淺談智能電網(wǎng)應(yīng)用中開關(guān)的重要性

隨著能源成本的上升和環(huán)境意識的提高，能源效率正成為一個(gè)越來越重要的話題。智能電網(wǎng)正在變得高度聯(lián)網(wǎng)且高度智能化，從而實(shí)現(xiàn)了前所未有的電源管理程度。

這種先進(jìn)管理是由眾多設(shè)備提供，其中大部分依靠開關(guān)進(jìn)行功能控制，并通常與高級顯示器配合使用來提供人機(jī)界面（HMI）。

由于開關(guān)被認(rèn)為是低成本的簡單器件，設(shè)計(jì)人員通常不會(huì)花太多心思考慮。然而，選擇正確的開關(guān)可以顯著增強(qiáng)產(chǎn)品，相反，選擇錯(cuò)誤的產(chǎn)品會(huì)導(dǎo)致過早失效，從而導(dǎo)致保修索賠和品牌聲譽(yù)方面的慘重代價(jià)。

在本技術(shù)文章中，C&K開關(guān)將研究開關(guān)技術(shù)在智能電網(wǎng)應(yīng)用中的作用，并重點(diǎn)介紹一些更受歡迎的常用器件。

能源業(yè)務(wù)正在發(fā)生變化：無論是在我們的家中、辦公室、工廠還是公共場所，隨著我們現(xiàn)代生活中的各個(gè)方面越來越依賴于技術(shù)，我們也越來越依賴于這些技術(shù)背后的電力。然而，能源價(jià)格上漲導(dǎo)致商業(yè)和私人消費(fèi)者越來越關(guān)注能源使用，特別是要避免浪費(fèi)。將此與日益增長的環(huán)境意識及對環(huán)境的關(guān)注結(jié)合來看，發(fā)配電業(yè)務(wù)進(jìn)入一個(gè)由智能電網(wǎng)技術(shù)所主導(dǎo)的新階段，也就不足為奇了。

雖然大多數(shù)配電基礎(chǔ)設(shè)施已有數(shù)十年歷史，但引入智能電網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)更大的智能控制，而為供應(yīng)商和消費(fèi)者帶來整體系統(tǒng)可靠性和效益。自動(dòng)化智能電網(wǎng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)狀況，而為操作員提供更好的信息，并對許多問題進(jìn)行自動(dòng)診斷。它還可以對有限的故障進(jìn)行自動(dòng)響應(yīng)，例如變更供電路線，快速恢復(fù)故障區(qū)域，或者至少可以隔離該區(qū)域，以防止發(fā)生更廣泛的級聯(lián)故障。

從能源管理的角度來看，智能電網(wǎng)可以管理電能供應(yīng)，通過在電費(fèi)較低時(shí)向消費(fèi)者發(fā)送自動(dòng)信號，而促進(jìn)在非高峰時(shí)段使用更便宜的電力。在極端情況下，當(dāng)供應(yīng)量有限時(shí)，可以對非必要的消費(fèi)者實(shí)施限電措施，從而保障醫(yī)院等基本功能能夠完全、正常地運(yùn)行。未來，電動(dòng)汽車將成為電網(wǎng)的一類大用戶，智能電網(wǎng)可以完全控制這一點(diǎn)，甚至可以在高峰時(shí)段從停放和連接的車輛“借用”能量，而在非高峰時(shí)段補(bǔ)充它們。

智能電網(wǎng)帶來了巨大的可能性，包括可以分散發(fā)電，而使小用戶（甚至是房主）可以為電網(wǎng)提供電能而獲取收益。然而，智能電網(wǎng)的可靠性僅與其采用的“智能”技術(shù)一樣好。

智能電網(wǎng)設(shè)備

雖然構(gòu)成智能電網(wǎng)的設(shè)備種類很多，但這些設(shè)備分為三個(gè)主要領(lǐng)域：輸電、配電和配電自動(dòng)化——如下面圖1中的概要所述。

