CN103176099A - 低压断路器合闸前主接线短路检测传感装置 - Google Patents
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Abstract
一种
低压断路器合闸前主接线短路检测传感装置，
属于低压电器技术领域。
包括相线选择电路、短路检测电路和信号处理电路，相线选择电路的输入端连接低压断路器
QF
负载侧的
A
、
B
、
C
相线以及电网的
N
线，相线选择电路的输出端与短路检测电路的输入端连接，短路检测电路的输出端与信号处理电路的输入端连接，信号处理电路的输出端向外发送反映线路绝缘情况的电压信号。本发明电路简单、体积小，可嵌入在低压断路器中使用，其定量地测量低压断路器负载侧主接线的对地绝缘电阻值和相间绝缘电阻值，既能检测相间短路故障又能检测接地短路故障，且检测效果好。
Description
技术领域
本发明属于低压电器技术领域，具体涉及一种低压断路器合闸前主接线短路检测传感装置。
背景技术
随着社会经济的不断发展，社会对电力需求越来越大，对电力可靠性要求也越来越高，然而在低压配电系统中，线路投入都带有盲目性，即投入前无法预知所要合闸的送电线路是否存在故障，线路的带故障投入不仅会对系统元件造成不利影响，还可能造成人员伤亡。因此，在供配电系统中，客观上需要低压断路器具备合闸前预检功能，当其负载侧处于或接近相线间短路或相线接地的状态时，低压断路器能及时准确地感知，从而能够主动采取预防措施。
在已公开的中国专利文献中可见不少有关低压断路器合闸前预检功能的技术信息，第一类如中国实用新型专利授权公告号CN200947538Y公开的“一种合闸前短路检测漏电保护开关”和中国发明专利公开号CN101685959A公开的一种“电气火灾智能防护器”，此类设计方案仅适用于单相供电线路，应用范围受限；第二类如中国发明专利申请公布号CN102435879A公开的“一种合闸前对线路进行检测的方法”、中国发明专利授权公告号CN101499642B公开的“智能安防电控装置”以及中国发明专利公开号CN1819382A公开的“智能防火电控系统”，此类设计方案只适用于检测单相接地短路故障，而没有提出相间短路的检测方法；第三类如中国实用新型专利授权公告号CN2274778Y公开的“相间短路预检测装置”、中国发明专利申请公布号CN102012474A公开的“煤矿高低压供电线路相间短路预检测工艺”以及中国实用新型专利授权公告号CN202495703U公开的“预检线路故障的断路器”，此类设计方案只适用于检测相间短路故障，而没有提出单相接地短路的检测方法；还有一类如中国发明专利申请公布号CN102377157A公开的“一种消防智能电控装置”、中国发明专利申请公布号CN102110971A公开的“低压台区智能保护控制器”、中国实用新型专利授权公告号CN2316751公开的“低压万能式空气断路器智能控制装置”以及中国发明专利授权公告号CN1316705C公开的“智能无触点开关”，此类设计方案虽然既能检测单相接地短路，又能检测相间短路，但两种短路检测采用不同的电路通道，方法也相对复杂，而且只能定性判断是否短路，无法通过测量相线间绝缘电阻值和相线对地绝缘电阻值来发现接近于短路的故障隐患。另外，如《电工电气》2011年第12期发表的《一种具有预检功能的新型智能电控装置》公开有功能齐全的综合性智能电控装置，但此类装置不能嵌入于低压断路器，需要在外部与低压断路器进行一对一的配套使用，这样就提高了供配电设备成本，且在配电柜中不便于安装。
鉴于上述已有技术，有必要加以改进，为此，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低压断路器合闸前主接线短路检测传感装置，通过准确测量低压断路器负载侧主接线的对地绝缘电阻值和相间绝缘电阻值，来实现相间短路故障和接地短路故障的检测。
