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配電線路過負(fù)荷監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

瀏覽次數(shù):1324更新日期:2013-07-09
配電線路過負(fù)荷監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李戰(zhàn)贈(zèng)1 姚波2 陸偉青
(1.中國建筑設(shè)計(jì)研究院  北京市 100044 )
    ( 2.上海安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801)

摘    要:介紹一款基于STM32F103R8T6的配電線路過負(fù)荷監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用,該裝置應(yīng)用于突然斷電比過負(fù)載造成的損失更大的線路中,能夠與微型斷路器、塑殼斷路器、熔斷器等設(shè)備配套使用,實(shí)現(xiàn)配電線路過負(fù)荷的2段式報(bào)警,提前預(yù)警線路的過負(fù)荷狀態(tài),從而減少由于斷路器跳閘而產(chǎn)生的損失。
關(guān)鍵字:過負(fù)荷監(jiān)控

1  引言
  JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中7.6關(guān)于低壓配電線路的保護(hù),是強(qiáng)制性要求的,因此配電線路過負(fù)荷監(jiān)控是必要的。7.6.1條規(guī)定“低壓配電線路應(yīng)根據(jù)不同故障類別和具體工程要求裝設(shè)短路保護(hù)、過負(fù)載保護(hù)和接地故障保護(hù),作用于切斷供電電源或發(fā)出報(bào)警信號(hào)”。因此,在配電設(shè)計(jì)中,大量采用各種類型的斷路器,用于實(shí)現(xiàn)線路過負(fù)荷時(shí)的保護(hù)。
  目前在配電設(shè)計(jì)中常用的有微型斷路器、塑殼斷路器、熔斷器。其中微型斷路器主要應(yīng)用于家用及類似場所過電流保護(hù),額定電流不超過12;工業(yè)類場合使用的多為塑殼斷路器,電流zui大可達(dá)1250A。根據(jù)GB 14048.2-2008/IEC 60947-2:2006 《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分:斷路器》、GB 10963.1-2005/IEC 60898-1:2002 《家用及類似電器裝置用過電流保護(hù)斷路器  第1部分:交流操作的斷路器 》、GB 13539.1-2008/IEC 60269-1:2006 《低壓熔斷器 第1部分:基本要求 》對于設(shè)備要求如下特性,見表1:    

配電用過負(fù)荷保護(hù)特性                             表1 

試驗(yàn)電流名稱
整定電流倍數(shù)
(塑殼斷路器例)
約定時(shí)間         
起始
狀態(tài)
In≤63A
In≥63A
約定不動(dòng)作電流
1.05
≥1h
≥2h
從冷態(tài)開始
約定動(dòng)作電流
1.3
1h
2h
從熱態(tài)開始
 

  由表1可得,一旦配電線路中的電流超過一定的倍數(shù),斷路器會(huì)在約定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作,從而切斷負(fù)荷回路。但是,對于某些重要的回路,是不允許切斷供電的,JGJ16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.1定義了一級(jí)、二級(jí)負(fù)荷情況,明確指出中斷供電將造成人身傷亡;政治、經(jīng)濟(jì)重要影響;影響重要用電單位的正常工作或造成公共場所秩序嚴(yán)重混亂。例如:重要通信樞紐、重要交通樞紐、重要的經(jīng)濟(jì)信息中心、特級(jí)或體育建筑、國賓館、*及承擔(dān)重大國事活動(dòng)的會(huì)堂以及經(jīng)常用于重要活動(dòng)的大量人員集中的公共場所等用電單位中的重要電力負(fù)荷等。因此在7.6.3條5規(guī)定“突然斷電比過負(fù)載造成的損失更大的線路,其過負(fù)載保護(hù)應(yīng)作用于信號(hào)而不應(yīng)作用于切斷電路”。對于上述要求,那么傳統(tǒng)的開關(guān)明顯是不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
  因此,我們需一種裝置,能夠針對不同類型的脫扣特性,在線路過負(fù)荷時(shí),發(fā)出告警信號(hào),提醒用戶及時(shí)采取措施。
  本文將要介紹的是一種ACM配電線路過負(fù)荷監(jiān)控裝置,以下簡稱ACM,,該裝置在功能上除能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)顯儀表的測量功能外,還能針對不同類型的線路特性,提供與之動(dòng)作特性相對應(yīng)的2段式報(bào)警功能,同時(shí)配有開關(guān)量狀態(tài)輸入,準(zhǔn)確判斷外部開關(guān)狀態(tài),還可配備通訊功能,實(shí)現(xiàn)遙測和遙控功能。其動(dòng)作示意見圖1。保護(hù)類型見表3。

