CN104184124B - 高频开关电源系统使用的直流断路器及过载保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频开关电源系统使用的直流断路器及过载保护方法，由于DC/DC和AC/DC高频模块电源具有限流功能，当负载端出现过载故障或模块电源出口发生短路时,模块电源的输出电流会限制在一定的电流值，模块电源输出电压接近0V，依靠电流作为判断信号的方法无法对此类故障进行故障判断和保护，在多负载并联系统中，一路负载发生过载或短路故障，如果不能及时切断故障负载，会造成其他正常负载的工作中断，降低了系统的可靠性。本专利提供一种适用于带限流功能的电源系统的过载保护方法，利用负载阻抗作为是否过载的判断依据，当负载端发生过载或短路故障时，能够及时切断故障回路，保证电源系统正常输出，保障其他与故障负载并联的负载能够正常工作，大大提高了带限流功能的电源系统的稳定性和可靠性。

Description

高频开关电源系统使用的直流断路器及过载保护方法

技术领域

本发明涉及低压电气领域，尤其是涉及电源的保护开关及过载保护方法，用于带过流保护的高频模块电源或由于短路造成电源输出电压下降的系统中，防止高频模块电源输出电压异常，保证其他并联支路用电设备正常工作。

背景技术

在供电厂和变电站通信一体化电源中，交流电源通过整流转换为110V或220V直流电源，经蓄电池组充电储能后供给直流控制设备和通信设备。通过对各子电源系实行统一管理，优化了作业流程及人力资源调配，降低了运行维护成本，提高电力通信的运维效率。通信设备电源由DC/DC高频模块电源实现，通过高频模块电源把110V/220V直流电源转换成通信设备可使用的-48V电源，由于DC/DC高频模块电源本身带有过流保护功能，一般最大输出电流不超过额定输出电流的1.2倍。在模块电源（组）输出出口短路情况下，会造成输出电流和电压的同步下降，由此造成的危害是在多通信设备并联供电的系统中，如果不能及时切断故障回路，会造成高频模块电源输出电压下降，影响其他回路正常负载供电，严重会使系统瘫痪。

授权公告号 CN 101976816 B的发明专利，申请了一种过载保护方法和装置，通过采集供电回路中实时电流、电压数据，计算出供电回路输出的瞬时功率和平均功率，瞬时功率超过预先设定的瞬时峰值功率门限或者平均功率在一段时间内连续超过预先设定的平均功率门限则切断供电回路；当所述瞬时功率超过所述平均功率门限且小于所述瞬时峰值功率门限时，则输出用户提示信息。相对电磁断路器，能够通过对瞬时功率和平均功率过载的区别对待，以及设备大电流启动和线路短路特征的识别，实现对供电回路更加精准的保护控制，在保障回路用电设备和电力线缆安全的前提下有效降低保护装置误动作的概率。此方法采用了负载功率作为过载判断依据，在带限流功能的电源系统中，当负载出现短路故障后，电压电流会同步下降，实际测量功率会小于额定功率，利用功率已经不能正确判断负载端是否存在故障，不能满足带限流功能的电源系统的过载保护。

专利号为CN 101346863 B的发明专利，申请了一种用于交流/ 直流低压供电线的保护单元，其直流过流保护功能利用分流器实现直流电流信号的采集，控制器电源经由网络电源、源自线电压(VL) 的供电装置提供。在带限流功能的电源系统中，当出现大于额定电流而小于电源系统限制输出电流时，此方法可以正常保护，当负载发生短路故障时，带限流功能的电源输出电流减小，分流采集到的电流小于动作电流，会发生拒动而失去保护作用。

专利号为CN 101552160 B 的发明专利，申请了一种具有延时控制装置的电路保护开关，利用分流器上的压降作为延时控制和驱动电源，用电磁结构实现电流采样，实现了与电源电压无关的直流电流的短路短延时功能，保证了这个系统的可选择性，分流器压降和电磁结构的闭合均依赖回路电流来实现功能，带限流功能的电源系统在过载或短路情况下，并不能提供较大的短路电流，此时不具备本专利提供的方式的动作条件，断路器拒动。无法实现完整的过载保护。

专利号为CN 102568940 A 的发明专利，申请了一种低电压工作的延时保护驱动电路，利用电流经过分流器产生的压差的原理对电流信号进行采样，并把电压信号升压后作为控制器和执行元件的工作电源，实现了与电源电压无关的直流电流的短路短延时保护功能，由于信号和控制器电源均依赖于回路电流大小，当高频电源模块或小功率电池组负载发生短路时，带限流功能的电源内部进行保护，分流器采集到的电流小于动作电流，不满足此专利提供的保护方法的动作条件，无法实现过载保护的完整性。

