为什么开关在智能电网应用中很重要

作者：C&K 工业和消费类环球部门经理 Michael Bolduc

随着能源成本的上升和环境意识的提高，能源效率正成为一个越来越重要的话题。智能电网正在变得高度联网且高度智能化，从而实现了前所未有的电源管理程度。

这种先进管理是由众多设备提供，其中大部分依靠开关进行功能控制，并通常与高级显示器配合使用来提供人机界面 (HMI)。

由于开关被认为是低成本的简单器件，设计人员通常不会花太多心思考虑。然而，选择正确的开关可以显著增强产品；相反，选择错误的产品会导致过早失效，从而导致保修索赔和品牌声誉方面的惨重代价。

在本技术文章中，C&K 将研究开关技术在智能电网应用中的作用，并重点介绍一些更受欢迎的常用器件。

能源业务正在发生变化：无论是在我们的家中、办公室、工厂还是公共场所，随着我们现代生活中的各个方面越来越依赖于技术，我们也越来越依赖于这些技术背后的电力。然而，能源价格上涨导致商业和私人消费者越来越关注能源使用，特别是要避免浪费。将此与日益增长的环境意识及对环境的关注结合来看，发配电业务进入一个由智能电网技术所主导的新阶段，也就不足为奇了。

虽然大多数配电基础设施已有数十年历史，但引入智能电网技术可实现更大的智能控制，从而为供应商和消费者带来整体系统可靠性和效益。自动化智能电网可以实时监控电网状况，为操作员提供更好的信息，并对许多问题进行自动诊断。它还可以对有限的故障进行自动响应，例如变更供电路线，快速恢复故障区域，或者至少可以隔离该区域，以防止发生更广泛的级联故障。

从能源管理的角度来看，智能电网可以管理电能供应，通过在电费较低时向消费者发送自动信号，而促进在非高峰时段使用更便宜的电力。在极端情况下，当供应量有限时，可以对非必要的消费者实施限电措施，从而保障医院等基本功能能够完全、正常地运行。未来，电动汽车将成为电网的一类大用户，智能电网可以完全控制这一点，甚至可以在高峰时段从停放和连接的车辆「借用」能量，而在非高峰时段补充它们。

智能电网带来了巨大的可能性，包括可以分散发电，而使小用户（甚至是房主）可以为电网提供电能而获取收益。然而，智能电网的可靠程度与使其获得「智能」证书的技术一样。

智能电网设备

虽然构成智能电网的设备种类很多，但这些设备分为三个主要领域：送电、配电和配电自动化 ─—如下面图 1 中的概要所述。

图 1：智能电网依赖于多种设备的可靠功能

虽然所有这些设备在尺寸、成本和功能方面都非常多样化，但都有一个共同点：它们都依靠各种开关来可靠、重复地执行其功能。

这些设备中的开关功能与设备本身一样多种多样，但几乎可以肯定包括为系统提供输入（单独使用或与显示器上的软菜单配合使用）、与设备通信、重置和激活功能，以及在设备必须保持关闭以确保安全时防止篡改。

设计人员选择开关时的要求

通常，设计人员在选择开关时没有给与其应有的时间和关注。鉴于大多数开关的成本较低且性质简单，通常工程师在选择它们时草草了事而没有考虑到所有的相关点。然而，多种形式的开关是构成较昂贵设备人机界面的基础，并也因此定义了用户对设备的「感觉」。另外，售价 0.5 美元的开关过早失效，有可能导致售价 10,000 美元的仪器无法使用。

最基本的考虑因素是功能类型 —本开关是需要锁定，还是只需要瞬间按动。然后就需要定义刀掷个数：此举定义了开关的电气要求，许多设计人员在此就停止而选择开关了。

但是，还有许多方面需要考虑。智能电网应用中使用的许多仪器/ 设备是在室外使用，或者在可能存在湿气、污垢或灰尘等相对恶劣的环境中所使用。此外，这些产品的寿命可能长达十年或更长。接触腐蚀和湿气进入是这些环境中的潜在危险，因此设计人员应考虑开关构造所采用的材料，尤其是触点材料，以及确保开关具有必要的密封。

