CN103746331B - 带冗余装置的多功能防火短路保护器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气短路保护设备技术领域，具体涉及带冗余装置的多功能防火短路保护器，主要包括开关电源、电流取样器件、数字信号处理器、大电流功率模块、隔离驱动模块、冗余装置、电荷吸收电路和负载；所述冗余装置为受控机械式开关，交流电220V的L端分别与电阻R1、所述开关电源的输入端、差动放大器的输入端和电流取样器件的一端连接；本发明使用在家庭用电、工业用电等各种交流强电场所，当负载发生短路时，本装置以微秒的速度瞬间切断异常供电通路，在短路点不产生危险火花；当电气回路发生漏电等异常情形时，本装置亦会高速切断漏电通路；由于本装置自带的冗余装置设计，即使出现大功率电流模块或者数字信号处理器异常等极端情况，亦能保证本装置可靠性。

Description

带冗余装置的多功能防火短路保护器

技术领域：

本发明涉及电气短路保护设备技术领域，具体涉及带冗余装置的多功能防火短路保护器。

背景技术：

近年来，随着我国国民经济快速增长、人民生活水平不断提高，社会对用电的需求保持逐年增长，家用电器、农业、工业等各个场合几乎都离不开电能；在用电需求量不断增长的背景下，如何保证安全用电等问题也随之突出，据不完全统计，在多起火灾事故调查后发现，因电气短路、漏电、拉弧而引发的电气火灾一直占据事故引发的首要因素，给人民的生命财产安全带来严重威胁，数以千万的财产通常因电气故障引发火灾后瞬间化为灰烬；因此，如何确保更加安全用电、避免人民的生命财产安全受到损失成为急需解决的问题。

我们熟知的断路器、空气开关一直占据我们日常用电作为短路过载保护的主导地位，断路器或者空气开关串联于负载回路中，正常使用时其机械触点接通，负载回路得电正常工作，当负载短路或者过载时，断路器内部的感应线圈因短路得到足够强的磁场启动内部机械阀使串联在电气回路的机械接触点迅速分离，有效的切断了故障电流，根据断路器原理结构的不同，有些断路器也采用双金属片的膨胀系数不同的原理来实现故障电流机械触点的分离等等，最终均能达到断开机械触点来分断故障电流的目的。

传统断路器从短路至故障电流分断的时间通常在数十毫秒至数百毫秒间，在短路点易造成较大的危险火花，在很多高危场所（如加油站、油污严重的酒店厨房、易燃物周围）极易导致安全事故的发生。

为弥补机械式断路器或空气开关断开故障电流的时间过长等弊端，近年来有些公司已经开始研究高速电子式短路保护器，其大电流功率器件均采用半导体来承载，由于其采用的功率器件电路形式原因，会导致功率器件的数量大幅增加，在实际使用时会产生很大的功耗，因此承载电流不可能做到很大，其中，如图1所示的一种功率器件的电路结构：由于交流220V有正负半周，当正半周到来时，A管栅极施加开通信号，A管导通，和A管串联的功率二极管导通，正半周电压施加至负载，此时不管B管的栅极是否施加开通信号由于和B管串联的二极管单相导电性，因此在正半周时刻B管中没有电流流过；同理，负半周到来的时刻B管导通，A管截止；AB管分别承载正负半周电流，负载上得到接近和市电一致的正弦电压；如图1中所示，由于单个A管或B管无法承载较大的负载电流，因而需要承载的电流增大时，势必要增加A、B管的数量，同时和A、B管串联的二极管亦会成倍增加，导致整个装置的体积增大；另外由于高压二极管的导通压降不可能做到很小，因此上述图1的电路结构在大电流场合会面临自身功耗增大、发热严重的弊端，不利于装置的可靠性和稳定性。

亦有些采用双向可控硅作为大电流功率器件，因为双向可控硅的固定压降存在，一般在1V以上，根据W=I×V，假如负载电流超过10A，会至少产生10W的功耗，自身功耗太大会造成双向可控硅的发热严重，此特性限制了其体积小型化，因而不适合在电流稍大的场合使用。