专利号为CN 2924773Y 的实用新型专利，申请了一种小型断路器过流保护装置，通过分流器对回路电流采样进行采样，采样输出连接比较单元的输入，比较单元经逻辑计算实现过电流保护，此专利仅依靠电流采样对回路负载情况进行判断，只能对过载或短路后故障电流大于正常电流的情况进行保护，不能实现对带限流功能的电源及类似电源系统的过载和短路进行完整保护。

以上专利均对低压电气系统中过载保护提出了不同的解决方案，其中四个专利只采集母线电流作为过载保护的依据，一个专利采用功率对过载进行保护，都只能对过载后回路电流增大的电源系统进行保护，不能满足带限流功能的电源系统的过载保护。

目前在电厂及变电站通信一体化电源系统中，采用的高频模块电源是带限流功能的电源模块，为防止短路造成其他并联负载不能正常工作，采用的常规做法是加大模块电源与负载功率比、降低断路器的瞬动倍数和并联储能电容的方式来提高断路器保护功能的成功率。一般要求电源负载功率比不小于4：1，采用瞬时脱扣电流为3In～５In之间的B型断路器。

上述方案存在以下问题:

硬件成本增加

加大电源负载功率比和增加储能电容，不仅造成设备硬件成本的增加，也增加了设备体积，在正常工作时，只利用了电源额定功率的25%，造成了能源的浪费。

可靠性低

通信电源设备为容性负载，容性负载在上电时需要对电容充电，瞬时电流很大，采用瞬动电流较小的B型断路器后，在给负载电容较大的设备上电时会造成断路器误动作。

保护不完整

增加储能电容，只针对短路位置距离储能电容较近距离时能够实现保护功能，当短路点距离储能电容较远时，由于导线内阻的限流作用，流经断路器的电流可能达不到B型断路器瞬动要求，断路器同样会发生拒动现象。

发明内容

鉴于上述，针对现有技术的不足，提供一种不通过增加电源负载功率比和不增加外部电容，即可实现在发生短路和过载情况下能够及时断开故障负载的断路器，确保其他并联支路用电设备的正常工作，并且能够有效避免容性负载上电时各种情况可能造成的误动作。

为了实现本发明的目的，提出如下技术方案：

一种高频开关电源系统使用的直流断路器，由绝缘外壳、执行装置和开关触点、电源接线端子、负载接线端子和控制器构成；

所述控制器4包括电流采集装置、电压采集装置和信号处理装置，所述电流采集装置采集回路中的电流数据，所述电压采集装置采集电源端的电压数据；所述信号处理装置通过电流采集装置、电压采集装置实时监测系统的电流和电压信号，当负载端发生故障电流时，所述信号处理装置监测到电流或电压信号的变化，并经计算后向执行装置5发出断开开关触点的信号。