雖然所有這些設(shè)備在尺寸、成本和功能方面都非常多樣化，但都有一個(gè)共同點(diǎn)：它們都依靠各種開關(guān)來可靠、可重復(fù)地執(zhí)行其功能。

這些設(shè)備中的開關(guān)功能與設(shè)備本身一樣多種多樣，但幾乎可以肯定包括為系統(tǒng)提供輸入（單獨(dú)使用或與顯示器上的軟菜單配合使用）、與設(shè)備通信、重置和激活功能，以及在設(shè)備必須保持關(guān)閉以確保安全時(shí)防止篡改。

設(shè)計(jì)人員選擇開關(guān)時(shí)的要求

通常，設(shè)計(jì)人員在選擇開關(guān)時(shí)沒有給與其應(yīng)有的時(shí)間和關(guān)注。鑒于大多數(shù)開關(guān)的成本較低且性質(zhì)簡單，通常工程師在選擇它們時(shí)草草了事而沒有考慮到所有的相關(guān)點(diǎn)。然而，多種形式的開關(guān)是構(gòu)成較昂貴設(shè)備HMI的基礎(chǔ)，并也因此定義了設(shè)備對用戶的“感覺”。另外，售價(jià)0.50美元的開關(guān)過早失效，有可能導(dǎo)致售價(jià)10，000美元的儀器無法使用。

最基本的考慮因素是功能類型——開關(guān)是需要鎖定，還是只需要瞬間按動(dòng)。然后就需要定義刀擲個(gè)數(shù)：此舉定義了開關(guān)的電氣要求，許多設(shè)計(jì)人員在此就停止而選擇開關(guān)了。

但是，還有許多方面需要考慮。智能電網(wǎng)應(yīng)用中使用的許多儀器/設(shè)備是在室外使用，或者在可能存在濕氣、污垢或灰塵等相對惡劣的環(huán)境中所使用。此外，這些產(chǎn)品的壽命可能長達(dá)十年或更長。接觸腐蝕和濕氣進(jìn)入是這些環(huán)境中的潛在危險(xiǎn)，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮開關(guān)構(gòu)造所采用的材料，尤其是觸點(diǎn)材料，以及確保開關(guān)具有必要的密封。

可靠性非常關(guān)鍵，以便設(shè)備可以在其所有使用壽命中可靠地運(yùn)行。開關(guān)的可靠性是以循環(huán)次數(shù)為單位衡量的，因此需要對應(yīng)用以及開關(guān)所要執(zhí)行的功能進(jìn)行一些評估才能正確評價(jià)。信譽(yù)良好的制造商能夠?yàn)槠洚a(chǎn)品提供表明其開關(guān)循環(huán)壽命的測試數(shù)據(jù)。

作為儀器HMI的一部分，人體工程學(xué)和美觀很重要，因?yàn)樗鼈兺ǔ?huì)影響用戶體驗(yàn)及其對設(shè)備的感知。觸覺——開關(guān)的聲音和感覺——由于其向操作員提供開關(guān)已被操作的反饋，因此是開關(guān)操作的重要元素。選擇具有正確觸覺的開關(guān)可以為儀器提供“高品質(zhì)”的感覺。

開關(guān)的外觀可以輔以顏色來指示其功能，例如紅色表示“停止”或綠色表示“開啟”。可以通過顏色編碼識別具有類似功能的多組開關(guān)，或者可以簡單地選擇開關(guān)顏色來適應(yīng)儀器制造商的品牌。

智能電網(wǎng)應(yīng)用中受歡迎的開關(guān)

雖然智能電網(wǎng)應(yīng)用中使用的開關(guān)類型非常廣泛，但某些流行類型的使用頻率高于其他類型：

KSC系列——密封觸覺開關(guān)