近年随着半导体工艺的发展，电力大电流功率半导体等新器件不断问世，如GTO（GateTurnOffThyristor）、IGCT(IntegratedGateCommutatedThyristor)等，其不但能承载数百至数千安倍的电流，同时具有快速关断的特性，是电力行业日后主要的发展方向，现阶段因器件问世的时间不长，价格昂贵，因此目前仅限于超大电流承载场所应用。

在已知和本发明同类的高速短路保护器产品中，电路中的电流采样器件主要采取以下两种：1、电流互感器；2、霍尔器件；采用电流互感器和霍尔器件作为高速短路保护器的电流采样器件时，均会由于器件本身的特性在电流信号传递过程中而导致的延迟，一般的霍尔器件延迟时间会在5uS甚至更大，而电流互感器其传输延迟时间会更长，如果由于工艺材料的不同，传输延迟时间则无法保证；而短路信号的识别，电流采样器件的延时时间越长，从短路发生时刻起至故障电流分断的整体时间拉长，此意味着短路点的火花越大；由于霍尔器件的容量限制，在大电流采样的场合意味着成本会大幅增加，而电流互感器也存在磁饱和的现象，如果需要做到检测大的电流，体积也会相应变的庞大。

在已知和本发明同类的高速短路保护器产品中，分断短路故障电流主要依靠大电流功率器件切断短路电流，一旦大电流半导体功率器件出现击穿异常情况，产品就失去了基本保护功能，在高危场所使用时会因装置本身的故障造成危险事故的可能性，装置内部无冗余备份设计；即当发生最坏的情况时，大电流功率器件由于击穿无法起到基本的保护功能。

在已知和本发明同类的高速短路保护器产品中，由于装置内部没有采取电荷吸收电路，当发生感性负载短路的场合，由于装置中大电流功率器件的高速切断，会在感性负载两端引发很强的感应电动势，因短路接触点存在接触电阻，亦会在短路处引发强大的短路危险火花，继而引发安全事故的可能性。

在已知和本发明同类的高速短路保护器产品中，由于无功率因素检测、电能检测、漏电接口等附加功能，因而产品的功能相对单一。

发明内容：

为弥补现有机械式断路器或空气开关分断时间过长、短路产生的危险火花过大等弊端，本发明提供一种带冗余装置的多功能防火短路保护器。

本发明所述的带冗余装置的多功能防火短路保护器，包括开关电源、电流取样器件、数字信号处理器、大电流功率模块、隔离驱动模块、冗余装置、电荷吸收电路和负载，所述冗余装置为受控机械式开关；交流电220V的L端分别与电阻R1、所述开关电源的输入端、差动放大器的输入端和电流取样器件的一端连接，所述交流电220V的N端分别与电阻R2的一端、所述开关电源的输入端、电荷吸收电路的一端和负载连接；所述电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端和所述数字信号处理器连接，所述电阻R3的另一端和电阻R1的另一端均接地，所述开关电源的输出端与所述差动放大器的输入端连接，所述差动放大器的输出端通过第一光电耦合器与所述数字信号处理器连接；所述电流取样器件的另一端与所述大电流功率模块的一端连接，所述隔离驱动模块分别与所述大电流功率模块的一端和数字信号处理器连接，所述大电流功率模块的另一端通过所述受控机械式开关分别与所述电荷吸收电路和负载连接，所述电荷吸收电路并联在所述负载的两端，所述受控机械式开关中线圈的一端依次通过三极管Q1和电阻R5与所述数字信号处理器连接，所述受控机械式开关中线圈的另一端与电源VCC连接并依次通过第二光电耦合器和电阻R6与所述数字信号处理器连接，所述第二光电耦合器与所述电荷吸收电路连接。

