供電網(wǎng)絡(luò)中的電氣開(kāi)關(guān)（包括斷路器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和接觸器），通常情況下用于閉合或斷開(kāi)供應(yīng)電能的電路，以達(dá)到停電、供電和轉(zhuǎn)換電路的目的。
當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)不正常情況時(shí)，例如過(guò)載、過(guò)壓和欠壓、短路等，能自動(dòng)地把負(fù)載從電網(wǎng)上斷開(kāi)。因?yàn)檫@些不正常情況將危及操作人員的安全和設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至引起人身死亡事故或造成火災(zāi)。
配電用斷路器主要在低壓配電系統(tǒng)中做過(guò)載、短路、過(guò)壓和欠壓保護(hù)之用，也可用作為電路的不頻繁操作。配電用斷路器有選擇型和非選擇型兩類(lèi)。非選擇型保護(hù)特性較為簡(jiǎn)單，多用于支路保護(hù)。主斷路器則要求采用選擇型，以滿(mǎn)足電路內(nèi)各種保護(hù)電器的選擇性斷開(kāi)，把事故區(qū)域限制到最小范圍。
傳統(tǒng)的斷路器保護(hù)功能是利用了某些物理效應(yīng)，通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因而體積較大，效果也不夠理想。為了防止用電設(shè)備發(fā)生故障時(shí)影響整個(gè)供電線路，以及在供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí)損壞用電設(shè)備，在傳統(tǒng)斷路器的基礎(chǔ)上逐步開(kāi)發(fā)出更可靠的和具有更多保護(hù)功能的斷路器。
例如，具有短路保護(hù)、過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)、漏電保護(hù)、缺相保護(hù)等功能的斷路器。
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，集成電路的出現(xiàn)大大縮小了普通電子電路的體積，因此出現(xiàn)了以專(zhuān)用集成電路為基礎(chǔ)的多功能斷路器。這種斷路器已經(jīng)比原有的機(jī)械式斷路器進(jìn)了一大步，但仍然不能稱(chēng)之為智能化。
微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為電氣開(kāi)關(guān)的智能化提供了條件。智能化的電氣開(kāi)關(guān)，不僅能夠提供普通斷路器的各種保護(hù)功能，還能夠?qū)崟r(shí)顯示電路中的各種參數(shù)（電流、電壓、功率、功率因數(shù)等）。
各種保護(hù)功能的動(dòng)作參數(shù)也可以顯示、設(shè)定和修改。保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)的故障參數(shù)，可以存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器中以便查詢(xún)。這些功能只有在采用微處理機(jī)以后才能實(shí)現(xiàn)。
目前，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了系列化智能斷路器。
這些智能化斷路器的性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的斷路器產(chǎn)品。我國(guó)在這方面的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)還剛剛起步。本文對(duì)智能化電氣開(kāi)關(guān)的有關(guān)技術(shù)進(jìn)行了探討，并給出一種用于低壓電網(wǎng)的智能化斷路器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)例。
