 36 輸出單元示意圖 Output unit schematic 硬件監(jiān)控電路 電源的監(jiān)控電路就是帶電壓監(jiān)控的復位電路。為保證控制系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)工作的可靠性，監(jiān)控電路必須具備如下功能： 1)上電復位：在系統(tǒng)上電時發(fā)出復位信號，直到系統(tǒng)電源供電穩(wěn)定后，復 30 位信號才被撤銷。為可靠起見，電源供電穩(wěn)定后，還需要延時一段時間才能撤銷復位信號，以防止電源開關(guān)或電源插頭分一合過程中引起的抖動而影響復位。 2)掉電復位：當電源故障或電壓突然降低到某一規(guī)定電壓值以下時，控制系統(tǒng)將進行復位。在軟件設(shè)計過程時，設(shè)有看門狗的功能。如果程序自身出現(xiàn)了問題，如陷入死循環(huán)，硬件的監(jiān)控和保護此時更可靠。因為在實際工作運行時，僅僅憑借軟件看門狗防止程序“跑飛”是不夠可靠的。還需加設(shè)硬件看門狗電路來防止系統(tǒng)在軟件看門狗不能工作 時出現(xiàn)的問題，保證系統(tǒng)的正?？煽窟\行。硬件監(jiān)控電路如圖 47所示。 V C C R e s e tG N DV C C3U 221M A X 8 0 9R 21 0 KS 1R S TC 41 0 4C 51 0 4R S T 圖 37 電源監(jiān)控電路示意圖 Power monitoring circuitry schematic 圖中， PHLIPS 半導體公司生產(chǎn) MAXS809 是一款單一功能的復位微處理器，體積小、功耗低，用于監(jiān)控在微處理器或其它邏輯系統(tǒng)中的電壓。它在電源開、關(guān)和電壓低于某規(guī)定值 (門檻電壓 )給微處理器發(fā)出一個復位信號，門檻電壓可自行設(shè)定。圖中 R2 和 S1構(gòu)成的電路可實現(xiàn)手動復位。 電磁兼容抗干擾技術(shù) 高壓真空斷路器智能控制器的電磁兼容性能是考驗智能控制器在實際的工 31 作狀態(tài)下對阻尼震蕩波、電快速瞬變脈沖群、浪涌 (沖擊 )三類干擾信號的抗干擾能力，在線路中注入沖擊電壓時是否會引起控制系統(tǒng)的永久性損壞，在電快速瞬態(tài)或短脈沖或振蕩波抗擾實驗中，僅允許規(guī)定的暫時功能性失效。 電磁干擾來自干擾源，它是一種來自本系統(tǒng)外部的并有可能破壞有用信號的電磁現(xiàn)象。過去，機電設(shè)備和電力系統(tǒng)通常對電磁干擾 (即 :靜電、傳導的電氣干擾和輻射電磁場的干擾 )不敏感，這些敏感問題的起因大多數(shù)是“低頻”現(xiàn)象，如諧波和電壓中斷。 目前，越來越多電子元器件和設(shè)備投入使用，智能控制器在這樣的環(huán)境下更加敏感，尤其是對這些器件和設(shè)備工作時伴隨的“高頻”和“瞬態(tài)”電磁現(xiàn)象。電子元器件和設(shè)備的推廣使用，更是增加了因電場和磁場的干擾而引起的誤動、損壞等危險，使得對高壓真空斷路器智能控制裝置電磁兼容性的研究變得越來越復雜且越 重要。因此，把電磁兼容性的考核對作為永磁機構(gòu)智能控制器設(shè)計中的重要組成部分是至關(guān)重要的。 對于電子裝置的抗干擾設(shè)計，一般應考慮以下幾個方面設(shè)計技術(shù)的應用： 1)頻率設(shè)計技術(shù)。頻率設(shè)計技術(shù)主要解決的是頻率兼容的問題，這也是微控制器系統(tǒng)設(shè)計中的比較復雜的方面之一。微控制器系統(tǒng)若能使用同一頻率源，即可保證頻率特性要求。頻率設(shè)計工作包括電平核實、最高工作頻率設(shè)計以及降頻和諧波分離 (低頻信號的頻率不與高頻信號成整倍數(shù)，特別是 A/D 轉(zhuǎn)換速率 )技術(shù)。 2)接地技術(shù)。接地技術(shù)有兩個方面，一個是電源內(nèi)阻分析，另一個是接地點和 接地線設(shè)計。分析電源內(nèi)阻的實際上就是對電源所能提供最大瞬時功率的分析。至于接地點和地線分布設(shè)計，其原則就要是做到頻率隔離、功率隔離。頻率隔離指高頻電路和低頻電路分開，功率隔離指小功率電路和大功率電路分開。