【正文】
。至于接地點(diǎn)和地線分布設(shè)計(jì)，其原則就要是做到頻率隔離、功率隔離。接地技術(shù)有兩個(gè)方面，一個(gè)是電源內(nèi)阻分析，另一個(gè)是接地點(diǎn)和 接地線設(shè)計(jì)。頻率設(shè)計(jì)工作包括電平核實(shí)、最高工作頻率設(shè)計(jì)以及降頻和諧波分離 (低頻信號(hào)的頻率不與高頻信號(hào)成整倍數(shù)，特別是 A/D 轉(zhuǎn)換速率 )技術(shù)。頻率設(shè)計(jì)技術(shù)主要解決的是頻率兼容的問(wèn)題，這也是微控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的比較復(fù)雜的方面之一。因此，把電磁兼容性的考核對(duì)作為永磁機(jī)構(gòu)智能控制器設(shè)計(jì)中的重要組成部分是至關(guān)重要的。 目前，越來(lái)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(duì)這些器件和設(shè)備工作時(shí)伴隨的“高頻”和“瞬態(tài)”電磁現(xiàn)象。 電磁干擾來(lái)自干擾源，它是一種來(lái)自本系統(tǒng)外部的并有可能破壞有用信號(hào)的電磁現(xiàn)象。圖中 R2 和 S1構(gòu)成的電路可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。 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(dǎo)體公司生產(chǎn) MAXS809 是一款單一功能的復(fù)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。還需加設(shè)硬件看門狗電路來(lái)防止系統(tǒng)在軟件看門狗不能工作 時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，保證系統(tǒng)的正常可靠運(yùn)行。如果程序自身出現(xiàn)了問(wèn)題，如陷入死循環(huán)，硬件的監(jiān)控和保護(hù)此時(shí)更可靠。 2)掉電復(fù)位：當(dāng)電源故障或電壓突然降低到某一規(guī)定電壓值以下時(shí)，控制系統(tǒng)將進(jìn)行復(fù)位。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(fù)位：在系統(tǒng)上電時(shí)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，直到系統(tǒng)電源供電穩(wěn)定后，復(fù) 30 位信號(hào)才被撤銷?？刂破鬏敵鰡卧疽鈭D如圖 36所示。當(dāng)重合閘保護(hù)投入，且微機(jī)判斷此時(shí)系統(tǒng)滿足重合閘的條件，正在進(jìn)行重合閘，或者已經(jīng)完成了重合閘，但沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行復(fù)位操作時(shí)，重合閘指示燈亮。當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)，測(cè)量得到的電壓互感器的二次電壓大于設(shè)定的過(guò)壓定值，且分閘電容燈指示亮?xí)r，斷路器跳開，此指示燈閃爍 。當(dāng)合閘時(shí)電容器兩端的電壓大于規(guī)定值時(shí)，標(biāo)志合閘電容電壓過(guò)量的指示 燈亮 。當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時(shí)，標(biāo)志斷路器分閘的指示燈亮 。輸出信號(hào)有斷路器的分合閘狀態(tài)、斷路器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作執(zhí)行情況 (正常分閘或合閘、過(guò)流速斷分閘、失壓分閘、過(guò)壓欠壓分閘 )、當(dāng)前操作電壓是否可進(jìn)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(dòng)機(jī)構(gòu)故障報(bào)警 29 信號(hào)等。轉(zhuǎn)換數(shù)值在輸入信號(hào)大于 RV? 時(shí)為滿量程值，小于等于 RV? 時(shí)為“ 0”。 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(jì)采樣電路。然后信號(hào)再送到 CPU 進(jìn)行處理。 電 壓 輸 入 電壓 轉(zhuǎn) 換 器濾 波 保 護(hù) 電 路 限 壓放 大C P U從 P T 來(lái) 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(hào)共有 8 路，有三相電壓信號(hào)、三相電流信號(hào)、零序電壓和零序電流信號(hào)。另外在接點(diǎn)輸入時(shí)，應(yīng)加 RC 濾波器，抑制接點(diǎn)的抖動(dòng)。另一方面，由于輸入端到輸出 28 端的信號(hào)傳遞是通過(guò)光來(lái)實(shí)現(xiàn)的，極間電容很小，絕緣電阻很大，因而輸出端的信號(hào)與噪聲也不會(huì)反饋到輸入端。這種 隔離的作用不僅可應(yīng)用于數(shù)字電路，也可以用在線性電路中。其體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且使用簡(jiǎn)便，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際干擾情況的不同，組成各種不同的抗干擾電路對(duì)共模和差模干擾進(jìn)行抑制。