CN101702515A - 一种断路器相间弧光短路保护装置 - Google Patents

一种断路器相间弧光短路保护装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种断路器相间弧光短路保护装置，它包括有用于检测弧光强度的弧光传感器、弧光信号处理单元、动作执行单元和供电电源，其特征是弧光信号处理单元输入端和弧光传感器相连；弧光信号处理单元输出端和动作执行单元相连，供电电源为弧光传感器、弧光信号处理单元、动作执行单元供电；本发明的优点是：能够保证在断路器进线端发生相间拉弧短路时快速的分断断路器本身，同时发送相间短路信号与上级开关，使其分闸，从根本上限制电弧故障的持续时间，减少电弧故障引起的所引起的各种人员、设备危害，尽可能的减少经济损失。

Description

一种断路器相间弧光短路保护装置
技术领域
本发明涉及一种断路器相间弧光短路保护装置，用于智能型万能式断路器相间弧光短路时的快速后备保护，属于低压电器制造技术领域。
背景技术
智能型万能式低压断路器广泛应用于电力低压配电系统，它是电力低压配电系统过载及短路保护的主要电气设备。现有技术的万能式断路器及其配套控制器，由于只是通过检测主回路电流或者电压来执行配电保护，故具有局限性，在某些特殊情况下，无法完整的执行保护，如在使用环境潮湿，或者由于某些原因使断路器铜排变形，使其相间距离变小，或者是由于中低压配电设备密封性较差会进入小动物，均会造成断路器相间绝缘性能降低，引起断路器相与相间绝缘击穿拉弧短路。此时包括两种情况：①为断路器出线端拉弧击穿时，断路器本身虽能检测到相应电流并执行保护，但由于是拉弧短路，其短路电流有可能无法达到断路器瞬时保护的设定值，故只能由短延时甚至长延时来进行保护，时间往往长达数百毫秒；②为进线端击穿时，由于断路器只能实时检测负载端的电流情况并加以保护，对于进线端无法执行保护，因此只能由上级断路器来执行保护，但对于低压万能式断路器，其上级断路器往往是中、高压开关或变压器后备过流保护设备，其保护动作时间往往较长，一般均大于300ms，甚至能达到几秒以上。而电弧故障的危害程度取决于电弧电流及切除时间，电弧产生的能量与I2t成指数规律快速上升。只有总切除时间小于85ms，才能使设备不遭受损害，总切除时间大于100ms，将会对设备造成不同程度的损害。IEC298标准附录AA中也规定了的小于100ms的内部燃弧时间。国外曾对各种燃弧持续时间下设备的损坏程度进行过试验，其结果如下：
  电弧燃烧持续时间   设备损坏程度
  35ms   没有明显损坏，一般可在检验绝缘电阻后投入使用
  100ms   设备损坏较小，在开关柜投入运行前仅需要清洁或可能的小的修理
500ms   设备损坏很严重，现场工作人员可能受到严重伤害，必须更换部分设备才可以再投入运行
因此，在目前使用常规万能式断路器的场合，如发生相间拉弧击穿，往往会造成以下几方面重大危害：①电弧温度相当太阳温度的2倍，大约为10000℃，由于过热将导致铜排、铝排熔毁，气化；②电缆熔毁，电缆包覆层的着火；③过热导致压力上升，使开关设备爆炸；④开关设备强烈振动，使固定元件松脱；⑤高温烧灼皮肤，强光刺伤眼睛；⑥产生大量的有害气体，伤害呼吸系统；⑦爆破音震损耳膜、肺脏；⑧碎片飞射，造成人员伤害，甚至死亡。
发明内容
本发明的目的是针对断路器进线端拉弧短路情况，提供一种断路器相间弧光短路保护装置。该保护装置带有燃弧快速判断装置，能成倍缩短拉弧击穿的燃弧时间，减少由于燃弧时间过长引起的事故和损失。
本发明的目的通过以下技术方案如下：
本发明所述的一种断路器相间弧光短路保护装置，包括有用于检测弧光强度的弧光传感器1、弧光信号处理单元2、动作执行单元3和供电电源4，其特征是弧光信号处理单元2输入端和弧光传感器1相连；弧光信号处理单元2输出端和动作执行单元3相连，供电电源4为弧光传感器1、弧光信号处理单元2、动作执行单元3供电。
本发明所述的检测弧光强度的弧光传感器1由导光罩、高灵敏光敏二极管1V1～1V7、电阻1R1～1R4、R1～R4、电容C1～C4连接线组成；光敏二极管1V1～1V7负端共同接电压VD，正端分别连接电阻1R1～1R7；电阻1R1～1R7另一端分别连接电阻R1～R7一端，同时与信号处理单元的AN0、AN1、AN2、AN3、AN4、AN8、AN9连接；电阻R1～R7另一端共同接信号地；电容C1～C7与电阻R1～R7分别并联。
本发明所述的供电电源4由芯片N1、电容C10、C11、C12、V10组成；DC12V的VD与V10的正端连接，芯片N1的1号脚连接C10一端并与二极管V10的负端相连接，芯片N1的2号脚连接C10的另一端并与输入电源DC12V的负端连接；芯片N1的3号脚连接电容C12正端，此端输出电压+5V；电容C12的负端与芯片N1的2号脚连接以作为信号地；电容C11与电容C12并联；
本发明所述的信号处理单元由芯片MCU、电阻R8、R9，电容C8、C9和拨码开关S1组成MCU的1号脚与R8、C8相连接，R8另一端接电源+5V，C8另一端接信号地；MCU的11号脚与R9、S1相连接，R9另一端接信号地，S1另一端接电源+5V；MCU的8号和19号脚接信号地，20号脚接电源+5V，19号和20号脚之间加电容C9；MCU的2、3、4、5、7、23和24脚为AN0、AN1、AN2、AN3、AN4、AN8和AN9，与弧光传感器输出端相连接15号脚为动作控制引脚，与动作执行单元相连接；
本发明所述的动作执行单元由电阻R10、R11，二极管V8，三极管V9和继电器KA组成。MCU的15号的动作控制与R10的一端连接，电阻R10的另一端与电阻R11相连后与三极管V9基极相连接；电阻R11另一端与三极管V9发射极共同接信号地，三极管V9的集电极与二极管V8正端、继电器线包一端相连接，二极管V8负端与继电器线包另一端相连后接电源+5V；继电器有两组触点，一组控制本级断路器分闸，一组为发与上级开关的信号；
本发明的优点是：能够保证在断路器进线端发生相间拉弧短路时快速的分断断路器本身，同时发送相间短路信号与上级开关，使其分闸，从根本上限制电弧故障的持续时间，减少电弧故障引起的所引起的各种人员、设备危害，尽可能的减少经济损失。
附图说明
图1为本发明断路器相间弧光短路保护装置的原理框图。
图2为弧光传感器原理图
图3为供电电源原理图
图4为信号处理单元原理图
图5为动作执行单元原理图
具体实施方式
为有助于理解本发明，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明。
参阅图1本发明的原理框图；当发生弧光短路故障时，弧光传感器1将弧光信号转换成电信号并送入信号处理单元2，信号处理单元2对电信号进行判断处理后，将命令发与动作执行单元3，动作执行单元通过无源触点方式控制本级断路器分闸，并将弧光故障信号发与上级断路器，供其判断处理；供电电源4将输入电源VD给动作执行单元3供电，电压转换后给弧光传感器1、信号处理单元2供电。
参阅图2弧光传感器原理图；本发明弧光传感器由7组光电转换的器件组成，当发生弧光短路故障时，有弧光产生必然突然增加光敏二极管的反向电流，R1～R7作为采样电阻，其中某些采样电阻上面的电压也必然突增，此即可作为信号处理单元进行判断的依据。
参阅图3供电电源原理图，外部输入的VD为DC12V，经过防电源接反保护二极管V10后给芯片N1(LM7805)供电，芯片N1的3号脚输出系统电压+5V，电容C10、C11和C12为滤波电容。
参阅图4信号处理单元原理图，芯片MCU的VSS和VDD端口分别与信号地和+5V相连接；AN0、AN1、AN2、AN3、AN4、AN8和AN9为MCU(PIC16F883)中的AD转换口，其采集图2上采样电阻R1～R7的电压值并将电压值转换成数字量，然后通过程序与预设基准值相比较，如果连续3次的采样值都大于基准值，则立即发出动作指令，将动作端口的置成高电平；R8和C8组成一个RC上电延时电路，接入芯片MCU的MCLR引脚；开关S1和电阻R9组成弧光保护开关，当需要打开柜门或者希望弧光保护功能关闭时，可通过开关S1进行设置。
参阅图5动作执行单元原理图，当信号处理单元动作端口发出高电平信号时，三极管V9导通，使继电器KA的线包通电，继电器的2组触点吸合；V8为续流二极管。
本发明采用上述方案后，当所控制区域发生弧光短路时，弧光传感器能够在微秒级的时间之内将光信号转换成电信号，传与信号处理单元，信号处理单元通过采样、软件滤波、判断处理后，也能在2～3毫秒内将动作命令发送与动作执行单元，相关动作命令或信号发出整个过程不超过10毫秒，如动作执行单元中的继电器采用固态继电器等无触点的继电器，其时间还可缩短5毫秒左右。可大大降低设备的损伤。