本发明的目的是这样来达到的，一种低压断路器合闸前主接线短路检测传感装置，包括相线选择电路、短路检测电路和信号处理电路，所述的相线选择电路的输入端连接低压断路器QF负载侧的A、B、C相线以及电网的N线，相线选择电路的输出端与短路检测电路的输入端连接，短路检测电路的输出端与信号处理电路的输入端连接，信号处理电路的输出端向外发送反映线路绝缘情况的电压信号。
在本发明的一个具体的实施例中，所述的相线选择电路包括模拟开关芯片IC1A～IC4A和IC1B～IC4B，模拟开关芯片IC1A的1脚作为电路的第一输入端LA与测试开关QK的第一出线端连接，模拟开关芯片IC1A的2脚与模拟开关芯片IC1B的6脚以及模拟开关芯片IC2B的6脚连接，并作为电路的一输出端L1连接至短路检测电路，模拟开关芯片IC1B的5脚与模拟开关芯片IC2A的2脚以及模拟开关芯片IC4B的5脚连接，模拟开关芯片IC2A的1脚作为电路的第二输入端LB与测试开关QK的第二出线端连接，模拟开关芯片IC2B的5脚与模拟开关芯片IC3A的2脚以及模拟开关芯片IC3B的5脚连接，模拟开关芯片IC3A的1脚作为电路的第三输入端LC与测试开关QK的第三出线端连接，模拟开关芯片IC3B的6脚与模拟开关芯片IC4A的2脚以及模拟开关芯片IC4B的6脚连接，并作为电路的另一输出端L2连接至短路检测电路，模拟开关芯片IC4A的1脚作为电路的第四输入端LN与测试开关QK的第四出线端连接，模拟开关芯片IC1A、IC2A、IC3A、IC4A的7脚以及模拟开关芯片IC1B、IC2B、IC3B、IC4B的3脚为逻辑信号控制端，模拟开关芯片IC1A、IC2A、IC3A、IC4A的8脚共同接直流电源+5V，模拟开关芯片IC1A、IC2A、IC3A、IC4A的4脚共同接地。
在本发明的另一个具体的实施例中，所述的短路检测电路包括电阻R0、R1、R2和测试电源E，所述的测试电源E的正极与电阻R1的一端连接，并连接至相线选择电路的一输入端L1，电阻R1的另一端与电阻R0的一端以及电阻R2的一端连接，并作为电路的一输出端M1连接至信号处理电路中的仪表放大器IC6的2脚，电阻R0的另一端作为电路的另一输出端M2连接信号处理电路中的仪表放大器IC6的3脚，同时电阻R0的另一端连接相线选择电路的另一输入端L2，电阻R2的另一端与测试电源E的负极共同接地。
在本发明的又一个具体的实施例中，所述的信号处理电路包括电阻R3、R4、变阻器RP1、RP2、模拟开关芯片IC5和仪表放大器IC6，模拟开关芯片IC5的1脚接电阻R3的一端，电阻R3的另一端与变阻器RP1的一端连接，变阻器RP1的另一端、滑动端与变阻器RP2的一端、滑动端共同接至仪表放大器IC6的1脚，变阻器RP2的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端接模拟开关芯片IC5的5脚，模拟开关芯片IC5的2、6脚共同接仪表放大器IC6的8脚，仪表放大器IC6的2、3脚分别与短路检测电路的两输出端M1、M2连接，仪表放大器IC6的6脚向外输出电压信号V，模拟开关芯片IC5的3、7脚为放大增益选择端，模拟开关芯片IC5的8脚和仪表放大器IC6的7脚共同接直流电源+5V，仪表放大器IC6的4脚接直流电源-5V，模拟开关芯片IC5的4脚和仪表放大器IC6的5脚共同接地。
本发明由于采用了上述技术结构，相线选择电路通过模拟开关组合动作，将低压断路器负载侧的主接线和中性线以相线-中性线或相线-相线的形式分别连通短路检测电路。短路检测电路使两输入端之间的绝缘电阻值与两输出端之间的电压值成反比函数关系，当两输入端分别连通到相线—中性线时，两输出端的电压值反映相线对地的绝缘情况，用于检测接地短路故障；当两输入端分别连通到相线—相线时，两输出端的电压值反映相线间的绝缘情况，用于检测相间短路故障。信号处理电路由具有差分放大结构的可编程增益仪表放大器组成，将短路检测电路输出的电压值转换为相对于测试电源地的电位值，便于用户使用本传感装置。本发明电路简单、体积小，可嵌入在低压断路器中使用，其定量地测量低压断路器负载侧主接线的对地绝缘电阻值和相间绝缘电阻值，既能检测相间短路故障又能检测接地短路故障，且检测效果好。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明的一实施例的相线选择电路的电原理图。