作为优选，所述数字信号处理器分别与漏电互感器输入模块、液晶显示模块、RS485总线接口、按键输入模块和LED指示/蜂鸣器连接。

作为优选，所述电流取样器件为精密低阻无感电阻。

作为优选，所述大电流功率模块采用大功率MOSFET反向串联结构。

作为优选，所述数字信号处理器内置有漏电算法模块。

作为优选，所述防火短路保护器采用相位同步检测技术和多重算法判断技术。

本发明采用精密低阻无感电阻采样的电流信号经过高速差动放大器放大后，通过高速第一光电耦合器进入数字信号处理器，数字信号处理器同时采样输入电压得到无延时的精准同步相位信号，经数字信号处理器内部干扰抑制、FFT变换、斜率运算等一系列多项复杂运算，当数字信号处理器识别到真性短路信号后，发出控制信号至隔离驱动模块，利用MOSFET大电流功率模块的快速关断特性，隔离驱动模块在几微秒的时间内瞬间切断串联在负载回路中的MOSFET大电流功率模块；与此同时：数字信号处理器和受控机械式开关控制输出端并输出信号，连接于受控机械式开关的线圈得电，串联在负载回路中的受控机械式开关分断，实现电气回路的物理分离；此时数字信号处理器的电荷吸收电路的控制端输出信号，电荷吸收电路瞬间开启，吸收来自回路中可能存在的剩余电荷，进一步减小短路处的火花；同时和数字信号处理器连接的相应LED指示灯点亮、蜂鸣器打开，实现声光报警，而液晶显示屏则显示此次短路的详细信息：短路发生的时刻，短路分断时间，故障类型等详细信息；当短路故障排除后，通过和数字信号处理器连接的按键输入模块中“复位”按键，可重新接通负载通路。本发明和同类电子式交流短路保护器、电子式断路器比较，由于采用了高速数字信号处理器和可靠的算法，有不误判、短路分断时间大幅度缩短等诸多优点；

本发明的有益效果：本发明所述的带冗余装置的多功能防火短路保护器，主要包括开关电源、电流取样器件、数字信号处理器、大电流功率模块、隔离驱动模块、冗余装置、电荷吸收电路和负载；其中，冗余装置为受控机械式开关，本发明采用上述结构，首先，与机械式断路器或者空气开关相比，短路电流的分断时间提高数千倍至数万倍，在短路处只产生极微小的火花甚至看不到火化，大大降低了发生安全事故的可能性；其次，与同类电子式高速短路保护器相比，由于本装置采用无感电阻作为电流取样器件，并同时采用电荷吸收电路、电压电流相位同步检测技术和特定的算法等措施，使得分断短路故障点的时间亦比同类电子式高速短路保护器提高数倍，且不会受感性或者容性负载的非线性特性而影响本装置的性能，亦不会出现误动作；然后，与同类电子式高速短路保护器相比，由于本装置采取的冗余装置，即所述的受控机械式开关，即使发生大电流功率模块击穿、数字信号处理器失效等最坏的情形，本装置的受控机械式开关不但能依靠自带的短路保护措施切断故障回路、而且受数字信号处理器控制的线圈磁阀亦可可靠的切断故障回路，保证了本装置的高可靠性；再然后，与同类电子式高速短路保护器相比，本装置使用的大电流功率模块采用反向串联的电路结构形式，省去了大量的外置二极管，结构简单成本低廉，而且自身的功耗极小；最后，与同类电子式高速短路保护器相比，本装置拓展了漏电检测输入功能、功率因素检测功能、电量计算功能、RS485总线接口等诸多功能，实现单台装置多功能化。另外，本发明使用在家庭用电、工业用电等各种交流强电场所，当负载发生短路时，本装置以微秒的速度瞬间切断异常供电通路，在短路点不产生危险火花；当电气回路发生漏电等异常情形时，本装置亦会高速切断漏电通路；由于本装置自带的冗余装置设计，即使出现极端异常情况，亦能保证装置可靠性。终上所述，本发明能有效防止交流用电场所因线路短路或者漏电而引发的各种安全事故。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为现有技术中功率器件的电路结构示意图；

