电气百科:电流脱扣器是什么?断路器的选择与整定工作原理!

时间:2022-09-25 04:26:00 作者:ob欧宝官方平台 来源:ob欧宝体育app下载 4038

  断路器是我们比较了解的一个器件,它大规模的应用在低压配电系统当中,是一个用来保护电器元件。当在低压配电系统的设计当中,断路器的选择性是我们要去就行注意的一点,对断路器过流脱扣器额定电流进行选择和整定,确保充分发挥过电流脱扣器的作用;当环境温度大于或小于校准温度值时,应根据制造商提供的温度与载流能力修正系数来调整低压断路器的额定电流值。

  2、长延时过载脱扣器动作电流整定值Ir,固定式脱扣器其1r=In,可调式脱扣器其Ir为脱扣器额定电流1n的倍数,如1r=0.4~1×1n。

  3、短延时电磁脱扣器动作电流整定值Im,为过载脱扣器动作电流整定值Ir的倍数,倍数固定或可调,如Im=2~10×Ir。对不可调式可在其中选择一适当的整定值。

  4、瞬时电磁脱扣器动作电流额定值Im′,为脱扣器额定电流In的倍数,倍数固定或可调,如Im′=1.5~11×In。

  断路器在合闸过程中的任何时刻,若保护动作接通跳闸回路,断路器能可靠地断开,这就叫自由脱扣。带有自由脱扣的断路器,可以保证断路器合于短路故障时,能迅速断开,避免扩大事故范围。对于真空断路器来说,其操动机构在合闸过程中接到分闸命令时,断路器机构将不再执行合闸命令而立即分闸,这样就避免了跳跃。从而确保了安全。

  那么为什么自由脱扣对于真空断路器来说如此重要,以至于被认为是一定要带有的功能呢?事实上如恰面所讲,是为了避免跳跃现象。下面就来介绍跳跃现象。

  真空断路器在合闸短有预伏短路故障的线路时,一旦触头间电击穿形成短路电流后,继电保护装置便动作发出分闸命令,使断路器分闸。此时,如果合闸命令尚未来得及解除,则断路器在合闸辅 助断路器接通后就会再次自动合闸,这种连续的多次合、分闸现象就叫作跳跃现象。这一现象会使得触头严重烧伤,还有可能引起真空断路器的爆炸,从而引发事故。

  所以配有自由脱扣功能是很有必要的。在具体现实中,真空断路器操动机构的防跳跃和自由脱扣:在关合过程中,如电路发生故障时,操动机构应使断路器自行分闸,即使合闸命令未解除,真空断路器也不能再度合闸,以避免无谓地多次分、合故障电流。从而避免隐患,确保安全。

  低压断路器过流脱扣器的额定电流IN.OR不小于线)低压断路器过流脱扣器动作电流的整定

  ①瞬时过电流脱扣器动作电流的整定。低压断路器所保护的对象中,有某些电器设备,这些电器设备在启动过程中,会在短时间内产生数倍于其额定电流的高峰值电流,从而使低压断路器在短时间内承受较大的尖峰电流。瞬时过电流脱扣器的动作电流lop(o)必须躲过线路的尖峰电流IPK,即Iop(o)≥Krel稩PK式中Krel为可靠系数。在选用断路器时,应注意使低压断路器的瞬时过电流脱扣器的整定电流躲过尖峰电流,以免引起低压断路器的误动作;

  ②短延时过流脱扣器动作电流和动作时间的整定。短延时过流脱扣器的动作电流lop(s),也应躲过线路的尖峰电流IPK,即IOP(S)≥Krel稩PK,式中KERL为可靠系数。短延时过流脱扣器的动作时间一般分0.2S、0.4S和0.6S三种,按前后保护装置的保护选择性来确定,应使前一级保护的动作时间比后一级保护的动作时间长一个时间级差;

  ③长延时过流脱扣器动作电流和动作时间的整定。长延时过流脱扣器主要是用来保护过负荷,因此其动作电流Iop(1)只需要躲过线路的最大负荷电流即计算电流I30,即Iop(1)≥KREL稩30式中KREL为可靠系数。长延时过流脱扣器的动作时间应躲过允许短时过负荷的持续时间,以免引起低压断路器的误动作;

  ④过流脱扣器的动作电流与被保护线路的配合要求。为了不致线路因出现过负荷或短路引起绝缘线缆过热受损甚至失火,而其低压断路器不跳闸事故的发生,低压断路器过流脱扣器的动作电流lOP应符合公式的要求,lOP≤KOL稩al,失中Ial绝缘线缆的允许载流量;Kol一绝缘线缆的允许短时过负荷系数,对瞬时和短延时过流脱扣器,一般取4.5;对长延时过流脱扣器,做短路保护时取1.1,只做过负荷保护时取1.