Claims (4)

1.一种断路器相间弧光短路保护装置，包括检测弧光强度的弧光传感器(1)、弧光信号处理单元(2)、动作执行单元(3)和供电电源(4)，其特征是弧光信号处理单元(2)输入端和弧光传感器(1)相连，弧光信号处理单元(2)输出端和动作执行单元(3)相连；弧光传感器(1)由若干组光电转换的器件组成，每组包括一个导光罩、一个高灵敏光敏二极管、两个电阻和一个电容组成；作为光电转换主器件的光敏二极管，也可采用光敏三极管或光敏电阻，但由于光敏二极管具有较短的响应时间，故优选采用光敏二极管；为方便调节保护灵敏度，作为采样电阻的R1～R7优先采用可调电位器。
2.根据权利要求1所述的一种断路器相间弧光短路保护装置，其特征在于信号处理单元由芯片MCU、电阻R8、R9，电容C8、C9和拨码开关S1组成，MCU的1号脚与R8、C8相连接，R8另一端接电源+5V，C8另一端接信号地；MCU的11号脚与R9、S1相连接，R9另一端接信号地，S1另一端接电源+5V；MCU的8号和19号脚接信号地，20号脚接电源+5V，19号和20号脚之间加电容C9。
3.根椐权利要求1所述的一种断路器相间弧光短路保护装置，其特征在于动作执行单元包括电阻R10、R11，二极管V8，三极管V9和继电器KA；电阻R10的另一端与电阻R11相连后与三极管V9基极相连接；电阻R11另一端与三极管V9发射极共同接信号地，三极管V9的集电极与二极管V8正端、继电器线包一端相连接，二极管V8负端与继电器线包另一端相连后接电源+5V。
4.根据权利要求1所述的一种断路器相间弧光短路保护装置，其特征在于供电电源电路包括电源转换芯片N1、电容C10、C11、C12、V10。
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