圖1 時(shí)間-電流工況圖

工作區(qū)間                                         表2

代號(hào)
說明
正常運(yùn)行
報(bào)警1段動(dòng)作
報(bào)警1段動(dòng)作、報(bào)警2段不動(dòng)作區(qū)間
報(bào)警2段動(dòng)作區(qū)間
T1
報(bào)警2段動(dòng)作延時(shí)時(shí)間設(shè)定值
I1
報(bào)警1段過載值
I2
報(bào)警2段過載值

配電線路保護(hù)電器類型                         表3 

配電線路保護(hù)電器類型
1段報(bào)警
2段報(bào)警
微型斷路器
1.13In
1.45In
塑殼斷路器
1.05In
1.3In
熔斷器
1.25In
1.45In

  ACM主要應(yīng)用在配電線路回路中,不是末端保護(hù),而微斷一般應(yīng)用于末端保護(hù),因此兩者在功能上不沖突。ACM用于過載報(bào)警,而短路保護(hù)由單磁塑殼斷路器(僅具有短路保護(hù))和熔斷器來實(shí)現(xiàn)。
  產(chǎn)品符合以下標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范:
  GB 50054 《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》
  JGJ16-2008 《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》
  GB14048.2-2008/IEC 60947-2:2006 《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分:斷路器》
  GB10963.1-2005/IEC 60898-1:2002 《家用及類似電器裝置用過電流保護(hù)斷路器  第1部分:交流操作的斷路器 》
  GB13539.1-2008/IEC 60269-1:2006 《低壓熔斷器 第1部分:基本要求 》

2  電路設(shè)計(jì)原理
  ACM的硬件電路包括主CPU芯片、電源、信號(hào)采集電路、人機(jī)交互單元、RS485通訊接口、開關(guān)量輸入模塊及繼電器輸出接口(圖2)。

圖2 硬件電路框圖

2.1  主控CPU
  ACM的CPU采用ST公司的基于ARM Cortex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器STM32F103R8T6,時(shí)鐘頻率zui高可達(dá)72MHz,內(nèi)置64K的Flash、20K的RAM、12位AD、4個(gè)16位定時(shí)器、3路USART通訊口等多種資源,具有*的性價(jià)比。
2.2  電源    
  電源是一臺(tái)設(shè)備能否正常、穩(wěn)定、可靠工作的關(guān)鍵部分,ACM采用本公司常用的通用開關(guān)電源模塊。該電源模塊輸入電壓為AC85V~265V,輸入頻率45Hz~60Hz,具有多路隔離電壓輸出,滿足多種功能對不同供電電壓的要求。輸出電壓穩(wěn)定、故障率小,輸出紋波 <1%。具有過壓、過流保護(hù)。該模塊經(jīng)實(shí)際現(xiàn)場使用,具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。
2.3  信號(hào)采集電路(圖3)
  信號(hào)采集電路采用互感器隔離輸入,將交流信號(hào)抬高后,通過放大電路將信號(hào)進(jìn)行放大,zui后將采樣信號(hào)送入CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化。