  首先介绍了智能脱扣器的硬、软件设计及其关键技术,接着提出了新的数据处理方法,最后总结出一些抗干扰的措施。

  智能型断路器是指采用了智能脱扣器的断路器,智能脱扣器使断路器实现了遥测、遥控、遥信和遥调等功能。现在智能脱扣器都采用单片机、DSP等微处理器作为逻辑处理的基础,其发展趋势一是功能越来越多,除了传统的脱扣功能外,还有脱扣前报警功能、线路参数检测功能以及试验功能;另外一种趋势是采用现场总线技术,把设备的网络化作为目标。

  本文主要介绍在研制智能脱扣器的过程中,硬件、软件方面需要注意的问题以及相应的处理方法。

  根据智能脱扣器所要实现的功能,硬件可以分为中央处理单元(微处理器及其外围电路)、采样电路、按键显示电路、通讯电路、执行机构等几个部分。

  采样电路实现的功能是将外部的电流、电压信号经过互感器、滤波、幅值调整环节后送到微处理器A/D采样通道口。在这些环节要注意以下几个问题。

  1)互感器的选择互感器的作用是将线路中幅值很大的电信号线性地转换成可以处理的电信号,其转换的线性和精度将直接影响关键数据的可信度,这些数据是智能脱扣器工作的基础。常用的电流互感器有铁心和空心两种,铁心型互感器在处理小电流时线性度很好,但大电流时铁心容易饱和,从而出现线性失真,测量范围小;空心型在处理大电流时线性度好,测量范围广,但小电流时易受干扰,也会出现线性失真,测量误差大。然而智能脱扣器电流测量范围从几百A到几十kA,变化范围很大,要想在整个测量范围内不失线性,最好采用两种类型互感器相互结合的方法。

  2)幅值调整环节由于电流的测量范围很大,而微处理器A/D转换参考电压一般很小,本项目采用CYGNAL公司的C8051芯片作为CPU芯片,其A/D转换参考电压范围为0~3.3V,如果输入电信号幅值超过3.3V一定的时间将会损坏C8051芯片。如果将所有的电信号幅值都降到3.3V以下,那么A/D转换的精度将大大降低,为后面的数据处理带来很大的麻烦。本设计中采用多量程转换的方法,每一种量程中信号送到A/D转换口的幅值最大值都稍小于3.3V,硬件上根据信号幅值大小采用不同的输送通道,当然实现这个功能还要软件上面的判断。

  本设计中的CPU芯片采用CYGNAL公司的C8051,这是一种新型高速集成芯片,拇指盖大小的体积内集成了8路A/D转换通道、温度传感器、32K的FLASH存储器,WATCHDOG监视器、通讯接口和标准的JTAG程序烧写口。这使控制系统的外围元器件少、电路简单,从而提高了稳定性和抗干扰能力。

  键盘显示电路采用串行接口的7281芯片,该芯片通过外接移位寄存器74HC164,最多可以控制16位数码管或128只独立LED,其驱动输出极性和输出时序均为软件可控,从而可以和各种驱动电路配合。同时,7281芯片不仅可以控制各显示位闪烁属性和闪烁频率,而且可以最多连接64键的键盘矩阵,键盘为互锁式,内部具有消去抖动功能。此外,7281芯片采用高速二线接口与CPU通讯,只占用很少的I/O口和CPU时间。

  执行单元采用永磁体的电磁铁,正常工作时在永磁体作用下保持吸合状态,当执行电路接收到CPU发出的脉冲控制信号时,触发达林顿管使线圈通有电流而产生反向磁通,在反力弹簧的作用下铁心打开,带动断路器分断。

  CYGNAL51芯片自带内部复位和简单的外部复位电路,这部分复位电路是不容易被忽视的。但是在实际运行中,由于键盘和显示是由管理芯片7281所控制的,当程序跑飞后,C8051芯片经过外部或内部复位电路可以重新复位运行,但是C8051芯片的复位无法传送到7281芯片,这时显示板上的显示不会刷新,因此要在C8051芯片复位的同时,让7281芯片也进行复位,可行的解决方法是让C8051芯片和7281芯片共用相同的复位源,这样一旦程序死掉,这两种芯片会同时复位。