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，這些電氣量會(huì)發(fā)生很大的變化 (幾十倍 )，因此必須將其轉(zhuǎn)換成微機(jī)系統(tǒng)可以接收的信號(hào)類型與范圍，并且須保證故障情況下也不會(huì)超過(guò)此范圍。交流電量信號(hào)輸入回路通常包括隔離變換器、濾波、超值保護(hù)與量化處理等部分。數(shù)字量通過(guò)光電耦合器可以很方便地實(shí)現(xiàn)隔離與變換，送入微控制器進(jìn)行處理 。由于采用 PIC16F877 可以無(wú)需其它許多外圍元器件，所以控制器的硬件線路簡(jiǎn)單，降低了成本，而且大大提高了可靠性。 另外， PIC 16F877 單片機(jī)還有可在線編程，上電、掉電延時(shí)復(fù)位保護(hù)和看門狗功能， I/O 管腳驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力強(qiáng)。該單片機(jī)采用了精簡(jiǎn)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(shí)鐘周期指令，其尋址方式也得到了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)單易學(xué)。 PIC 16F877 單片機(jī)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(jiǎn)化了電路板的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可靠性。該系列單片機(jī)是目前世界上速度最快的品種之一。該單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上采用了兩級(jí)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(gè)周期內(nèi)完成。但是如果分、合閘指令同時(shí)收到，則 CPU 會(huì)通過(guò)邏輯控制器及時(shí)閉鎖合閘指令而只響應(yīng)分閘指令；若在電網(wǎng)一次側(cè)電源監(jiān)測(cè)回路檢測(cè)到到有過(guò)電流或過(guò)電壓、欠電壓信號(hào)， CPU 模塊也會(huì)通過(guò)邏輯控制器及時(shí)閉鎖合閘命令，并立即發(fā)出分閘指令。因此，現(xiàn)在常使用 電子開關(guān)和非接觸式傳感器來(lái)取代傳統(tǒng)的觸點(diǎn)輔助開關(guān)。這也要求必須對(duì)斷路器的分、合閘狀態(tài)進(jìn)行精確檢測(cè)。 高壓真空斷路器分、合閘狀態(tài)的檢測(cè) 永磁機(jī)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(yīng)能及時(shí)給出警報(bào)。當(dāng)這樣的一個(gè)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。在電容器極板上存在恒定的直流 100V 操作電壓，可為操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘線圈或合閘線圈勵(lì)磁提供完成分閘操作或合閘操作所需的脈沖電能。開關(guān)電源在設(shè)計(jì)時(shí)均衡考慮了電源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(diǎn)以外，在動(dòng)態(tài)負(fù)載特性 和電磁兼容性兩方面也令人非常滿意。設(shè)計(jì)給電容器充電的電源時(shí)，需要考慮電容器的耐壓值，考慮實(shí)際分閘或合閘操作時(shí)控制器所需的電源電壓。因此，戶內(nèi)永磁機(jī)構(gòu)中的電源設(shè)計(jì)最經(jīng)濟(jì)最常用的方法是采用電容。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(diǎn)，例如電容器的充放電時(shí)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(duì)其進(jìn)行充電，也不必考慮過(guò)充的危險(xiǎn)，所以不需要對(duì)精確的充電電流和充電時(shí)間進(jìn)行監(jiān)視，無(wú)需蓄電池充電放電及其配套的保護(hù)電路那一系列復(fù)雜設(shè)計(jì)，而且不存在伴隨蓄電池的化學(xué)污染或電極氧化問(wèn)題，可以承受無(wú)數(shù)次短路，并可放電至任意電壓都不會(huì)被損 25 壞。這兩種方案均在實(shí)踐中被應(yīng)用過(guò)而且結(jié)果較為令人滿意。若要在較短的時(shí)間內(nèi)獲得很大的脈動(dòng)電流，目前有兩種方案比較常用：一種方案是采用電容器 。硬件設(shè)計(jì)時(shí)為提高產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上的通用性和降低開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，采取了模塊化的設(shè)計(jì)思想。硬件方面，配電自動(dòng)化產(chǎn)品通常與高電壓等級(jí)的設(shè)備工作在同一環(huán)境中，當(dāng)硬件由各種原因不能正常工作，如發(fā)生柜體漏電，較高電壓從低壓側(cè)導(dǎo)線耦合進(jìn)入控制系統(tǒng)或周圍有強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾時(shí)，都可能導(dǎo)致測(cè)控設(shè)備不能正常運(yùn)行，如誤動(dòng)作或拒動(dòng)作甚至發(fā)生永久性損壞。 單片機(jī)處理器主控單元、檢測(cè)單元、鍵盤、顯示、人機(jī)接口單元與通信單元等共同組成控制器的測(cè)控系統(tǒng)。