CN103500991B - 一体式保护断路器 - Google Patents

Abstract

本发明及一体式保护断路器，与外围输出模块通信连接，包括电流、电压采集模块：分别采集剩余电流信号、线路工作电流信号以及电压信号；取样模块：将接收到的上述信号转换为交流电平信号后输出；放大整形模块：接收来自取样模块输出的所述交流电平信号，并通过放大整形模块的信号输出端将放大整形后的信号输出；逻辑控制模块：将放大整形后的信号转化成数字信号，最终输出至外围输出模块；电源模块：为上述模块供电。有益效果为：该保护断路器具有测量精度准、脱扣时间易控制、定值易设定、安全性高等特点。减小了配电箱的体积，降低配电保护设备的成本。

Description

一体式保护断路器

技术领域

本发明涉及线路保护产品，尤其涉及一体式保护断路器。

背景技术

目前，线路保护产品已在电力系统中遍及，但绝大多数线路保护控制器是用来控制开关，来实现最终的保护目标。在实际过程中由于控制器与线路开关的线路连接故障时有发生，导致了线路保护的误动、拒动等现象普遍发生，同时在线路设计和施工中也增加了成本。

国内早期的漏电保护器是一种脉冲型漏电保护继电器，漏电流的突然变化量达到整定值，保护器控制跳闸切断供电，它的主要缺点是存在动作死区，而且当有漏电较大的设备退出运行时，会引起漏电流突变，从而引起误动作，现在己被淘汰。另外一种是鉴相鉴幅型漏电保护器，动作死区较小，缺点是易受到电磁场的干扰，产生误动作，特别是电网中有变频设备运行时，误动作较多，正在逐步退出运行。而且大多数的漏电保护器产品采用模拟电子器件实现，产品的一致性较差，不便于生产和调试，整机性能指标低，功能单一，已经不能适应社会经济发展的要求。最近几年，漏电保护器的生产厂家纷纷采用微控制器，对漏电流进行检测和控制，较大的提高了性能指标，功能也得到极大的增强。这类剩余电流继电器的不足之处在于对剩余电流检测的误差过大，对不同等级剩余电流的脱扣时间难于严格控制。产品对检测的突变剩余电流信号脉冲比较器基准电位是固定值、输出的脉冲信号时限短和对检测的网络突变剩余电流信号无时限监控而造成频繁跳闸、误跳闸和同步跳闸现象，降低了农村低压电网安全可靠性。

发明内容

本发明目的在于克服以上现有技术之不足，提供整机性能好、便于生产调试的一种模块化的一体式保护断路器，具体有以下技术方案实现：

所述一体式保护断路器，与外围输出模块通信连接，其特征在于包括：

电流电压采集模块，用于分别采集剩余电流信号、线路工作电流信号以及电压信号并将采集到的上述各信号分别对应地转换为零序电流二次信号、工作电流二次信号以及工作电压信号，再将转换后的上述各信号输出；

取样模块，用于接收自电流电压采集模块输出的所述零序电流二次信号、工作电流二次信号以及工作电压信号，并将接收到的上述各信号转换为交流电平信号后输出；

放大整形模块，用于接收自取样模块输出的所述交流电平信号，并对交流电平信号进行整形放大，得到并输出显示信号、通讯信号、驱动信号以及按键输入信号；

逻辑控制模块，用于接收自放大整形模块输出的所述信号转化成数字信号，将所述数字信号输出至外围输出模块；

电源模块，用于接收自电流电压采集模块输出的信号作为控制信号，并分别为取样模块、放大整形模块、逻辑控制模块以及外围输出模块提供电源。

所述一体式保护断路器的进一步设计在于，所述电流电压采集模块包括：

零序电流互感器，用于通过该互感器的二次交流信号输出端将剩余电流信号接入取样模块中的剩余电流信号输入端；

线路电流互感器：用于将线路工作电流信号通过二次交流信号输出端接入取样模块中的线路工作电流信号输入端；

三相独立变压器：用于将线路中电压信号转换为二次信号并接入取样模块中的工作电压信号输入端。

所述一体式保护断路器的进一步设计在于，所述电源模块包括整流电路、开关三极管以及场效应管，所述整流电路接收线路电流互感器的线路工作电流信号，整流后输出直流信号，所述整流电路的直流信号输出端通过所述开关三极管与所述场效应管连接，所述场效应管与所述逻辑控制模块连接并通过逻辑控制模块来控制场效应管的导通角度，以控制电源模块的输出。

所述一体式保护断路器的进一步设计在于，所述整流电路由三个整流桥支路并接组成，三个整流桥支路的信号输出的负端分别与逻辑控制模块的采样信号输入端连接，直流信号输出端的正端通过所述开关三极管与所述场效应管连接。

