CN102255275A

CN102255275A - 一种直流低压断路器保护装置

Info

Publication number: CN102255275A
Application number: CN2011102174432A
Authority: CN
Inventors: 管瑞良; 潘振克; 周龙明; 殷建强; 金建达
Original assignee: Changshu Switchgear Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Changshu Switchgear Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明公开了一种直流低压断路器保护装置，包括至少一个串联在直流系统中的分流器、顺次连接的至少一个信号滤波与放大电路、至少一个A/D转换电路、至少一个数字隔离电路、一个微处理器和一个用于供电的电源隔离电路，所述的分流器对直流电流信号进行采样，将分流器两端电压压降输入信号滤波与放大电路，经过低通滤波与放大后，传输给A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号输入到给数字隔离电路使输入信号与输出信号之间进行电气隔离后，再传输给微处理器进行计算判断,采用上述装置实现了输入输出信号之间的电气隔离且成本低具有通用性。

Description

一种直流低压断路器保护装置

技术领域

本发明涉及一种直流低压断路器保护装置，属低压电器领域。

背景技术

由于目前以化石能源为主的能源格局的不可持续性，全球能源格局正在能源与环境危机的推动下逐步转型，可再生能源有望取代石油、煤矿等成为能源的主体，以光伏发电和风力发电为主的新能源领域中，一般均采用直流系统，需要直流断路器来进行保护。

与交流低压断路器相比，直流低压断路器对直流电流信号的采样方式是不同的，目前直流系统常用的采样方式有直流电流互感器、分流器、霍尔传感器，三者各有特点，其中：直流电流互感器的优点是结构简单，缺点是易受磁场干扰、易损坏、线性度差；霍尔传感器的优点是结构简单、精度高，缺点是易受磁场影响，需要屏蔽系统、成本高。根据以上优缺点，采用分流器进行直流电流信号采样成为各大厂商的优选方案，分流器的优点是结构简单、测量范围大、不受外磁场影响，但是分流器与主回路直接相连电气不隔离、输出信号弱。

针对采用分流器进行直流电流信号采样的缺点，公开号为CN101346863，名称为“用于交流/直流低压供电线的保护单元”的专利提供了一种采用隔离放大器对输入采样信号进行电气隔离，虽然在采样信号输入的初始处理阶段就采取隔离对后级电路的影响较小，但是由于隔离放大器设计的复杂性，使用昂贵，对于量产显然是不利的。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种量产成本低且保护精确度高的直流低压断路器保护装置。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种直流低压断路器保护装置，包括至少一个串联在直流系统中的分流器、顺次连接的至少一个信号滤波与放大电路、至少一个A/D转换电路、至少一个数字隔离电路、一个微处理器和一个用于供电的电源隔离电路，所述的分流器对直流电流信号进行采样，将分流器两端电压压降输入信号滤波与放大电路，经过低通滤波与放大后，进入A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号，输入数字隔离电路，使输入信号与输出信号之间进行电气隔离，经隔离的数字信号输入微处理器电路后由微处理器进行计算判断，电源隔离电路为上述电路提供电源。

进一步地，本发明一种直流低压断路器保护装置中,还包括一个脱扣电路，所述的脱扣电路与微处理器相连，直流系统发生短路导致运行中的电流超过保护装置设定的阈值时，微处理器发出脱扣指令给脱扣电路，脱扣电路控制直流系统中的直流低压断路器分闸。

进一步地，本发明一种直流低压断路器保护装置中,还包括显示与报警模块，所述显示与报警模块与微处理器相连，微处理器电路通过显示与报警模块显示相关信息及输出报警信号。

进一步地, 本发明一种直流低压断路器保护装置中, 还包括量程选择电路，所述量程选择电路分别与信号滤波与放大电路、A/D转换电路相连，将经过低通滤波和放大后的信号传输给量程选择电路扩大信号的测量范围与精度，再传输给A/D转换电路进行模数转换。