图2为本发明的电路结构示意图；

图3为本发明实施例一的状态示意图；

图4为本发明实施例二的状态示意图；

图5为本发明实施例三的状态示意图；

图6为本发明实施例四的状态示意图。

1-开关电源；2-电流取样器件；3-数字信号处理器；4-大电流功率模块；5-隔离驱动模块；6-冗余装置；7-电荷吸收电路；8-负载；9-差动放大器；10-第一光电耦合器；11-第二光电耦合器；12-漏电互感器输入模块；13-液晶显示模块；14-RS485总线接口；15-按键输入模块；16-LED指示/蜂鸣器。

具体实施方式：

如图2所示，本具体实施方式采用以下技术方案：带冗余装置的多功能防火短路保护器，包括开关电源1、电流取样器件2、数字信号处理器3、大电流功率模块4、隔离驱动模块5、冗余装置6、电荷吸收电路7和负载8，所述冗余装置6为受控机械式开关；交流电220V的L端分别与电阻R1、所述开关电源1的输入端、差动放大器9的输入端和电流取样器件2的一端连接，所述交流电220V的N端分别与电阻R2的一端、所述开关电源1的输入端、电荷吸收电路7的一端和负载8连接；所述电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端和所述数字信号处理器3连接，所述电阻R3的另一端和电阻R1的另一端均接地，所述开关电源1的输出端与所述差动放大器9的输入端连接，所述差动放大器9的输出端通过第一光电耦合器10与所述数字信号处理器3连接；所述电流取样器件2的另一端与所述大电流功率模块4的一端连接，所述隔离驱动模块5分别与所述大电流功率模块4的一端和数字信号处理器3连接，所述大电流功率模块4的另一端通过所述受控机械式开关分别与所述电荷吸收电路7和负载8连接，所述电荷吸收电路7并联在所述负载8的两端，所述受控机械式开关中线圈的一端依次通过三极管Q1和电阻R5与所述数字信号处理器3连接，所述受控机械式开关中线圈的另一端与电源VCC连接并依次通过第二光电耦合器11和电阻R6与所述数字信号处理器3连接，所述第二光电耦合器11与所述电荷吸收电路7连接。

其中，如图2所示，所述数字信号处理器3分别与漏电互感器输入模块12、液晶显示模块13、RS485总线接口14、按键输入模块15和LED指示/蜂鸣器16连接；其中上述各模块或接口均可用于联网或联动等诸多功能，实现了单台装置的多功能化。

如图2所示，所述电流取样器件2为精密低阻无感电阻；本实施例中，这样设计的目的是保证在采样过程中信号不失真，无延迟现象。

如图2所示，所述大电流功率模块4采用大功率MOSFET反向串联结构；这样设计的目的是使得大电流功率模块4分别负责承载正负半周电流通路，和其它同类电子式断路器、电子式短路保护器相比，节省了数个额外的单相大电流二极管，节约了成本。

如图2所示，所述数字信号处理器内置有漏电算法模块；其中，漏电互感器输入模块12与漏电算法模块连接，这样可兼容各种不同型号的漏电检测互感器，在需要时侦测漏电脱扣的场合，使得本发明的功能进一步得到扩展。

如图2所示，所述防火短路保护器采用相位同步检测技术和多重算法判断技术；这样可确保本装置不会误判，同时提高了从短路发生起至短路电流切断的时间，进一步减小了短路处的危险火花。

如图3所示，交流220V电源进入开关电源1的输入端，经过开关电源1的变换输出经隔离的两组低压直流电压，一组给高速差动放大器9及高速第一光电耦合器11供电，另外一组给其它的所有系统供电，下述所有图例中的开关电源1功能均一样，因此在下述的所有章节或者描述中不再重复。