图3为本发明的一实施例的短路检测电路的电原理图。
图4为本发明的一实施例的信号处理电路的电原理图。
具体实施方式
为了使公众能充分了解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。
请参阅图1，一种低压断路器合闸前主接线短路检测传感装置，包括相线选择电路、短路检测电路和信号处理电路，是既能检测相间短路故障又能检测接地短路故障的一体化传感装置。在本实施例中，所述的相线选择电路的输入端通过测试开关QK连接低压断路器QF负载侧的A、B、C相线以及电网的N线，所述的相线选择电路的四路输入端LA、LB、LC、LN端分别与测试开关QK的四出线端连接，测试开关QK的三进线端分别与低压断路器QF负载侧的A、B、C相线连接，测试开关QK的第四进线端接电网N线（中性线），相线选择电路的输出端与短路检测电路的输入端连接，短路检测电路的输出端与信号处理电路的输入端连接，信号处理电路的输出端向外发送反映线路绝缘情况的电压信号V。
请参阅图2，所述的相线选择电路包括模拟开关芯片IC1A～IC4A、IC1B～IC4B，在本实施例中，所述的模拟开关芯片IC1A～IC4A、IC1B～IC4B采用DG723，其中模拟开关芯片IC1A～IC4A为常开，模拟开关芯片IC1B～IC4B为常闭。电路的四路输入端LA、LB、LC和LN通过测试开关QK分别连接低压断路器QF负载侧的A、B、C相线和电网的N线，两输出端L1、L2与短路检测电路相连。模拟开关芯片IC1A、IC2A、IC3A、IC4A的7脚以及模拟开关芯片IC1B、IC2B、IC3B、IC4B的3脚为逻辑信号控制端，分别被标记为Ka端、Kb端、Kc端、Kn端、K1端、K2端、K3端和K4端，通过电平设置，使模拟开关芯片IC1A～IC4A、IC1B～IC4B组合动作，依次将LA端和LN端连接到L1端和L2端，将LB端和LN端连接到L1端和L2端，将LC端和LN端连接到L1端和L2端，将LA端和LB端连接到L1端和L2端，将LA端和LC端连接到L1端和L2端以及将LB端和LC端连接到L1端和L2端。当测试开关QK闭合后，低压断路器QF负载侧的A、B、C相线以及电网N线以相线—N线或相线—相线的形式分别连通到L1端和L2端。
具体而言，当Ka=“1”、Kb=“0”、Kc=“0”、Kn=“1”、K1=“1”、K2=“1”、K3=“1”和K4=“1”时，模拟开关芯片IC1A、IC4A闭合，模拟开关芯片IC2A、IC3A、IC1B、IC2B、IC3B、IC4B断开，输入端LA与输出端L1连通，输入端LN和接线端L2端连通，短路检测电路对A相线—N线进行接地短路检测；当Ka=“0”、Kb=“1”、Kc=“0”、Kn=“1”、K1=“0”、K2=“1”、K3=“1”和K4=“1”时，模拟开关芯片IC1A、IC3A、IC2B、IC3B、IC4B断开，模拟开关芯片IC2A、IC4A、IC1B闭合，输入端LB与输出端L1连通，输入端LN和输出端L2连通，短路检测电路对B相线—N线进行接地短路检测；当Ka=“0”、Kb=“0”、Kc=“1”、Kn=“1”、K1=“1”、K2=“0”、K3=“1”和K4=“1”时，模拟开关芯片IC1A、IC2A、IC1B、IC3B、IC4B断开、模拟开关芯片IC3A、IC4A、IC2B闭合，输入端LC与输出端L1连通，输入端LN与输出端L2连通，短路检测电路对C相线—N线进行接地短路检测；当Ka=“1”、Kb=“1”、Kc=“0”、Kn=“0”、K1=“1”、K