进一步地, 本发明一种直流低压断路器保护装置中, 还包括通信模块，所述通信模块与微处理器相连，实现远程控制和通信。

进一步地, 本发明一种直流低压断路器保护装置中, 还包括能增加对直流系统的功率、能量计算的电压采样调理电路和监控分流器安全运行的分流器温升采样处理电路，所述电压采样调理电路、分流器温升采样处理电路与A/D转换电路相连。

本发明与现有技术相比，具有以下显著性优点：（1）本发明采用高共模抑制比的仪表放大器或差分放大器对分流器两端的电压压降进行采样，能够准确的采集微弱的差分电压信号，测量精度高且测量范围大；（2）本发明直流低压断路器保护装置与直流系统电气隔离，使得操作人员安全操作；（3）本发明可以存储故障信息和报警信息，有利于用户系统维护和线路故障排查；（4）本发明采用温度传感器进行温升测量并提供报警信号，有利于监控直流系统及分流器的安全、可靠运行；（5）本发明由于采用的数字隔离电路，大大降低了量产的成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

图1为本发明实施例1框图。

图2为本发明实施例2框图。

图3为本发明实施例3框图。

图4为本发明实施例4框图。

图5为本发明实施例5框图。

图6为本发明中信号滤波与放大电路原理图。

图7为本发明中A/D转换电路原理图。

图8为本发明中数字隔离电路原理图。

图9为本发明中微处理器电路原理图。

图10为本发明中显示与报警电路原理图；图10a为LED报警与故障指示电路原理图；图10b为键盘电路原理图；图10c为液晶显示电路原理图。

图11为本发明中脱扣电路原理图。

图12为本发明中电源隔离电路原理图。

具体实施方式

本发明采用数字隔离电路使保护装置与直流系统电气隔离，经隔离后的数字信号传输给微处理器进行计算判断，从而发出脱扣指令给脱扣电路同时通过显示与报警电路显示相关报警信息。

实施例1

如图1所示，一种直流低压断路器保护装置，包括串联在直流系统中的分流器、信号滤波与放大电路、A/D转换电路、数字隔离电路、微处理器电路、显示与报警电路、脱扣电路、电源隔离电路，分流器对直流电流信号进行采样，信号滤波与放大电路连接在分流器的两端，将分流器两端电压压降输入信号滤波与放大电路，经过低通滤波与放大后，进入A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号，输入数字隔离电路，使输入信号与输出信号之间进行电气隔离，经隔离的数字信号输入微处理器电路后由微处理器进行计算判断，当直流系统发生短路导致运行中的电流超过保护装置设定的阈值时，微处理器发出脱扣指令给脱扣电路，脱扣电路控制直流系统中的直流低压断路器分闸，微处理器电路通过显示与报警电路，显示相关信息及输出报警信号，同时可进行相关信息记录的查询，电源隔离电路为上述电路提供电源。

由于分流器是串联在直流系统中的，因此将分流器两端电压压降输入信号滤波与放大电路时是带有与直流系统相同的对地共模电压，此共模电压往往达几百伏甚至上千伏，如果不考虑信号输入端与后级电路的电气隔离，那么后级电路是很容易损坏的。因此，在微处理器电路与A/D转换电路之间接入了数字隔离器件，该数字隔离器件的额定绝缘工作电压大于直流系统的共模高电压，可以有效地使后级的微处理器电路、显示与报警电路、脱扣电路与直流系统电气隔离，除此之外，还采用了电源隔离电路，该电源隔离电路的额定绝缘工作电压大于直流系统的共模高电压，外部电源输入电源隔离电路，电源隔离电路输出分别相互电气隔离的电源电压给信号滤波与放大电路、A/D转换电路、数字隔离电路输入级和数字隔离电路输出级、微处理器电路、显示与报警电路、脱扣电路，另外电源隔离电路的外部输入电源也是同直流系统电气隔离的。