实施例一：如图3所示，其中，本装置正常工作时，精密低阻无感电阻的信号经过第一光电耦合器11隔离后送入数字信号处理器3，数字信号处理器3同时采样输入电压相位等信息，经过数字信号处理器3内部运算处理，负载8未发生短路或过载异常情形时，数字信号处理器3发出闭合信号至隔离驱动模块5，驱动模块打开大电流功率模块4，大电流功率模块4的通路开放；由于在正常情况下数字信号处理器3至受控机械式开关的线圈通路不动作，且受控机械式开关自身的短路机构亦不脱扣，因此受控机械式开关也处于闭合状态，与此同时电荷吸收电路7关闭，如图3中所示相当于开路，交流220V至负载8的通路接通，负载8得电正常工作。同时受数字信号处理器3控制的LED指示灯绿色指示灯点亮，蜂鸣器16不发出警告讯响信号，液晶显示模块13显示功率因素、电量等信息。

实施例二：如图4所示，当负载8短路时，精密低阻无感电阻的信号经放大隔离后输入至数字信号处理器3，数字信号处理器3经多项条件运算确定为真性短路信号时，发出断开信号给隔离驱动模块5瞬间切断串联于负载8回路中的大电流功率模块4，同时数字信号处理器3的机械开关控制端输出信号，受控机械式开关线圈得电，串联于负载8回路中的机械触点断开，实现输入和输出的物理分断---此举能有效避免大电流功率模块4因性能不良或者受温度影响导致半导体大电流功率模块内部电子空穴对增加造成的泄露电流对后级造成的其它安全事故，于此同时数字信号处理器3的电荷吸收控制输出端输出开通信号，并联在负载8两端的电荷吸收电路7瞬间关闭，吸收可能来自线路中的剩余电荷，进一步减小短路处的危险火花；当数字信号处理器3确认真性负载短路信号后，大电流功率模块4、受控机械式开关、电荷吸收电路7三者之间的时序关系是：大电流功率模块4首先以微秒的速度断开，在2uS之内电荷吸收电路7关闭，接着是受控机械式开关在内部线圈得电后断开受控机械开关；同时和数字信号处理器3连接的红色指示灯点亮，蜂鸣器16讯响警示，液晶显示模块13上显示本次短路的详细信息。

实施例二：如图4所示，当负载8过载时，无精密低阻无感电阻的信号经放大隔离后输入至数字信号处理器3，数字信号处理器3经过延时分析确定过载后，同上述一样发出的控制信号最终传递至大功率电流模块4，大功率电流模块4迅速切断负载8中的过载电流，电荷吸收电路7导通，之后受控机械式开关断开，同时受数字信号处理器3控制的LED指示模块黄色指示灯点亮，蜂鸣器16讯响警示。

实施例二：如图4所示，当外部漏电互感器输入模块12接入数字信号处理器3检测到大于阀值的漏电流时，数字信号处理器3发出控制信号最终传递至大电流功率模块4，大电流功率模块4断开，电荷吸收电路7导通，之后受控机械式开关断开，同时受数字信号处理器3控制的漏电指示灯点亮，蜂鸣器16讯响警示。

实施例二：综上所述，如图4所示，当发生短路、过载、漏电异常情形后，负载8的电源通路被切断而停止工作；当短路或过载漏电故障排除后，按下图中的数字信号处理器3连接的按键输入模块中的“复位”开关，负载8的电源通路重新接通，即回复到图3的状态，负载8正常工作，装置重新进入正常的监测模式。

实施例三：如图5所示，在最坏的情况下，当大功率电流模块4击穿短路，即使数字信号处理器3发出断开信号，大功率电流模块4也不会断开，假如此时数字信号处理器3也因为某种原因损毁，此时隔离驱动模块5的信号、受控机械式开关的信号、电荷吸收电路7相当于均失效，此时如果发生负载8短路或者过载，由于短路电流的迅速增加，导致受控机械式开关内部感应线圈磁力增强并吸合内部机械阀，导致串联在负载8回路中的受控机械式开关脱扣，负载8异常电流被切断。本受控机械式开关受两路信号控制，一是自身附带的短路和过载检测机械装置，只要电流超出预定的阀值，受控机械式开关自动断开负载电源，二是受外部控制如图中三极管Q1的控制，只要三极管Q1导通，额外给受控机械式开关施加一个电压，达到的效果和第一点一样同样会断开其机械触点；加入此机械开关作为本装置的一种冗余备份，在装置出现极端情况下时，本装置亦能有效断开故障电流，不会导致因本装置内部器件失效而引发严重安全事故的可能性，因此和其它同类产品相比，此举措能保证装置的高可靠性。