這種單刀單擲（SPST）瞬動(dòng)按鈕開關(guān)通常用于顯示器激活和控制等應(yīng)用。

超薄KSC專為高達(dá)50mA和32VDC的小信號而設(shè)計(jì)，產(chǎn)品高度僅為2.5mm，可提供十種不同類型的傳動(dòng)器，因而適用于多種應(yīng)用。該器件密封等級為IP67，適用于惡劣條件，可選的鍍金鎳觸點(diǎn)具有耐腐蝕性，適用于極低電流。采用金觸點(diǎn)的KSC，其額定工作溫度范圍為-40℃至+125℃，操作次數(shù)最高可達(dá)500萬次。這種緊湊型開關(guān)具有用于PCB安裝的“J”或“G”型表貼端子，并提供方便的卷帶包裝。

KSC的一個(gè)關(guān)鍵、獨(dú)特的功能是C&K能夠用其專用設(shè)備調(diào)整觸覺。

E系列——密封微型撥動(dòng)開關(guān)

E系列密封微型撥動(dòng)開關(guān)具有多種配置選擇，可通過C&K的“Build-A-Switch”零件編號系統(tǒng)輕松調(diào)出，幾乎可用于需要撥動(dòng)開關(guān)的所有應(yīng)用。

E系列提供單刀、雙刀和三刀配置，提供各種開、關(guān)和瞬時(shí)動(dòng)作，可以選擇合適的現(xiàn)貨器件來滿足幾乎所有要求。這種開關(guān)提供兩種尺寸的鍍鉻傳動(dòng)器（以及塑料選件），所有產(chǎn)品都帶有內(nèi)部O形密封圈，符合IP57等級以及環(huán)氧樹脂密封?？珊纳⒏哌_(dá)20，000VDC的碳纖維浸漬導(dǎo)電套管，可提供ESD保護(hù)。

E系列開關(guān)提供多種連接選擇，幾乎適用于任何應(yīng)用，包括直接和直角PCB安裝、焊接接線片、繞線和快速連接。接觸材料包括金、銀和啞光錫，可根據(jù)環(huán)境條件和可靠性需求指定為多種組合。這些開關(guān)在滿載（最高7.5A）下可達(dá)到40，000次通斷循環(huán)。

7000系列——微型撥動(dòng)開關(guān)

7000系列微型撥動(dòng)開關(guān)類似于E系列，但它們提供更高水平的密封，適用于特別惡劣的環(huán)境。與E系列一樣，它們可以通過“Build-A-Switch”進(jìn)行配置，提供具有開、關(guān)和瞬時(shí)動(dòng)作的單刀、雙刀和三刀配置。它們提供的傳動(dòng)器選擇更多，包括多種尺寸和顏色的防旋轉(zhuǎn)和可鎖定位置。

可選的鍍金觸點(diǎn)可用于惡劣環(huán)境下的耐腐蝕性，也可用于極低的電平信號。這些開關(guān)采用環(huán)氧樹脂密封，符合IP67標(biāo)準(zhǔn)，并配有不銹鋼和電鍍元件，是惡劣環(huán)境的理想選擇。

與E系列一樣，它們的操作次數(shù)高達(dá)40，000次。

總結(jié)

我們的家庭、辦公室、工廠和公共場所在很大程度上依賴于電力供應(yīng)，來對那些已成為我們現(xiàn)代生活中不可或缺的一部分的設(shè)備進(jìn)行供電或充電。因此，這意味著組成和管理智能電網(wǎng)的設(shè)備必須具有很高的可靠性，從而確保我們始終可以使用此電源。

每個(gè)智能電網(wǎng)儀器都離不開開關(guān)，這些器件由于其表面上的簡單而經(jīng)常得不到設(shè)計(jì)者的重視。然而，為任何給定應(yīng)用選擇和部署正確的開關(guān)，可以增強(qiáng)每個(gè)智能電網(wǎng)儀器的操作和可靠性。