所述直流断路器还包括一个储能装置，所述储能装置在电源上电时进行储能，在主回路发生短路造成电源电压下降时，向控制器和执行装置提供能量。

所述电流采集装置为分流器3）所述分流器3为具有预定电阻的导电体。

所述控制器4还包括：

电源转换电路，通过二极管与电源接线端子相连，将自主回路的电源转换成低压直流电源，为信号处理电路和执行装置提供能量；

电流信号转换电路，把来自电流采集装置的电流信号转换成逻辑控制电路可接受的电压信号；

电压信号转换电路，直接或通过二极管与电源输入端的正极相连，把输入端的高电压信号，转换为逻辑控制电路可识别的低压信号；

逻辑控制电路：用于接收电压和电流转换电路提供的信号，通过逻辑计算并根据计算结果启动执行装置，完成保护功能；

执行电路，用于接受逻辑控制电路的信号，并根据信号控制执行装置5。

所述储能装置与电源电路共用平滑滤波电容。

本发明还提出使用所述直流断路器的高频开关电源系统的过载保护方法，包括步骤：

1）系统上电完成初始化；

2）在t0时刻采集电压U0和电流I0，根据欧姆定律计算此时的负载阻抗值Z0=U0/I0；

3）经判断，如Z0大于额定动作阻抗值Ze，经时间t后采集电流数据和电压数据得到新的Z0；

4）经判断，如果Z0小于额定动作阻抗值Ze，经时间t后采集电流数据和电压数据I1和U1并计算得到t1时刻的阻抗值Z1；

5）计算相邻两次阻抗值之间的差值Ri=Zi-Zi-1（i=1….N）,并与波动值d进行比较；

6）如果Ri≥|d| （i=1….N），此时不对是否存在故障负载进行判断；当连续N个Ri＜|d| 时则认为负载端存在过载故障，输出控制信号，完成一次保护。

当负载变化趋势呈非上升趋势且负载阻抗值小于额定阻抗时，判断为电路中存在过载故障；

当负载变化趋势呈上升趋势时，认为是容性负载上电过程造成的短时过载，待阻抗值稳定后再进行判断。

所述负载变化趋势可通过负载阻抗、电流或电压参数中的一种或几种进行变化趋势的判断。

所述保护方法采用电流作为过载判断的辅助条件，在支路电流达到稳定值后，如果实际电流大于额定动作阈值电流，认为负载端存在故障。

对回路电流和电源电压的采样数据进行了数字滤波处理，消除采样误差带来的影响。

与目前直流一体化电源系统对比，本发明有以下有益效果：

有效降低一体化电源系统的电源功率与负载功率比，在减少硬件成本的同时减小了系统体积，同时也降低了系统运行时的能耗，达到绿色环保的目的；

能够有效避免在容性较大的负载上电时的误动作和在远距率导线处短路时的拒动作，实现了保护的完整性和可靠性。

附图说明

图1为本发明断路器系统原理图；

图2为控制器的结构原理图；

图3图3为本发明的算法流程图；

图4是容性负载上电时电压电流变化波形；

图5为容性过载负载上电瞬间的电压电流曲线图；

图6负载远远大于电源的额定输出负载时的电流电压变化波形；

图7为阻抗典型变化曲线图。

具体实施方式

图 1为断路器系统原理图，电流信号利用串接在负极的分流器3进行采样，电压信号对连接在电源端正极接线端子1和负极接线端子2之间的电压进行采样，通过对分流器3两端上的电压和正极接线端子1与负极端子2之间的电压信号分别采样，通过控制器4对负载阻抗进行计算，首先利用采集到的电流信号进行判断，如果负载电流出现大于动作电流时，断路器直接按照负载电流值进行保护，如果断路器负载端出现的过载引起电源电压下降，则按照负载进行保护。当负载电流（负载阻抗）满足动作条件时，控制器4驱动执行元件5，推动机构，达到断路器分断的目的。

在容性负载上电瞬间，对电容的充电过程会使回路电流瞬时增大，在容性负载较大的情况下，还会造成模块电源输出电压下降，此过程与负载短路或过载情况类似。与短路不同的是随着电容的充电完成，充电电流逐渐减小，模块电源输出电压也会逐渐恢复正常，此时负载阻抗也恢复正常，由于充电电流的大小受模块电源功率和导线内阻，导线内阻受导线长度、导线线径、导线导电率的影响，相同模块电源用导线内阻不同的导线连接时，比如不同的传输距离，此时负载上电时的电流变化曲线不同，当导线内阻较小时，峰值电流较大，电流稳定需要的时间较短，相反在导线内阻较大时，峰值电流较小，电流稳定时间较长。为防止容性负载上电充电电流超过动作值而发生误动作，控制器在逻辑判断中，不仅依靠负载阻抗值大小作为动作与否的判断依据，同时还采用阻抗变化趋势曲线作为判断依据，当负载阻抗变化趋势平稳后，再根据负载实际阻抗值进行判断是否存在过载情况，这样能够有效避免由于容性负载上电可能造成的断路器误动作。

断路器上端所接电源为电子式的DC/DC 或AC/DC电源，在大容性负载上电情况下，会造成类似短路的现象，即瞬时电流增大，电压下降。为防止此情况下断路器发生误动作，在控制逻辑中增加了电流（负载）变化趋势判断，当负载中的出现的电流/负载大于动作设定阈值时，还要计算其变化曲线，在变化曲线在下降趋势时，可能是容性负载上电过程造成的电流（负载）增大，此时不对断路器进行分断操作，如果是容性负载上电，随着电容充电的完成，电源输出电流逐渐恢复正常，当负载稳定后再根据电流（负载）实际大小进行判断。这样就能够有效避免断路器在容性负载上电时可能发生的误动作。

控制器4实现方式见图2，控制器电源电路由连接在电源端正极接线端子1和负极接线端子2之间的电源直接供给，正极电源经防反二极管41后连接到电源芯片42输入端，经电源芯片42降压后供给控制电路，降压后的电源经过电源芯片42的储能电容对电源能量进行储能，为控制电路和执行短路提供能量，防止在断路器封口短路时模块电源失压造成控制器失电引起的通信电源断路器拒动。