实施例2

如图2所示，一种直流低压断路器保护装置，包括串联在直流系统中的分流器、信号滤波与放大电路、量程电路、A/D转换电路、数字隔离电路、微处理器电路、显示与报警电路、脱扣电路、电源隔离电路，分流器对直流电流信号进行采样，信号滤波与放大电路连接在分流器的两端，将分流器两端电压压降输入信号滤波与放大电路，经过低通滤波与放大后，进入量程电路有效地扩大直流电流信号的测量范围与精度后进入A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号，输入数字隔离电路，使输入信号与输出信号之间进行电气隔离，经隔离的数字信号输入微处理器电路后由微处理器计算判断，当直流系统发生短路导致运行中的电流超过保护装置设定的阈值时，微处理器发出脱扣指令给脱扣电路，脱扣电路控制直流系统中的直流低压断路器分闸，微处理器电路通过显示与报警电路，显示相关信息及输出报警信号，同时可进行相关信息记录的查询，电源隔离电路为上述电路提供电源。

实施例3

如图3所示，一种直流低压断路器保护装置，包括串联在直流系统中的分流器、信号滤波与放大电路、A/D转换电路、数字隔离电路、微处理器电路、显示与报警电路、脱扣电路、通信电路、电源隔离电路，分流器对直流电流信号进行采样，信号滤波与放大电路连接在分流器的两端，将分流器两端电压压降输入信号滤波与放大电路，经过低通滤波与放大后，进入A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号，输入数字隔离电路，使输入信号与输出信号之间进行电气隔离，经隔离的数字信号输入微处理器电路后由微处理器计算判断，当直流系统发生短路导致运行中的电流超过保护装置设定的阈值时，微处理器发出脱扣指令给脱扣电路，脱扣电路控制直流系统中的直流低压断路器分闸，微处理器电路通过显示与报警电路，显示相关信息及输出报警信号，同时可进行相关信息记录的查询，电源隔离电路为上述电路提供电源，微处理器与通信电路连接，可实现远程遥调、遥测、遥信、遥控功能，通信电路可以是基于RS485接口、基于以太网接口或其它接口的有线通信，也可以是ZigBee、GPRS或其它无线通信方式。

实施例4

如图4所示，一种直流低压断路器保护装置，本发明的实施例4，一种直流低压断路器保护装置，在实施例1的基础上又增加了一路对直流电流信号的采样，该路采样通道不仅与直流系统电气隔离，而且与另外一路采样通道也是电气隔离的。当然，本发明所述的保护装置对直流电流信号的采样通道不仅仅局限于两路，可以多于两路，但是每路既与直流系统电气隔离，又相互电气隔离。

实施例5

如图5所示，一种直流低压断路器保护装置，在实施例1的基础上增加了对直流系统电压的采样处理，通过A/D转换后，经数字隔离进入微处理器处理，由于加入了直流电压信号的采样，保护装置可以增加对直流系统的功率、能量等的计算。另外，为了监控分流器的安全运行，可以采用温度传感器对分流器温升的测量。

如图6所示，本发明的信号滤波与放大电路，分流器上两端输出的电压信号接入信号滤波与放大电路，对分流器上获取的采样信号进行放大处理后输入至A/D转换器。电阻R1、R2和电容C1、C2、C3组成共模、差模滤波电路。N1为差分运算放大器，C4、C5为去耦电容，R3为调节放大电路增益的电阻。Vref1为基准电压，用于差分运算放大器输出信号电平的抬升。

如图7所示，本发明的A/D转换电路。经信号滤波与放大电路放大处理后的模拟信号AIN0输入A/D转换器N2，输出数字串行信号SDO1。Vref2为A/D转换器的基准电压，SCLK1与CS1为时钟信号和片选信号。

如图8所示，本发明的数字隔离电路，N3和N4是数字隔离器件，用来对数字信号进行电气隔离。单片机N5发出的片选信号CS2与时钟信号SCLK2经数字隔离器件N3转换隔离生成的CS1与SCLK1提供给A/D转换器N2。经A/D转换器N2产生的数字串行信号SDO1经数字隔离器件N4隔离后转换成信号SDO2送至单片机N5处理。电源VCC和VCC-ISO+是电气隔离的。