所述一体式保护断路器的进一步设计在于，所述开关三极管的基极通过稳压二极管与储能电容连接至整流电路的输出端。

所述一体式保护断路器的进一步设计在于，所述逻辑控制模块包括微处理器，时钟芯片以及存储芯片，所述时钟芯片、存储芯片分别与微处理器通信连接，所述经放大整形后的信号分别接入微处理器的对应端口。

所述一体式保护断路器的进一步设计在于，所述外围输出模块包括显示电路、通讯电路、键盘电路以及脱扣控制回路，所述显示信号接入显示电路的显示驱动信号输入端，所述通讯信号接入通讯电路，所述驱动信号接入脱扣控制回路，所述按键输入信号接入键盘电路。

本发明的一体式保护断路器，采用模块化的设计，从而提高整机性能指标，使其具有测量精度高、脱扣时间易控制、定值易设定、安全性高等特点，同时易于生产调试，并具有线路中电流或电压的多种保护功能。其中的电源模块电路构造出模拟三相线路不平衡特性，使被保护线路中发生零线断线故障时能够准确判断，而无需在经过逻辑控制电路计算，提高了线路故障判断的准确率和及时性。此外电路设计简洁，减小了配电箱的体积，降低配电保护设备的成本。因此，本发明的断路器特别适合我国农村电网中的推广使用。

附图说明

图1为一体式保护断路器的模块示意图。

图2为电源模块的电路图。

图3为微处理器的电路图。

图4为时钟芯片电路的电路图。

图5为三相独立变压器的电路图。

图6为非同步采样的波形图。

其中，1-零序电流互感器，2-三相独立变压器，3-线路电流互感器，4-电源电路，5-取样模块，6-放大整形模块，7-逻辑控制模块，8-显示电路，9-键盘电路，10-通讯电路，11-脱扣控制回路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方案进行详细说明。

如图1，本实施例提供的一体式保护断路器，工作于电力系统中400V电压等级剩余电流的保护系统中。该保护断路器与外围输出模块通信连接，包括电流电压采集模块、取样模块、放大整形模块、逻辑控制模块和电源模块。其中：

电流电压采集模块用于分别采集剩余电流信号、线路工作电流信号以及电压信号并将信号分别对应地转换为零序电流二次信号、工作电流二次信号以及工作电压信号，再将转换后的各信号输出。

取样模块用于接收自电流、电压采集模块输出的零序电流二次信号、工作电流二次信号以及工作电压信号，并将接收到的各信号转换为交流电平信号后输出。

放大整形模块用于接收自取样模块输出的交流电平信号，并对交流电平信号进行整形放大处理，分别得到显示信号、通讯信号、驱动信号以及按键输入信号，并通过放大整形模块的信号输出端将经放大整形后的信号输出。

逻辑控制模块用于接收到自放大整形模块输出的信号，并将信号转化成数字信号，最终输出至外围输出模块。

电源模块用于接收自电流、电压采集模块输出的信号作为控制信号，分别为取样模块、放大整形模块、逻辑控制模块以及外围输出模块供电。

进一步的，断路器中的电流电压采集模块包括零序电流互感器、线路电流互感器和三相独立变压器。其中：零序电流互感器用于将剩余电流信号通过该互感器的二次交流信号输出端接入取样模块中的剩余电流信号输入端；线路电流互感器用于将线路工作电流信号通过二次交流信号输出端，接入取样模块中的线路工作电流信号输入端；三相独立变压器用于将线路中电压信号转换为二次信号并接入取样模块中的工作电压信号输入端。如图5所示的三相独立变压器的电路由三个变压器T1、T2、T3分别与三个整流桥电路连接形成的支路并接组成，其中变压器的输出端分别与整流桥电路的对应输入端连接。

为了使电流电压采集模块所采集的信号尽可能无失真反映被测信号，故采用非同步采样法，即采用固定的采样间隔，选取合适的采样点数，使采样周期与信号周期的差值小于一个采样间隔。但是非同步采样法测量的结果和实际值将存在误差，再将该误差通过软件补偿，如图6所示。

误差补偿的过程分析如下。设周期性信号f(t)的周期为T，装置剩余电流采样周期为T^，，实际的值为F₀，测量的误差为△F，则：

根据 那么

由于：

所以：

上述公式中描述的是两个傅立叶展开公式，用于说明采用非同步采样法产生的测量误差与实际值的关系。由于采样周期与实际周期是已知的，通过上述公式可以将采样误差叠加到测量值中。通过此次处理后使采样值无限接近于实际值。