  软件设计主要分为两个部分,主程序和中断程序。主程序包括故障处理、键盘处理、显示处理、通信处理等子程序;中断程序包括定时器中断、键盘中断、通讯中断等。

  单片机对工频电流信号进行采样,每一周波(20ms)可采集32个点,这样系统采样频率采用6MHz就不会出现失真。由于延时保护要求精度高,因此要先计算电流的有效值。计算电流有效值的方法较多,下面介绍一种较可靠的算法。由于实际信号中叠加有高频信号和非周期信号,为了真实有效地反映被测量信号的本质,有人提出了用FFT算法从测量数据中计算出线路?号的基波参数和高次谐波参数,由于信号基波分量占到总信号的95%以上,所以,计算出来的数据可以作为各种保护算法的依据。电流保护的前提是能否及时正确判断故障发生的时刻。FFT算法通过计算一个周波内基波分量的有效值是否大于门槛值来确定故障情况,这样做可以完成判断任务,但是实时性不高。下面提出一种基于小波分析和FFT的改进算法,小波算法在采样过程中检测到可疑信号点后,由FFT算法进行有效值判断,如果没有超过门槛值,则可疑信号点无效,回到小波算法中继续寻找采样可疑点;如果有效值超过门槛值,则认为可疑点有效,根据保护条件输出相应信号。 瞬时保护是一种特殊的保护方式,它不需要对有效值进行比较,而是采用即采即比的方式,一旦发现某个采样点超过规定的门槛,立即让单片机系统发出脱扣信号。但是,由于脱扣器工作条件不定,不可避免受到外界干扰源的影响,导致脱扣器误动,为了减少误动的可能性,可以采取判别连续几个采样点是否都超过门槛值,如果都超过则认定故障发生,否则判别为外界干扰。采取这种方法提高了可靠性但是降低了时效性,至于连续判别几个采样点根据实际需要来定。

  影响智能脱扣器的干扰源有用电设备的浪涌电流,对讲机、手机等产生的射频辐射,智能脱扣器内部的开关电源和斩波释放电路等。这些干扰源的存在导致程序死掉,或电流电压等参数显示不准确导致故障状态判断错误,进而引起脱扣器误动作。为了减少干扰的影响,需要在硬件和软件上采取相应措施。

  1)合理布线,使数字电路地和模拟电路地共点地为悬浮工作方式,即系统各回路的基准电位互相连接在一起而不与大地相连,这样系统有较强的抗干扰能力;

  2)模拟电路地和数字电路地分开接地,最后再汇合到一点,这是因为斩波泄放电路在启动工作后,出现很高的瞬态干扰,把逻辑地(主机)和模拟地(A/D)分开后,这一干扰就降到很低;

  3)线路板和元器件表面喷绝缘层,是防潮和绝缘的需要,对防电磁干扰也有很重要的作用;在机壳内涂金属屏蔽层,形成等电位屏蔽,对电磁干扰也有很大的屏蔽作用;

  4)在稳压电源、隔离变压器后侧安装滤波电路,能使火线与零线中的干扰电流得到衰减;

  5)芯片的选择上,尽可能采用体积小的芯片封装,由于贴片封装比直插封装体积小、抗干扰能力强,因此选择贴片封装;

  6)尽量减少外围电路,使电路板布线)硬件电路应采用多级跟随器和高频滤波电路,以保证信号不失线 软件抗干扰

  1)为了防止装置受到干扰进入“死机”状态,在程序中加入一些监控措施利用看门狗(WATCHDOG)对程序进行死锁检测,在必要的时候自动复位;在未使用的中断向量区、空白程序区设置软件陷阱,强迫程序跑飞以后能够回到正常轨道上来;在必要的地方写入冗余指令,以调整指令长度,防止程序混乱。

  2)对采样信号进行数字滤波首先对每一个采样点进行判别,让其与相邻值、前次值以及增值最大值比较,根据对称检测法、限幅检测法来判断是否为干扰信号;对最近采样的点进行FFT计算得到的数据与前几次的数据求平均值,舍去“异类”。

  3)软件“WATCHDOG”技术系统运行时受到外界干扰的时候,程序会偏离正常轨道从而引起一系列问题,出现死循环,系统无法回到正常状态。软件看门狗技术特点是:系统正常运行程序中,每隔一段固定时间就要对“WATCHDOG”进行“喂狗”操作,在规定时间内如果检测到“喂狗”操作,表明系统运行正常,否则认为系统出错,自动发出复位信号。本项目采用的CYGNAL51芯片内部自带看门狗,这就减少了项目开发人员的工作量。

  此外,在数据处理的算法上进行改进,也能大大提高系统的抗干扰能力,但是,这往往是以牺牲代码长度为代价的,至于如何取舍看实际项目要求而定。

  随着高性能、低价格芯片的不断涌现,在保留传统设备优点的基础上,智能脱扣器在保护的多样性、判断准确性和抗干扰性、自诊断保护、实时通讯和显示等方面有较大的改进,这大大方便了用户,从而有广阔的市场前景。