2智能化電氣開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)2.1單片機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)單片機(jī)以其緊湊的結(jié)構(gòu)、豐富的功能而受到廣泛的應(yīng)用，并成為智能化儀器儀表的核心部件。目前，在研制高性能、高精度、多功能的測(cè)量控制儀表時(shí)，幾乎無(wú)一例外地都考慮采用微處理器和單片機(jī)。在測(cè)量控制儀表中采用單片機(jī)技術(shù)使之成為智能儀表后，能夠解決許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的難題，同時(shí)還能夠簡(jiǎn)化控制儀表電路，提高系統(tǒng)的可靠性，降低整機(jī)的成本以及加快新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度。隨著集成電路制造技術(shù)的不斷提高，單片機(jī)的體積越來(lái)越小，而功能越來(lái)越豐富。新一代的單片機(jī)產(chǎn)品，已經(jīng)將程序ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通訊接口、A/D轉(zhuǎn)換器、PWM轉(zhuǎn)換輸出、波形發(fā)生器、WATCHDOG監(jiān)視器、I2C總線接口、更多的I/O端口和內(nèi)部RAM寄存器集成在一起，從而能夠適應(yīng)更加廣泛的用途。另一方面，功能簡(jiǎn)單的單片機(jī)則向低功耗和小型化方向發(fā)展。采用串行總線的單片機(jī)，其外部引腳只有8個(gè)。表1所列是一些典型單片機(jī)產(chǎn)品的性能參數(shù)。
2.2專(zhuān)用集成電路智能化電氣開(kāi)關(guān)經(jīng)常涉及到一些特殊的和復(fù)雜的功能。這些功能如果完全由計(jì)算機(jī)來(lái)完成，無(wú)疑會(huì)加重CPU的負(fù)擔(dān)，其效果也未必理想。事實(shí)上在智能化電氣開(kāi)關(guān)出現(xiàn)以前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了許多行之有效的專(zhuān)用集成電路，例如漏電保護(hù)專(zhuān)用集成電路。采用專(zhuān)用集成電路，不僅能夠減輕CPU的工作負(fù)荷，還能夠在萬(wàn)一CPU發(fā)生故障時(shí)保證可靠的動(dòng)作，在一定程度上也能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
表1典型單片機(jī)的性能參數(shù)型號(hào)片內(nèi)特殊功能串行接口專(zhuān)用集成電路分為兩類(lèi)：一類(lèi)是實(shí)現(xiàn)某種專(zhuān)用功能的電路，例如漏電保護(hù)集成電路、電源專(zhuān)用集成電路、缺相保護(hù)集成電路等；另外一類(lèi)是運(yùn)算電路，主要是用于電流保護(hù)運(yùn)算（對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)運(yùn)算）、功率因數(shù)運(yùn)算等。
2.3智能化集成傳感器隨著用電保護(hù)技術(shù)的不斷完善，各種保護(hù)裝置的功能和技術(shù)要求也不斷地提高。一般情況下，低壓斷路器要求具有以下的保護(hù)功能：①過(guò)電壓和欠電壓保護(hù)功能；②三段電流保護(hù)功能；③漏電保護(hù)功能；④缺相保護(hù)功能；⑤其他異常保護(hù)功能（瞬時(shí)尖峰脈沖、瞬時(shí)斷電等）。
要完成這些保護(hù)功能，就要有相應(yīng)的各種傳感器。這些傳感器性能的好壞，直接關(guān)系到智能化電氣開(kāi)關(guān)的性能。另一方面，傳感器要有較高的精度、較寬的動(dòng)態(tài)范圍及檢測(cè)范圍，同時(shí)又要有較小的體積，輸出信號(hào)還要便于與智能控制電路接口。這在目前還是較難做到的。受微電子技術(shù)的影響，傳感器正朝著小型、固態(tài)、多功能和集成化的方向發(fā)展。如果能夠利用最新的技術(shù)開(kāi)發(fā)一種集成化的傳感器，即將各種電量傳感器集成在一起，將能夠大大提高其使用性能。更進(jìn)一步，還可以將微處理器與傳感器集成于一體。這可以使智能化電氣開(kāi)關(guān)的整體性能提高一個(gè)檔次。
2.4電源技術(shù)智能化電氣開(kāi)關(guān)的電路可以有三種供電方式：專(zhuān)用電源供電、蓄電池供電和電流互感器供電，后者也稱(chēng)為自供電。這三種供電方式可以單獨(dú)使用，也可以配合使用，形成冗余供電系統(tǒng)。前兩種供電方式在技術(shù)上與一般的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)沒(méi)有什么區(qū)別。電流互感器供電是斷路器所特有的一種供電方式，單獨(dú)使用時(shí)可以省去其他供電電路，而且可以隨著電網(wǎng)的接通自動(dòng)開(kāi)始工作，是一種理想的供電方式。但電流互感器供電有以下幾個(gè)問(wèn)題需要妥善處理：①由于電源能量來(lái)源于電流互感器，因此電網(wǎng)電路中電流較小時(shí)不足以供電。②當(dāng)電網(wǎng)電路的電流緩慢上升時(shí)，自供電電源的電壓也是緩慢上升的。這對(duì)于模擬電路不會(huì)有問(wèn)題，而對(duì)于微處理機(jī)和數(shù)字電路，應(yīng)該有一個(gè)可靠的復(fù)位電路，才能使其啟動(dòng)并正常工作。③由于電流互感器既要作為電流信號(hào)，又要提供電源能量，兩者之間必然會(huì)產(chǎn)生交叉影響。即智能化電路的工作電流會(huì)影響對(duì)電網(wǎng)電路電流的檢測(cè)結(jié)果。因此，要有一套補(bǔ)償與修正的方法。