2=“1”、K3=“1”和K4=“0”时，模拟开关芯片IC1A、IC2A、IC4B闭合、模拟开关芯片IC3A、IC4A、IC1B、IC2B、IC3B断开，输入端LA与输出端L1连通，输入端LB与输出端L2连通，短路检测电路对A相线—B相线进行相间短路检测；当Ka=“1”、Kb=“0”、Kc=“1”、Kn=“0”、K1=“1”、K2=“1”、K3=“0”和K4=“1”时，模拟开关芯片IC1A、IC3A、IC3B闭合、模拟开关芯片IC2A、IC4A、IC1B、IC2B、IC4B断开，输入端LA与输出端L1连通，输入端LC与输出端L2连通，短路检测电路对A相线—C相线进行相间短路检测；当Ka=“0”、Kb=“1”、Kc=“1”、Kn=“0”、K1=“0”、K2=“1”、K3=“0”和K4=“1”时，模拟开关芯片IC1A、IC4A、IC2B、IC4B断开，模拟开关芯片IC2A、IC3A、IC1B、IC3B闭合，输入端LB与输出端L1连通，输入端LC与输出端L2连通，短路检测电路对B相线—C相线进行相间短路检测。
请参阅图3，所述的短路检测电路包括电阻R0、R1、R2和测试电源E，在本实施例中，所述的测试电源E为5V。电阻R0～R2和测试电源E混联，相线选择电路的两输出端L1、L2之间，即短路检测电路的两输入端L1、L2之间的绝缘电阻值与电阻R0的电压值形成函数关系。设输入端L1、L2之间的绝缘电阻值为R
L1-L2
，电阻R0两端的电压值，即电路的两输出端M1、M2之间的电压值为V
M1- M2
，取R0=R1=R2=R，则函数关系式为：
V
M1- M2
＝ 5／（3＋2·R
L1-L2
／R） 公式（1）
公式（1）表明两输入端L1、L2之间的绝缘电阻值与电阻R0的电压值存在一对一的反比映射关系。绝缘电阻值越低、短路故障程度越明显，则输出电压值越高。当两输入端L1、L2分别连通相线—N线时，电阻R0的电压值V
M1- M2
反映相线对地的绝缘情况；当两输入端L1、L2分别连通相线—相线时，电阻R0的电压值V
M1- M2
反映相线间的绝缘情况。
请参阅图4，所述的信号处理电路包括电阻R3、R4、变阻器RP1、RP2、模拟开关芯片IC5和仪表放大器IC6，在本实施例中，所述的模拟开关芯片IC5采用DG723，仪表放大器IC6采用INA118。仪表放大器IC6的2、3脚分别与短路检测电路的两输出端M1、M2连接，模拟开关芯片IC5的3、7脚为放大增益选择端，分别设为A2端、A1端，仪表放大器IC6的6脚向外输出反映线路绝缘情况的电压信号V。为了方便用户使用本传感装置，所述的信号处理电路采用具有差分放大结构的仪表放大器IC6，将短路检测电路中电阻R0两端的电压值V
M1- M2
转换为相对于测试电源地的电位值V；由于短路检测电路中两输入端L1、L2之间的绝缘电阻值R
L1-L2
与电阻R0两端的电压值V
M1- M2
呈曲线关系，绝缘电阻值R
L1-L2
越高则电压值V
M1- M2
越小，因此通过模拟开关芯片IC5将仪表放大器IC6设置为可编程增益放大器，该放大器的增益公式为：
G ＝1＋50KΩ／R
G
公式（2）
公式（2）中的R
G
是仪表放大器IC6第1脚与第8脚之间的电阻，当放大增益选择端A1=“0”、A2=“1”时，R
G
=∞，增益G为1；当放大增益选择端A1=“1”、A2=“1”时，R
G
=R3+RP1；当放大增益选择端A1=“0”、A2=“0”时，R
G
=R4+RP2。
仪表放大器IC6输出的电压信号V与电阻R0两端的电压值V
M1- M2
以及通过上述公式（2）求得的增益G之间的函数关系式为：
V＝G ·（V
M1- M2
） 公式（3）
通过上述公式（3）可进一步得到仪表放大器IC6输出的电压信号V与短路检测电路两输入端L1、L2之间的绝缘电阻值R
L1-L2
的函数关系式为：
V＝5·（1＋50KΩ／R
G
）／（3＋2·R
L1-L2
／R） 公式（4）