圖3 信號(hào)采集電路

2.4  人機(jī)交互單元
  人機(jī)交互單元采用LCD液晶顯示和按鍵輸入。能夠直觀地顯示測量參數(shù)和設(shè)置參數(shù)。用戶可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)定設(shè)置。
2.5  RS485通訊接口
  通訊接口模塊采用通用的RS-485、Modbus RTU通訊規(guī)約,能實(shí)現(xiàn)遙測、遙控、遙信等功能,見圖4。

圖4 通訊電路原理圖

2.6  繼電器輸出接口
  繼電器輸出接口(圖5)是動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu),當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),繼電器便會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作,發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

 

圖5 繼電器輸出原理圖

3  軟件設(shè)計(jì)
  ACM的軟件流程主要包括A/D子程序、保護(hù)子程序、計(jì)算子程序、顯示子程序、按鍵處理子程序、通訊子程序等子程序,由于程序內(nèi)容較多,現(xiàn)給出主程序流程(圖6) 

圖6 主程序流程圖

4  結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
  監(jiān)控裝置的外型結(jié)構(gòu)分為2種,見圖7、圖8。

                             圖7                             圖8           

  圖7結(jié)構(gòu)采用的是微型斷路器外型,體積小巧,LCD液晶顯示。
  圖8采用的是分體式安裝,主體控制單元采用DIN35mm導(dǎo)軌安裝方式,顯示單元采用嵌入式安裝方式,由數(shù)據(jù)線與主體相連。點(diǎn)陣LCD顯示,美觀大方。

5  產(chǎn)品特點(diǎn)   
  監(jiān)控裝置采用真值的計(jì)算方法、可測量三相電流、三相電壓、四象限有功、無功、功率因數(shù)、漏電流、頻率、2~15次諧波等參數(shù),在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較高的精度。集成有多種類型斷路器的動(dòng)作特性。該裝置集低壓電測儀表的測量功能和線路監(jiān)控功能于一體,是重要負(fù)荷回路理想的監(jiān)控元件。
  其主要技術(shù)指標(biāo)見下表。


6  應(yīng)用案例
  ACM能應(yīng)用于多種場合。下圖為典型的應(yīng)用案例。
  在本應(yīng)用案例中,ACM應(yīng)用于塑殼斷路器回路,其報(bào)警點(diǎn)分別為額定值的1.05倍和1.3倍。當(dāng)線路中電流值達(dá)到所設(shè)額定值的1.05倍時(shí),輸出節(jié)點(diǎn)7、8閉合,使中間繼電器KA1動(dòng)作,點(diǎn)亮指示燈PGR;當(dāng)線路中電流值達(dá)到所設(shè)額定值的1.3倍時(shí),裝置開始計(jì)時(shí)(計(jì)時(shí)時(shí)間5s~2h,可任意設(shè)定),計(jì)時(shí)時(shí)間到,且電流未能回落,則輸出節(jié)點(diǎn)9、10閉合,使中間繼電器KA2動(dòng)作,使聲光報(bào)警器PG動(dòng)作,從而起到報(bào)警作用。

7  結(jié)語
  ACM配電線路過負(fù)荷監(jiān)控裝置采用的設(shè)計(jì)方案,能夠針對不同的使用場合提供不同的報(bào)警點(diǎn),產(chǎn)品穩(wěn)定可靠,是理想的配電線路過負(fù)荷監(jiān)控產(chǎn)品。

  文章來源于:《電氣技術(shù)》2010年第11期。

參考文獻(xiàn)
[1] 李炳華,《智能建筑電氣技術(shù)》“淺談建筑電氣新技術(shù)的應(yīng)用”2010.6
[2] 上海安科瑞電氣股份有限公司,ACM系列配電線路過負(fù)荷監(jiān)控裝置選型手冊,2010。
[3] 中國電力出版社,電工與電子技術(shù),1999。
[4] 任志程,周中,電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南,中國電力出版社,2007

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