使用多種供電方式的冗余供電，可以增加系統(tǒng)的電源可靠性。但冗余供電方式需要有一個(gè)切換裝置。由于智能化電路的工作電流通常都較小，因此切換電路在技術(shù)上不難實(shí)現(xiàn)?？梢灾苯佑晌⑻幚砥髋浜蠈?zhuān)用電源檢測(cè)電路進(jìn)行切換控制。
2.5系統(tǒng)集成化技術(shù)智能化電氣開(kāi)關(guān)是以微處理器為核心的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它包括供電部分（常規(guī)供電、電池供電、電流互感器自供電）、專(zhuān)感器、控制部分、調(diào)整部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及開(kāi)關(guān)本體。各個(gè)組成部分之間相互關(guān)聯(lián)，又相互影響。如何協(xié)調(diào)與處理好各個(gè)組成部分之間的關(guān)系，使其既能滿(mǎn)足所有的功能要求，又不超出現(xiàn)有技術(shù)條件所允許的范圍（體積、功耗、可靠性、電磁兼容性等）就是系統(tǒng)集成化技術(shù)的主要內(nèi)容。
智能化電氣開(kāi)關(guān)是一類(lèi)具有較高技術(shù)含量的產(chǎn)品。實(shí)踐表明，產(chǎn)品的技術(shù)含量越高，系統(tǒng)集成化技術(shù)對(duì)其影響和作用也越大。特別是在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于牽涉面大，往往一個(gè)部件的問(wèn)題而影響整機(jī)的性能與質(zhì)量。在現(xiàn)代工業(yè)中，系統(tǒng)集成化技術(shù)集中體現(xiàn)了基礎(chǔ)工業(yè)的整體水平。
值得一提的是，目前迅速發(fā)展的CAD/CAM技術(shù)對(duì)于系統(tǒng)集成化技術(shù)有著重要的影響。CAD/CAM技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械、電子、電工、建筑、美工、服裝等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。CAD技術(shù)已經(jīng)不僅僅是作為一種繪圖工具發(fā)揮作用，而且能夠進(jìn)行計(jì)算、分析、校驗(yàn)和模擬。這些功能不僅能夠提高設(shè)計(jì)效率、減少設(shè)計(jì)失誤，還能夠使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段看到產(chǎn)品的逼真外觀，模擬產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)行。從而使參加設(shè)計(jì)者能夠?qū)Ξa(chǎn)品各方面的情況有一個(gè)總體的把握。
3智能化全功能低壓脫扣器的開(kāi)發(fā)CM1-Z型智能化脫扣控制器是作者開(kāi)發(fā)的一種全功能型低壓配電保護(hù)裝置，用于配電開(kāi)關(guān)柜中與多種脫扣器配套使用。
3.1主要技術(shù)要求使用條件。三相四線制線路。工作電壓保護(hù)功能。三段電流保護(hù)；過(guò)電壓、欠電壓保護(hù)；漏電保護(hù)；缺相保護(hù)。
顯示功能。電壓、電流、功率、功率因數(shù)顯示；設(shè)定參數(shù)顯示；試驗(yàn)電流顯示；10次故障記憶與參數(shù)顯示；故障預(yù)報(bào)警顯示；合閘、分閘狀態(tài)顯示。
~1.3倍額定電流范圍內(nèi)精度為3%.功率顯示為kW.功率因數(shù)顯示分辨率為0.01；故障時(shí)間顯示分辨率為0.001s. 3.2總體結(jié)構(gòu)CM1-Z型智能脫扣控制器由開(kāi)關(guān)電源、87C552單片機(jī)及其外圍電路、信號(hào)采樣與濾波放大電路、自動(dòng)量程切換電路、鎖相環(huán)頻率跟蹤電路、漏電保護(hù)電路、顯示與操作面板、功能選擇開(kāi)關(guān)、RS-485串行通訊接口和E2PROM存儲(chǔ)器所組成。系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)框圖如所列。
