為什么開關(guān)在智能電網(wǎng)應(yīng)用中很重要

作者：C&K 工業(yè)和消費類環(huán)球部門經(jīng)理 Michael Bolduc

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，從而實現(xiàn)了前所未有的電源管理程度。

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

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

在本技術(shù)文章中，C&K 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，能源價格上漲導(dǎo)致商業(yè)和私人消費者越來越關(guān)注能源使用，特別是要避免浪費。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)進入一個由智能電網(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)可實現(xiàn)更大的智能控制，從而為供應(yīng)商和消費者帶來整體系統(tǒng)可靠性和效益。自動化智能電網(wǎng)可以實時監(jiān)控電網(wǎng)狀況，為操作員提供更好的信息，并對許多問題進行自動診斷。它還可以對有限的故障進行自動響應(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)，通過在電費較低時向消費者發(fā)送自動信號，而促進在非高峰時段使用更便宜的電力。在極端情況下，當(dāng)供應(yīng)量有限時，可以對非必要的消費者實施限電措施，從而保障醫(yī)院等基本功能能夠完全、正常地運行。未來，電動汽車將成為電網(wǎng)的一類大用戶，智能電網(wǎng)可以完全控制這一點，甚至可以在高峰時段從停放和連接的車輛「借用」能量，而在非高峰時段補充它們。

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)的可靠程度與使其獲得「智能」證書的技術(shù)一樣。

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)備分為三個主要領(lǐng)域：送電、配電和配電自動化 ─—如下面圖 1 中的概要所述。

圖 1：智能電網(wǎng)依賴于多種設(shè)備的可靠功能

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，但都有一個共同點：它們都依靠各種開關(guān)來可靠、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)閉以確保安全時防止篡改。

設(shè)計人員選擇開關(guān)時的要求

通常，設(shè)計人員在選擇開關(guān)時沒有給與其應(yīng)有的時間和關(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草草了事而沒有考慮到所有的相關(guān)點。然而，多種形式的開關(guān)是構(gòu)成較昂貴設(shè)備人機界面的基礎(chǔ)，并也因此定義了用戶對設(shè)備的「感覺」。另外，售價 0.5 美元的開關(guān)過早失效，有可能導(dǎo)致售價 10,000 美元的儀器無法使用。

最基本的考慮因素是功能類型 —本開關(guān)是需要鎖定，還是只需要瞬間按動。然后就需要定義刀擲個數(shù)：此舉定義了開關(guān)的電氣要求，許多設(shè)計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)品的壽命可能長達十年或更長。接觸腐蝕和濕氣進入是這些環(huán)境中的潛在危險，因此設(shè)計人員應(yīng)考慮開關(guān)構(gòu)造所采用的材料，尤其是觸點材料，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)行的功能進行一些評估才能正確評價。信譽良好的制造商能夠為其產(chǎn)品提供表明其開關(guān)循環(huán)壽命的測試數(shù)據(jù)。

開關(guān)作為儀器人機界面的一部分，人體工程學(xué)和美觀很重要，因為它們通常會影響用戶體驗及其對設(shè)備的（使用）感受。觸覺 —覺開關(guān)的聲音和感覺 — 是開關(guān)操作的重要元素, 因為開關(guān)的聲音和感覺向用戶提供反饋, 讓客戶知悉開關(guān)已運行。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顯示其功能，例如紅色表示「停止」或綠色表示「開啟」?？梢酝ㄟ^顏色編碼識別具有類似功能的多組開關(guān)，或者生產(chǎn)商的品牌效果可利用開關(guān)顏色來進行增強。

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 — 密封輕觸開關(guān)

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

圖 2：KSC 系列開關(guān)提供總共十種起動器選擇，同時可進行其它定制

超薄 KSC 專為高達 50mA 和 32VDC 的小信號而設(shè)計，產(chǎn)品高度僅為 2.5mm，可配備十種不同類型的起動器，使其適用于多種應(yīng)用。該器件密封等級為 IP67，適用于惡劣條件，可選的鍍金鎳觸點具有耐腐蝕性，適用于極低電流。采用金觸點的 KSC，其額定工作溫度范圍為 -40℃ 至 +125℃，操作次數(shù)最高可達 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 的一個關(guān)鍵、獨特的功能是 C&K 能夠用其專用設(shè)備調(diào)整觸覺。

E 系列 — 觸密封微型鈕子開關(guān)

E 系列密封微型鈕子開關(guān)具有多種配置選擇，可通過 C&K 的「Build-A-Switch」 部件號系統(tǒng)輕松構(gòu)建，幾乎可用于需要鈕子開關(guān)的所有應(yīng)用。

圖 3：E 系列鈕子開關(guān)標(biāo)配有數(shù)千種版本

E 系列提供單刀、雙刀和三刀配置，提供各種開、關(guān)和瞬時動作，可以選擇合適的現(xiàn)貨器件來滿足幾乎所有要求。開關(guān)提供兩種尺寸的鍍鉻起動器（以及塑料選件），所有產(chǎn)品都帶有內(nèi)部 O 型圈和密封底座結(jié)構(gòu)，符合 IP57 等級。并附帶 UL 94V-0 尼龍?zhí)缀鸵r套，可提供 ESD 保護。

E 系列開關(guān)提供多種連接選擇，幾乎適用于任何應(yīng)用，包括垂直和直角 PCB 安裝、焊接、導(dǎo)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）下可達到 40,000 次通斷循環(huán)。

7000 系列 — 微型鈕子開關(guān)

7000 系列微型鈕子開關(guān)類似于 E 系列，但它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，7000 系列可以通過「Build-A-Switch」進行配置，提供具有開、關(guān)和瞬時動作的單刀、雙刀和三刀配置。它提供的起動器選擇更多，包括多種尺寸和顏色的防旋轉(zhuǎn)和可鎖定位置。

可選的鍍金觸點提供可用于惡劣環(huán)境的耐腐蝕性，也可傳導(dǎo)低電平電流。開關(guān)采用密封底座結(jié)構(gòu)，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，7000 系列的操作次數(shù)高達 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)備進行供電或充電。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)計者的重視。然而，為任何特定應(yīng)用選擇和部署正確的開關(guān)，可以增強每個智能電網(wǎng)儀器的操作和可靠性。