  欠电压继电器或脱扣器是指当继电器或脱扣器的端电压降至预定值时,使机械开关电器有延时或无延时断开或闭合的继电器。欠电压继电器或脱扣器与开关电器组合在一起,当外施电压下降,甚至缓慢下降至额定电压的70%至35%范围内,与开关电器组合一起的欠电压继电器和脱扣器应动作,使电器断开。空气开关欠压脱扣器工作原理

  遇停电,空气开关便自行跳闸,一般是因为空气开关带有欠压脱扣保护装置,当停电时,欠压脱扣器动作跳闸。

  1、当线路电压正常时电压脱扣器11产生足够的吸力,克服拉力弹簧9的作用将衔铁10吸合,衔铁与杠杆脱离,锁扣与搭钩才得以锁住,主触头方能闭合。

  2、当线路上电压全部消失或电压下降至某一数值时,欠电压脱扣器吸力消失或减小,衔铁被拉力弹簧9拉开并撞击杠杆,主电路电源被分断。

  低压断路器俗称自动空气开关。是低压配电网中地主要开关电器之一,是低压开关中性能最完善地一种开关。它可以用来接通、分断正常负荷电流,又具有对电路进行自动保护地功能。当电路中发生短路、过负荷、低电压等故障时,低压断路器都能自动切断电路。低压断路器广泛用作低压配电变压器地总开关、大负荷电力线路和大功率电动机地控制开关等。但其结构上着重提高灭弧能力,所以不适用于要求频繁操作地电路。它不仅可以接通和分断正常负载电流、电动机工作电流和过载电流。而且可以接通和分断短路电流。主要在不倾族操作地低压配电线路或开关柜(箱)中作为电耳开关使用。并对线路、电气设备及电动机等起保护作用,当它们发生严贯过电流、过载、短路、断相、翻电等故障时。能自动切断线路。起到保护作用。

  低压断路器由触点系统、脱扣机构、灭弧装置和操作机构构成,如图1-13所示。触点起到电路的通断作用。脱口机构有多种形式,如过流脱扣器、热过载脱扣器、欠压脱扣器、分励脱扣器等。和接触器灭弧装置的作用类似,低压断路器的灭弧装置也是为防止触点接通或断开时,所产生的电弧造成触点间短路所设计的。操作机构分手柄操作、杠杆操作、电磁铁操作和电动机操作几种。当通过断路器的电流超出其规定的电流值时,过流脱扣器绕组的电流增大,衔铁I吸合;过载时,热过载脱扣器的双金属片J进一步受热膨胀后,弯曲加大;当电压欠压时,可使欠压脱扣器动作,其衔铁G因电压降低,吸力不够,在反力弹簧N的作用下而释放。上述情况不论哪种情况发生,都将带动连杆F向上移动,使搭扣与锁钩脱开,从而使断路器的触点在反力弹簧L的作用下断开,切断故障电路,起到保护的目的。因此,断路器在功能上相当于刀开关、热继电器、过电流继电器和欠压继电器的组合,能有效地对负载电路进行短路、过载及欠电压保护,也可用于不频繁的接通、分断电路。

  分励脱扣器的设计,主要是为了实现断路器的远距离操作和控制。正常工作时,该脱扣器的线圈是断电的,当按下相应的按钮时,脱扣器线圈得电,衔铁吸合,带动杠杆移动,使搭扣脱开,主触点断开。

  另外,目前市场上还设计有微型断路器,以满足小电流用户的使用需要。微型断路器在极数上分单极、双极、三极和四极等;在使用场合上分照明、动力两种;在漏电保护上分普通型和漏电保护型。

  断路器用作合、分电路时,依靠扳动手动操作机构的手柄(简称为手操)或者利用电动操作机构(简称为电操)使得断路器的动、静触头闭合或者断开。

  当断路器所在线路出现过载(过负荷)时,断路器热脱扣器中的双金属元件受热(或者通过它近旁的发热元件使得双金属元件受热)产生变形、弯曲,并打开锁扣使得断路器跳闸。热脱扣器一般用于过载保护。

  当断路器所在线路中出现短路时,短路电流使得磁脱扣器的动衔铁被吸合,从而带动牵引装置使得断路器跳闸。磁脱扣器一般用于短路保护。

  当断路器所在线%Un(额定电压)时,欠电压脱扣器将触发断路器执行跳闸操作。这种脱扣被称为欠电压脱扣;当操作者需要从远方来操作断路器跳闸时,可以利用分励脱扣器。分励脱扣器可实现断路器的远距离操作。

  断路器的脱扣器包括温度、电流、电压的传感元件、传递元件、测控元件和执行元件。

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