對(duì)電容工作電壓的檢測(cè)可采用 A/D 轉(zhuǎn)換或采用 V/F 變換等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于進(jìn)行分、合閘操作時(shí)通過(guò)相應(yīng)線圈的勵(lì)磁電流能達(dá)到幾十安，所以必須選用大容量的電容器，從而實(shí)現(xiàn)瞬間放電。永磁機(jī)構(gòu)的 智能控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 34 所示，系統(tǒng)的主控單元并配合相應(yīng)外圍電路實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的控制。 23 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 隨著當(dāng)今科技尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，微機(jī)控制技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。邏輯分析判斷部分是實(shí)現(xiàn)高壓真空斷路器的智能化控制的關(guān)鍵，它可 以通過(guò)對(duì)斷路器智能化測(cè)控單元輸入的電壓、電流的分析判斷來(lái)判定電網(wǎng)是否存在線路過(guò)電流、短路、欠電壓等故障，并發(fā)出指令由執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成相應(yīng)操作。其次，永磁機(jī)構(gòu)沒(méi)有傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的脫扣裝置，斷路器的分、合閘動(dòng)作完全靠給分、合閘線圈通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)完成，電容器作為分、合閘線圈動(dòng)作的電源，其充、放電過(guò)程由邏輯電路控制。 相對(duì)于傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的斷路器控制系統(tǒng)，永磁機(jī)構(gòu)斷路器的智能控制器有著很大不同。另外，在電力系統(tǒng)處于故障狀態(tài)時(shí)，要求高壓真空斷路器分合閘的時(shí)間盡可能的短，不能因?yàn)橐雽?shí)現(xiàn)智能操作的控制和調(diào)節(jié)裝置而使斷路器的分合閘時(shí) 間有所延長(zhǎng)。 綜上所述，智能高壓真空斷路器的工作過(guò)程如下 :以微控制器為核心的智能控制單元實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，智能識(shí)別模塊根據(jù)采集到的這些數(shù)據(jù)對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行快速識(shí)別，并判斷電網(wǎng)和斷路器當(dāng)前所處的狀態(tài)，并隨時(shí)根據(jù)判別得到的結(jié)果控制調(diào)節(jié)裝置動(dòng)作。 手 動(dòng) 控 制 模 塊電 網(wǎng) 一 次 側(cè)電 源 監(jiān) 控 模 塊光耦光 耦C P U 模 塊自 動(dòng) 控 制 模 塊 光 耦驅(qū) 動(dòng) 模 塊R S 鎖 存 器 圖 33斷路器控制電路原理示意圖 Schematic diagram of the circuit breaker control 高壓真空斷路器的手動(dòng)、自動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖 33 所示。 采樣模塊是將電子接近開關(guān)檢測(cè)到的分合閘位置信息傳輸?shù)街悄芸刂破鞯闹匾獑卧?。?shí)驗(yàn)和長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，充電電容的使用壽命與環(huán)境溫度有關(guān)，一般在 105℃時(shí)，使用壽命為 2021h，但當(dāng)工作環(huán)境溫度低于 50℃時(shí)，其壽命大大延長(zhǎng)，可達(dá) 10 年以上。因此一次放電后，必須及時(shí)切斷分閘或合閘線圈中的脈動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)這一操作，需要靠分合閘位置采樣模塊及 CPU 模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等協(xié)同完成。作為永磁機(jī)構(gòu)操作電源的充電電容器上充以恒定的 DC100V 操作電壓，為操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分、合閘線圈勵(lì)磁提供所需的脈沖電能。 永磁機(jī)構(gòu)智能控制操作單元由電源模塊、 CPU 模塊、分合閘位置采樣模塊、分合 閘信號(hào)采樣模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電容器模塊等組成，結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖 42所示。并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行整理分析 ,把模擬量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行邏輯操作的數(shù)字量，以便智能識(shí)別模塊進(jìn)行處理分析，使這些數(shù)據(jù)滿足智能控制模塊的要求。并根據(jù)給定程序，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出調(diào)控信息，從而使斷路器根據(jù)指令發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作。