由于使用了高性能的87C552單片機(jī)，可以對(duì)三相四線的電路參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并根據(jù)用戶(hù)的需要顯示有關(guān)的電路參數(shù)（電壓、電流、功率和功率因數(shù)等）。該裝置具有常規(guī)的三段電流熱模擬保護(hù)功能，以及過(guò)壓、欠壓、漏電和缺相保護(hù)功能?？蓪?duì)配電線路或電動(dòng)機(jī)等電器進(jìn)行有效的和可靠的保護(hù)。
智能化斷路器原理框圖顯示操作面板外觀如所示。面板數(shù)字顯示共分為6組，分別為電流顯示（電流）、電壓顯示（電壓）、功率及功率因數(shù)顯示（功率）、設(shè)定參數(shù)顯示（設(shè)定）、試驗(yàn)參數(shù)顯示（試驗(yàn)）和故障參數(shù)顯示（檢查）。正常運(yùn)行時(shí)若無(wú)故障，總是顯示電流。按“功能”鍵可以切換到其他顯示組。
顯示操作面板示意圖每組顯示又分為若干項(xiàng)。按“選擇”鍵可以在其中進(jìn)行切換，如下所列。
電流顯示：A相電流，B相電流，C相電流，N線電流。
電壓顯示：AB線電壓，BC線電壓，CA線電壓。
功率顯示：功率，功率因數(shù)。
設(shè)定參數(shù)顯示：長(zhǎng)延時(shí)電流，長(zhǎng)延時(shí)時(shí)間，短延時(shí)電流，短延時(shí)時(shí)間，瞬動(dòng)電流。
試驗(yàn)參數(shù)顯示：A相電流，B相電流，C相電流，N線電流。
故障參數(shù)顯示：A相電流，B相電流，C相電流，N線電流，故障時(shí)間。
當(dāng)前功能狀態(tài)和選擇狀態(tài)有相應(yīng)的LED指示燈指示。選擇指示燈還兼有存儲(chǔ)和通訊狀態(tài)的指示。
3.3功能電路設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源直接由380V電網(wǎng)供電，提供脫扣控制器所需的多組電源。另外，系統(tǒng)還具有備用電源接口。
電流與電壓信號(hào)經(jīng)濾波與放大電路處理后，經(jīng)由多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，再進(jìn)行全波整流后送入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理后得到各個(gè)電壓、電流的有效值。
自動(dòng)量程切換電路根據(jù)輸入信號(hào)的大小自動(dòng)將A/D輸入端切換至不同的放大信號(hào)輸出端。
當(dāng)任何一路電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，比較器輸出過(guò)量程控制信號(hào)，多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)即自動(dòng)接通較低放大倍數(shù)的輸出信號(hào)。
鎖相環(huán)頻率跟蹤電路以電壓信號(hào)作為基準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行20倍頻后送給單片機(jī)作為采樣定時(shí)信號(hào)。當(dāng)交流電頻率有漂移時(shí)，采樣定時(shí)信號(hào)能夠自動(dòng)跟蹤頻率的變化，以確保對(duì)每個(gè)交流電周期采樣20次。
功率因數(shù)測(cè)量電路將電壓與電流信號(hào)整形后送給單片機(jī)，單片機(jī)利用定時(shí)器T2自動(dòng)采樣兩者的相位差計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)換算后即可得到功率因數(shù)。
單片機(jī)通過(guò)上述的采樣電路得到各個(gè)電路參數(shù)后，在顯示操作面板上將這些參數(shù)顯示出來(lái)。由于只有單排LED數(shù)字顯示，在同一時(shí)刻只能顯示一個(gè)數(shù)值。用戶(hù)可以通過(guò)操作按鍵選擇所顯示的參數(shù)。平時(shí)則顯示最大電流。
單片機(jī)還對(duì)各路電壓和電流信號(hào)進(jìn)行規(guī)定的檢測(cè)。電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)發(fā)出過(guò)壓、欠壓脫扣信號(hào)。當(dāng)缺相功能有效時(shí)，若三相電流不平衡超過(guò)設(shè)定值，發(fā)出缺相脫扣信號(hào)，同時(shí)對(duì)各相電流進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)實(shí)施三段式（瞬動(dòng)、短延時(shí)、長(zhǎng)延時(shí)）電流熱模擬保護(hù)。