相较于漏电流大小的测量，漏电流相位的测量原理要简单的多。漏电流相位的测量原理是：以本系统的供电电源相(C相)作为基准相，将供电电源、漏电流整形转换成与之对应的脉冲信号，分别送入单片机的两个外中断，利用单片机的定时器，对两个脉冲信号的上升沿(或下降沿)的时间差进行测量，然后再经过计算，从而实现相位的测量。

断路器中的逻辑控制模块的一种较优选的设置包括：微处理器，时钟芯片以及存储芯片。如图3、图4，时钟芯片、存储芯片分别与微处理器通信连接，经放大整形后的信号分别接入的对应端口。本实施例中微处理器采用C8051F020逻辑控制芯片，时钟芯片采用ISL12026，存储芯片采用24LC02B型芯片，24LC02B的X1、X2连接圆柱体晶振Y2，SCL、SDA口分别通过薄膜电阻R61、R62与VDD口连接。

本实施例的断路器还提供了一电源模块，该电源模块包括：整流电路、开关三极管以及场效应管。整流电路接收线路电流互感器的线路工作电流信号，整流后输出直流信号，整流电路的直流信号输出端通过开关三极管与场效应管连接，场效应管与逻辑控制模块连接并通过逻辑控制模块来控制场效应管的导通角度，以控制电源模块的输出。

上述电源模块中的整流电路由三个整流桥支路并接组成，三个整流桥支路的信号输出的负端分别与逻辑控制模块的采样入口对应连接，直流信号输出端的正端通过开关三极管与场效应管连接。开关三极管的基极通过稳压二极管与储能电容连接至整流电路的输出端。

本实施例给出一种外围输出模块，包括显示电路、通讯电路、键盘电路以及脱扣控制回路。显示信号接入显示电路的显示驱动信号输入端，通讯信号接入通讯电路，驱动信号接入脱扣控制回路，按键输入信号接入键盘电路。本实施例的键盘电路为常规键盘电路，在此不再赘述。

上述的断路器具有整机性能指标好、易于安装调试、线路稳定性和正确动作率高的特点，同时又具有利用网络突变剩余电流信号进行设定动作值和设定时限值“双重”自动控制，使之电网运行更安全可靠，还能解决网络级间保护配合的问题。

Claims (4)

1.一体式保护断路器，与外围输出模块通信连接，其特征在于包括：

电流电压采集模块，用于分别采集剩余电流信号、线路工作电流信号以及电压信号并将信号分别对应地转换为零序电流二次信号、工作电流二次信号以及工作电压信号，再将转换后的信号输出；

取样模块，用于接收自电流、电压采集模块输出的所述零序电流二次信号、工作电流二次信号以及工作电压信号，并将接收到的信号转换为交流电平信号后输出；

放大整形模块，用于接收自取样模块输出的所述交流电平信号，并对交流电平信号进行整形放大，得到并输出显示信号、通讯信号、驱动信号以及按键输入信号；逻辑控制模块，用于接收自放大整形模块输出的信号转化成数字信号，将所述数字信号输出至外围输出模块；

电源模块，用于接收自电流电压采集模块输出的信号作为控制信号，并分别为取样模块、放大整形模块、逻辑控制模块以及外围输出模块提供电源；

所述电流电压采集模块包括：

零序电流互感器，用于将剩余电流信号通过二次交流信号输出端接入取样模块中的剩余电流信号输入端；

线路电流互感器：用于将线路工作电流信号通过二次交流信号输出端接入取样模块中的线路工作电流信号输入端；

三相独立变压器：用于将线路中电压信号转换为二次信号并接入取样模块中的工作电压信号输入端；

所述电源模块包括整流电路、开关三极管以及场效应管，所述整流电路接收线路电流互感器的线路工作电流信号，整流后输出直流信号，所述整流电路的直流信号输出端通过所述开关三极管与所述场效应管连接，所述场效应管与所述逻辑控制模块连接并通过逻辑控制模块来控制场效应管的导通角度，以控制电源模块的输出。

2.根据权利要求1所述的一体式保护断路器，其特征在于所述整流电路由三个整流桥支路并接组成，三个整流桥支路的信号输出的负端分别与逻辑控制模块的采样信号输入端连接，直流信号输出端的正端通过所述开关三极管与所述场效应管连接。

3.根据权利要求1所述的一体式保护断路器，其特征在于所述开关三极管的基极通过稳压二极管与储能电容连接至整流电路的输出端。

4.根据权利要求1所述的一体式保护断路器，其特征在于所述逻辑控制模块包括微处理器，时钟芯片以及存储芯片，所述时钟芯片、存储芯片分别与微处理器通信连接，放大整形后的电平信号分别接入的对应端口。