如图9所示，本发明的微处理器电路，N5为单片机，负责所有数据处理、控制输出。晶振G1，电容C13，电容C14共同组成外部时钟电路。复位芯片N6与电阻R4，电容C12共同组成复位电路。信号DB0~DB7，RESET，RS，CS，RD，WR和液晶显示模块LCD连接，用于单片机N5对液晶显示模块LCD的操作。信号LED1~LED8控制外部LED报警与故障指示模块电路中发光二极管的显示。信号K1~K5读取键盘输入信号。SCLK2与CS2为向数字隔离器件N3输出的时钟与片选信号，SDO2为来自数字隔离器件N4的数字串行信号。Trip为脱扣信号，用于驱动外部脱扣电路。

如图10、图10a、图10b、图10c所示，本发明的显示与报警电路，显示与报警电路由LED报警与故障指示电路，键盘电路和液晶显示电路组成。在LED报警与故障指示电路中，包括三极管V1~V8，电阻R5~R20，通过单片机N5控制发光二极管LED1~LED8的显示。键盘电路中，包括按键AN1~AN5，电阻R21~R25，单片机N5通过I/O口读取按键信号。液晶显示电路中，包括LCD液晶显示模块，单片机N5通过WR，RS ，RD，CS，RESET等控制信号与数据信号DB0~DB7对LCD液晶显示模块进行操作。

如图11所示，本发明的脱扣电路，N7为驱动继电器K1动作的MOS器件，通过单片机N5发出的脱扣信号Trip来驱动继电器K1动作，继电器K1输出触点外接分励脱扣器。二极管VD1用来保护MOS器件N7免受继电器K1释放触点时产生的反向高电压击坏。

如图12所示，本发明的电源隔离电路，DC/DC转换芯片N8用于将外接DC24V电源转换成VCC，VCC一方面提供给单片机N5电路、LED报警与故障指示电路等，另一方面通过电源隔离芯片N9生成隔离电压VCC-ISO+，VCC-ISO+再经过DC/DC转换芯片N10，N11，N12分别生成VCC-ISO-、基准电压Vref1、基准电压Vref2，经电源隔离芯片N9产生的上述各种电压信号对应提供给差分运算放大器N1、A/D转换器N2、数字隔离器件N3、数字隔离器件N4，电容C16~C25用于电源电压滤波。

Claims

1.一种直流低压断路器保护装置，特征在于：包括至少一个串联在直流系统中的分流器、顺次连接的至少一个信号滤波与放大电路、至少一个A/D转换电路、至少一个数字隔离电路、一个微处理器和一个用于供电的电源隔离电路，所述分流器对直流电流信号进行采样，将分流器两端电压压降输入信号滤波与放大电路，经过低通滤波与放大后，进入A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号，输入数字隔离电路，使输入信号与输出信号之间进行电气隔离，经隔离的数字信号输入微处理器电路后由微处理器进行计算判断，所述电源隔离电路为上述电路提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种直流低压断路器保护装置，其特征在于：还包括一个脱扣电路，所述脱扣电路与微处理器相连，直流系统发生短路导致运行中的电流超过保护装置设定的阈值时，微处理器发出脱扣指令给脱扣电路，脱扣电路控制直流系统中的直流低压断路器分闸。

3.根据权利要求1或2所述的一种直流低压断路器保护装置，其特征在于：还包括显示与报警模块，所述显示与报警模块与微处理器相连，微处理器电路通过显示与报警模块显示相关信息及输出报警信号。

4.根据权利要求1或2所述的一种直流低压断路器保护装置，其特征在于：还包括量程选择电路，所述量程选择电路分别与信号滤波与放大电路、A/D转换电路相连，将经过低通滤波和放大后的信号传输给量程选择电路扩大信号的测量范围与精度，再传输给A/D转换电路进行模数转换。

5.根据权利要求1或2所述的一种直流低压断路器保护装置，其特征在于：还包括通信模块，所述通信模块与微处理器相连，实现远程控制和通信。

6.根据权利要求1或2所述的一种直流低压断路器保护装置，其特征在于：还包括能增加对直流系统的功率、能量计算的电压采样调理电路和监控分流器安全运行的分流器温升采样处理电路，所述电压采样调理电路、分流器温升采样处理电路与A/D转换电路相连。