漏電保護(hù)電路為獨(dú)立的硬件檢測(cè)電路，當(dāng)發(fā)生漏電時(shí)該電路送出漏電保護(hù)脫扣信號(hào)。該電路還有漏電模擬試驗(yàn)輸入，以對(duì)該電路的有效性進(jìn)行人工檢測(cè)。
利用特殊的按鍵組合與功能選擇開(kāi)關(guān)可以給用戶(hù)提供多種參數(shù)的選擇：過(guò)電壓保護(hù)點(diǎn)選擇、欠電壓保護(hù)點(diǎn)選擇、缺相保護(hù)功能是否有效、保護(hù)動(dòng)（下轉(zhuǎn)第50頁(yè)）0.5級(jí)，5A量程電流表1只；0. 5級(jí)，250V量程電壓表1只；240mm2銅導(dǎo)線數(shù)米。按連接測(cè)試。GKi、GK2斷開(kāi)，測(cè)試裝置的Xi、Yi點(diǎn)分別接在被測(cè)一次回路的A、B和C相的X、Y點(diǎn)上，通大電流測(cè)定。調(diào)節(jié)調(diào)壓器使電壓表讀數(shù)從0漸漸上升，同時(shí)電流表從0升到所需的電流時(shí)，停止調(diào)節(jié)調(diào)壓器，通過(guò)換算，可得出實(shí)際一次回路的通電電流。根據(jù)需要選定過(guò)電流繼電器的整定值，檢查繼?；芈肥欠駝?dòng)作。用此方法，不但可以檢查信號(hào)回路、分閘回路的響應(yīng)情況，而且可以模擬試驗(yàn)時(shí)實(shí)際通電電流與繼保整定值相互匹配情況。
測(cè)定方法2（從控制回路著手，見(jiàn)）。
250V電壓表1只；2.5mm2銅導(dǎo)線數(shù)米。按接線測(cè)試。
根據(jù)需要選定過(guò)電流繼電器的整定值，把測(cè)試裝置的X2、Y2點(diǎn)分別接在A、B和C相的過(guò)電流繼電器線圈（L）兩端，進(jìn)行測(cè)定。調(diào)節(jié)調(diào)壓器使電壓表讀數(shù)從0漸漸上升，同時(shí)電流表從0升到所需的電流時(shí)，停止調(diào)節(jié)調(diào)壓器，通過(guò)對(duì)電流互感器（CT2）流比的換算，可得出通過(guò)線圈的實(shí)際電流。用此方法，可以簡(jiǎn)單地校驗(yàn)實(shí)際繼保整定值，同時(shí)，可以檢查信號(hào)回路、分閘回路的響應(yīng)情況?？梢钥闯觯藭r(shí)的預(yù)置整定值和實(shí)際通過(guò)過(guò)電流繼電器線圈的電流之和是否有誤差。
在三相同時(shí)通電時(shí)，電流互感器的同銘端問(wèn)題必須加以考慮：試驗(yàn)室繼?；芈返碾娏骰ジ衅鳎栏皆谥骰芈返娜嚯娫瓷?。因此，同銘端連接是否正確，對(duì)繼?；芈酚泻艽笥绊憽．?dāng)同銘端相同，主回路三相電源也平衡時(shí)，電流互感器零線電流+ 0.當(dāng)電流互感器的同銘端不相同時(shí)，電流互感器零線電流（a十十乒0）約等于2倍相電流，因此，校正電流互感器的同銘端很重要。簡(jiǎn)單解決的方法：在零線上串一只測(cè)量用的電流表，讓主回路通電流（電流可小一點(diǎn)，使主回路能承受，電流表能準(zhǔn)確讀數(shù)）數(shù)秒，觀察零線上是否有電流，判斷同銘端是否正確。同銘端必須正確后才能投入繼保。
（上接第16頁(yè)）作延時(shí)時(shí)間、N線電流的影響系數(shù)：0、100%、e2prom存儲(chǔ)器提供設(shè)定參數(shù)和10次故障參數(shù)的永久性存儲(chǔ)，即使在斷電后也能長(zhǎng)期保存。
RS-485串行通訊接口提供與其他計(jì)算機(jī)的通訊手段，可以籍此組成多級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。
4結(jié)束語(yǔ)盡管微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用在我國(guó)已經(jīng)相當(dāng)普及，但智能化斷路器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在我國(guó)尚處于起步階段，目前還有許多技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)一步探討和解決，產(chǎn)品質(zhì)量也需要進(jìn)一步完善與提高。
微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展正在使越來(lái)越多的傳統(tǒng)產(chǎn)品向智能化的方向發(fā)展，智能化電氣開(kāi)關(guān)只是其中之一。由于智能化電氣開(kāi)關(guān)所具有的明顯的優(yōu)點(diǎn)，它將在不久的將來(lái)逐步取代傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
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