可靠性非常关键，以便设备可以在其所有使用寿命中可靠地运行。开关的可靠性是以循环次数为单位衡量的，因此需要对应用以及开关所要执行的功能进行一些评估才能正确评价。信誉良好的制造商能够为其产品提供表明其开关循环寿命的测试数据。

开关作为仪器人机界面的一部分，人体工程学和美观很重要，因为它们通常会影响用户体验及其对设备的（使用）感受。触觉 —觉开关的声音和感觉 — 是开关操作的重要元素, 因为开关的声音和感觉向用户提供反馈, 让客户知悉开关已运行。选择具有正确触觉的开关可以为仪器提供「高品质」的感觉。

开关的外观可以辅以颜色来显示其功能，例如红色表示「停止」或绿色表示「开启」。可以通过颜色编码识别具有类似功能的多组开关，或者生产商的品牌效果可利用开关颜色来进行增强。

智能电网应用中受欢迎的开关

虽然智能电网应用中使用的开关类型非常广泛，但某些流行类型的使用频率高于其他类型：

KSC 系列 — 密封轻触开关

这种单刀单掷 (SPST) 瞬动按动开关通常用于显示器激活和控制等应用。

图 2：KSC 系列开关提供总共十种起动器选择，同时可进行其它定制

超薄 KSC 专为高达 50mA 和 32VDC 的小信号而设计，产品高度仅为 2.5mm，可配备十种不同类型的起动器，使其适用于多种应用。该器件密封等级为 IP67，适用于恶劣条件，可选的镀金镍触点具有耐腐蚀性，适用于极低电流。采用金触点的 KSC，其额定工作温度范围为 -40℃ 至 +125℃，操作次数最高可达 500 万次。这种紧凑型开关具有用于 PCB 安装的「J」或「G」型表贴端子，并提供方便的卷带包装。

KSC 的一个关键、独特的功能是 C&K 能够用其专用设备调整触觉。

E 系列 — 触密封微型钮子开关

E 系列密封微型钮子开关具有多种配置选择，可通过 C&K 的「Build-A-Switch」 部件号系统轻松构建，几乎可用于需要钮子开关的所有应用。

图 3：E 系列钮子开关标配有数千种版本

E 系列提供单刀、双刀和三刀配置，提供各种开、关和瞬时动作，可以选择合适的现货器件来满足几乎所有要求。开关提供两种尺寸的镀铬起动器（以及塑料选件），所有产品都带有内部 O 型圈和密封底座结构，符合 IP57 等级。并附带 UL 94V-0 尼龙套和衬套，可提供 ESD 保护。

E 系列开关提供多种连接选择，几乎适用于任何应用，包括垂直和直角 PCB 安装、焊接、导线和快速连接。接触材料包括金、银和哑光锡，可根据环境条件和可靠性需求指定为多种组合。这些开关在满载（最高 7.5A）下可达到 40,000 次通断循环。

7000 系列 — 微型钮子开关

7000 系列微型钮子开关类似于 E 系列，但它提供更高水平的密封，适用于特别恶劣的环境。与 E 系列一样，7000 系列可以通过「Build-A-Switch」进行配置，提供具有开、关和瞬时动作的单刀、双刀和三刀配置。它提供的起动器选择更多，包括多种尺寸和颜色的防旋转和可锁定位置。

可选的镀金触点提供可用于恶劣环境的耐腐蚀性，也可传导低电平电流。开关采用密封底座结构，符合 IP67 标准，并配有不锈钢和电镀元件，是恶劣环境的理想选择。

与 E 系列一样，7000 系列的操作次数高达 40,000 次。

总结

我们的家庭、办公室、工厂和公共场所在很大程度上依赖于电力供应，来对那些已成为我们现代生活中不可或缺的一部分的设备进行供电或充电。这意味着组成和管理智能电网的设备必须具有很高的可靠性，从而确保我们始终可以使用此电源。

每个智能电网仪器都离不开开关，这些器件由于其表面上的简单而经常得不到设计者的重视。然而，为任何特定应用选择和部署正确的开关，可以增强每个智能电网仪器的操作和可靠性。