由微控制器構(gòu)成的微機(jī)控制系統(tǒng)，可以根據(jù)分合閘操作前所采集到的電網(wǎng)狀態(tài)信息和由主控制室發(fā)出的操作信號(hào)，自動(dòng)識(shí)別進(jìn)行當(dāng)次操作時(shí)真空斷路器所處的電網(wǎng)工作狀態(tài)。圖中高壓真空斷路器智能控制器主要包含了三個(gè)模塊，分別是數(shù)據(jù)采集模塊、智能識(shí)別模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前，在我國(guó)國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)展了用于控制真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電子技術(shù)，采用以新型的電子開關(guān)，摒棄了傳統(tǒng)的接觸式觸點(diǎn)開關(guān)。智能控制器通常采用電子控制，不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)真空斷路器的所有功能，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)其它智能化功能。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)接收到光電信號(hào)，通過(guò)自身的邏輯判斷后最終給出控制操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的信號(hào)。智能控制斷路器區(qū)別與普通斷路器的首要之處之處在于它不僅能被動(dòng)執(zhí)行人工命令或者繼電保護(hù)裝置的指令，還能通過(guò)智能控制器對(duì)電網(wǎng)參數(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行采集和處理，并自身狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判斷，即實(shí)現(xiàn)所謂的自診斷，然后根據(jù)預(yù)先確定的程序動(dòng)作。作為一種實(shí)時(shí)應(yīng)用于高壓設(shè)備的控制 系統(tǒng)，必須保證生產(chǎn)安全、人員安全和設(shè)備運(yùn)行安全，需要采取對(duì)應(yīng)對(duì)控制失效情況下的緊急控制策略。為了保證控制系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與保證對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性，要在設(shè)計(jì)時(shí)從軟件層面和硬件側(cè)面綜合考慮去設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 2)準(zhǔn)確性。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)時(shí)，要充分注意數(shù)據(jù)采集和處理的方法，以保證數(shù)據(jù)采集與處理的實(shí)時(shí)性 。為提高高壓真空斷路器的分?jǐn)嗄芰脱娱L(zhǎng) 18 其使用壽命，高壓真空斷路器也應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)同步開合技術(shù)。 永磁機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器智能控制器是供電設(shè)備的基本控制與保護(hù)單元，它的作用是保障控制、保護(hù)對(duì)象不僅在電力正常狀態(tài)下能可靠工作，而且在不正常和故障狀態(tài)下也能及時(shí)作出相應(yīng)，保證供電的可靠性?？梢詸z測(cè)動(dòng)鐵心的位置和分合閘線圈勵(lì)磁線圈電流、瞬時(shí)通電時(shí)間等參數(shù)，并可以實(shí)現(xiàn)斷路器的自檢測(cè)功能。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的智能控制，是將微機(jī)技術(shù)和斷路器的控制結(jié)合在一起，使斷路器具有更強(qiáng)更靈活的邏輯判斷分析能力。所以進(jìn)一步精確計(jì)算與分析永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性對(duì)合理設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)并進(jìn)行機(jī)構(gòu)與開關(guān)本體間特性配合具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。由此可見(jiàn) ,有效滅弧與減輕碰撞損耗這兩個(gè)技術(shù)要求是不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)的 ,所以 必須在研究動(dòng)態(tài)過(guò)程中統(tǒng)籌兼顧。對(duì)于高壓真空斷路器而言 ,為了有效滅弧而不引起重燃 ,應(yīng)該使觸頭的動(dòng)作速度盡可能得快些 ,這就要求在規(guī)定的行程下執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)鐵心要有較快的動(dòng)作速度。 當(dāng)動(dòng)鐵心位于上端極限位置時(shí) ,給分閘線圈通以直流勵(lì)磁電流 ,由此可知1 0IN? ,并得出： 020 2Sm mRRIN IN ? ?? ? （ 220） 當(dāng)動(dòng)鐵心位于下端極限位置時(shí) ,給合閘線圈通以直流勵(lì)磁電流 ,由此可知2 0IN? ,得出： 01 2SmmRRIN IN ???? ? （ 221）