实施例四：如图6所示，当所接感性负载8端短路时，由于上节所述大电流功率模块4会以微秒的速度迅速断开主回路中的电源，假如大电流功率模块4断开的瞬间为正半周，根据法拉第电磁感应定律：

e=-L*di/dt

由于dt时间非常小，因此会在感性负载两端产生和原输入极性相反极高的感应电动势，如果在电荷吸收电路未接入时，此感应电动势会通过线路内阻和接触电阻直接施加在短路点，如图中的电流通路222所示，此时会在短路点产生非常大的危险火花，极易引发安全事故。

实施例四：如图6所示，本装置内部加入电荷吸收电路7后，由于电荷吸收电路7在开通的瞬间内阻非常小，相当于一个大电容充电的过程，因此产生的感应电动势很大一部分电荷通过图6中的所示的电流通路111泄放，在短路处只产生极其微小的火花，因此本装置不管接感性负载或者容性负载时，均不会产生危险火花。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.带冗余装置的多功能防火短路保护器，其特征在于：包括开关电源(1)、电流取样器件(2)、数字信号处理器(3)、大电流功率模块(4)、隔离驱动模块(5)、冗余装置(6)、电荷吸收电路(7)和负载(8)，所述冗余装置(6)为受控机械式开关；交流电220V的L端分别与电阻R1、所述开关电源(1)的输入端、差动放大器(9)的输入端和电流取样器件(2)的一端连接，所述交流电220V的N端分别与电阻R2的一端、所述开关电源(1)的输入端、电荷吸收电路(7)的一端和负载(8)连接；所述电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端和所述数字信号处理器(3)连接，所述电阻R3的另一端和电阻R1的另一端均接地，所述开关电源(1)的输出端与所述差动放大器(9)的输入端连接，所述差动放大器(9)的输出端通过第一光电耦合器(10)与所述数字信号处理器(3)连接；所述电流取样器件(2)的另一端与所述大电流功率模块(4)的一端连接，所述隔离驱动模块(5)分别与所述大电流功率模块(4)的一端和数字信号处理器(3)连接，所述大电流功率模块(4)的另一端通过所述受控机械式开关分别与所述电荷吸收电路(7)和负载(8)连接，所述电荷吸收电路(7)并联在所述负载(8)的两端，所述受控机械式开关中线圈的一端依次通过三极管(Q1)和电阻R5与所述数字信号处理器(3)连接，所述受控机械式开关中线圈的另一端与电源VCC连接并依次通过第二光电耦合器(11)和电阻R6与所述数字信号处理器(3)连接，所述第二光电耦合器(11)与所述电荷吸收电路(7)连接。

2.根据权利要求1所述的带冗余装置的多功能防火短路保护器，其特征在于：所述数字信号处理器(3)分别与漏电互感器输入模块(12)、液晶显示模块(13)、RS485总线接口(14)、按键输入模块(15)和LED指示/蜂鸣器(16)连接。

3.根据权利要求1所述的带冗余装置的多功能防火短路保护器，其特征在于：所述电流取样器件(2)为精密低阻无感电阻。

4.根据权利要求1所述的带冗余装置的多功能防火短路保护器，其特征在于：所述大电流功率模块(4)采用大功率MOSFET反向串联结构。

5.根据权利要求1所述的带冗余装置的多功能防火短路保护器，其特征在于：所述数字信号处理器(3)内置有漏电算法模块。

6.根据权利要求1所述的带冗余装置的多功能防火短路保护器，其特征在于：所述防火短路保护器采用相位同步检测技术和多重算法判断技术。