公式（4）表明短路检测电路两输入端L1、L2之间的绝缘电阻值与信号处理电路中仪表放大器IC6输出的电压信号V存在一对一的映射关系。
本发明可定量地测量低压断路器负载侧主接线的对地绝缘电阻值和相间绝缘电阻值，既能检测相间短路故障又能检测接地短路故障，检测效果好、应用范围广。
Claims (4)
1.一种低压断路器合闸前主接线短路检测传感装置，其特征在于包括相线选择电路、短路检测电路和信号处理电路，所述的相线选择电路的输入端连接低压断路器QF负载侧的A、B、C相线以及电网的N线，相线选择电路的输出端与短路检测电路的输入端连接，短路检测电路的输出端与信号处理电路的输入端连接，信号处理电路的输出端向外发送反映线路绝缘情况的电压信号。
2.根据权利要求1所述的低压断路器合闸前主接线短路检测传感装置，其特征在于所述的相线选择电路包括模拟开关芯片IC1A～IC4A和IC1B～IC4B，模拟开关芯片IC1A的1脚作为电路的第一输入端LA与测试开关QK的第一出线端连接，模拟开关芯片IC1A的2脚与模拟开关芯片IC1B的6脚以及模拟开关芯片IC2B的6脚连接，并作为电路的一输出端L1连接至短路检测电路，模拟开关芯片IC1B的5脚与模拟开关芯片IC2A的2脚以及模拟开关芯片IC4B的5脚连接，模拟开关芯片IC2A的1脚作为电路的第二输入端LB与测试开关QK的第二出线端连接，模拟开关芯片IC2B的5脚与模拟开关芯片IC3A的2脚以及模拟开关芯片IC3B的5脚连接，模拟开关芯片IC3A的1脚作为电路的第三输入端LC与测试开关QK的第三出线连接，模拟开关芯片IC3B的6脚与模拟开关芯片IC4A的2脚以及模拟开关芯片IC4B的6脚连接，并作为电路的另一输出端L2连接至短路检测电路，模拟开关芯片IC4A的1脚作为电路的第四输入端LN与测试开关QK的第四出线端连接，模拟开关芯片IC1A、IC2A、IC3A、IC4A的7脚以及模拟开关芯片IC1B、IB2B、IC3B、IC4B的3脚为逻辑信号控制端，模拟开关芯片IC1A、IC2A、IC3A、IC4A的8脚共同接直流电源+5V，模拟开关芯片IC1A、IC2A、IC3A、IC4A的4脚共同接地。
3.根据权利要求1所述的低压断路器合闸前主接线短路检测传感装置，其特征在于所述的短路检测电路包括电阻R0、R1、R2和测试电源E，所述的测试电源E的正极与电阻R1的一端连接，并连接至相线选择电路的一输入端L1，电阻R1的另一端与电阻R0的一端以及电阻R2的一端连接，并作为电路的一输出端M1连接至信号处理电路中的仪表放大器IC6的2脚，电阻R0的另一端作为电路的另一输出端M2连接信号处理电路中的仪表放大器IC6的3脚，同时电阻R0的另一端连接相线选择电路的另一输入端L2，电阻R2的另一端与测试电源E的负极共同接地。
4.根据权利要求1所述的低压断路器合闸前主接线短路检测传感装置，其特征在于所述的信号处理电路包括电阻R3、R4、变阻器RP1、RP2、模拟开关芯片IC5和仪表放大器IC6，模拟开关芯片IC5的1脚接电阻R3的一端，电阻R3的另一端与变阻器RP1的一端连接，变阻器RP1的另一端、滑动端与变阻器RP2的一端、滑动端共同接至仪表放大器IC6的1脚，变阻器RP2的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端接模拟开关芯片IC5的5脚，模拟开关芯片IC5的2、6脚共同接仪表放大器IC6的8脚，仪表放大器IC6的2、3脚分别与短路检测电路的两输出端M1、M2连接，仪表放大器IC6的6脚向外输出电压信号V，模拟开关芯片IC5的3、7脚为放大增益选择端，模拟开关芯片IC5的8脚和仪表放大器IC6的7脚共同接直流电源+5V，仪表放大器IC6的4脚接直流电源-5V，模拟开关芯片IC5的4脚和仪表放大器IC6的5脚共同接地。
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