电源的电压采样电路43对电源端正极接线端子1和负极接线端子2之间的电压进行采样，电压采样电路43连接防反二极管41阳极，经电阻分压处理后直接送给控制器4信号处理电路46上MCU的AD转换单元，完成对电压的采样。电流采样电路44利用电流通过电阻产生的压降，对串接在电源负极的分流器3两端的电压进行采样，采样信号连接差分放大电路45，对电压信号处理后给控制器4信号处理电路45上MCU的AD转换单元。

信号处理电路46上的逻辑控制单元接收到两路AD转换单元的信号，通过算术计算，分别计算得出回路中的实际电压值和电流值，并根据电压电流值计算得出回路负载阻抗，经逻辑计算后控制执行元件。

本发明的过载保护方法的技术原理是利用负载阻抗过载判断依据，通过采集负载电流和母线回路电压，根据欧姆定律计算得到负载实际阻抗值，经与额定动作阻抗做对比，当负载阻抗小于额定动作值时，对负载做出故障判断，考虑容性负载对带限流功能的电源系统的影响，增加阻抗或电压变化趋势作为辅助判断条件，当负载阻抗或电源电压在向正常值变化时，可认为负载为容性负载，等待负载阻抗或电源电压稳定后再进行判断。

本发明通过检测负载阻抗的形式对过载进行保护。需要采集母线电流I和母线间电压U，根据欧姆定律计算得到负载阻抗值Z，计算所得到的实际负载阻抗Z与额定动作阻抗Ze作比较，当负载实际阻抗Z小于额定动作阻抗Ze时，再根据电压U（或阻抗Z）变化趋势，判断是否为容性负载上电造成的短时过载，如果不是容性负载上电造成的短时过载，切断故障回路，对电源系统进行保护。

为了防止采样误差带来的影响，对回路电流和电源电压的采样数据进行了数字滤波处理。

图3本方法的算法流程图，系统上电初始化完成后，在t0时刻采集电压U0和电流I0，计算此时的负载阻抗值Z0=U0/I0，如果Z0大于额定动作阻抗值Ze，经时间t后采集电流数据和电压数据得到新的Z0， 如果Z0小于额定动作阻抗值Ze，经时间t后采集电流数据和电压数据I1和U1并计算得到t1时刻的阻抗值Z1，计算相邻两次阻抗值之间的差值Ri=Zi-Zi-1（i=1….N）,并与波动值d进行比较，如果Ri≥|d| （i=1….N），认为负载处在T1或T2阶段，T1阶段为负载加载或出现故障阻抗减小的过程，此过程时间较短，T2阶段为负载逐渐稳定的过程，在此时间段内受负载电容和短路阻抗的综合作用，阻抗值呈上升趋势；此时不对是否存在故障负载进行判断；当连续N个Ri＜|d| 时则认为负载端存在过载故障，输出控制信号，完成一次保护，其中，N可以定义为3。在计算过程中，可以把电流值作为辅助方法，判断方法与阻抗值判断方式相同，这里不再赘述。

带限流功能的电源系统具有以下特点：在容性负载上电时需要先对设备内部的电容充电，其上电时瞬间负载阻抗呈短路状态，电源内部电容放电，瞬时电流远大于额定电流，电压下降接近0V，随着电容的充电过程完成，回路电流逐渐减小后趋于正常，电压逐渐上升到额定电压值，电压电流变化波形图见图4；当负载存在容性过载负载时，上电瞬间电压电流变化曲线与正常负载变化曲线一样，电流电压稳定到稳定值，根据过载情况和电源情况不同，输出电压和输出电流可能存在多种情况，但其阻抗值值小于额定阻抗，图5为电压减小电流增大情况的电压电流曲线图；在短路情况下，由于负载远远大于电源的额定输出负载，上电瞬间电源内部电容放电，造成远大于额定电流的瞬时电流，然后电源电压会迅速减小到稳定值，稳定值的大小跟短路负载的大小有关，电流电压变化波形图见图6。容性负载在任何情况下上电时都存在瞬时电流过大，电压降低的情况，测试负载阻抗值远小于额定阻抗值，为防止容性负载上电过程中造成误动作，在故障判断过程中增加电压变化趋势辅助进行逻辑判断，在负载阻抗值突然变小后电压呈逐渐增大趋势时，此时不对负载做故障处理判断，等待负载稳定后，再根据稳定后的负载阻抗值进行逻辑判断，确定回路中是否存在故障负载。

实施例1

根据图2的控制器的结构原理图，利用串接在负极的分流器3对电流I进行采样，利用电阻分压对电源端正极接线端子1和负极接线端子2之间的电压U进行采样，经算术计算得到负载阻抗Z，阻抗典型变化曲线见图7，T1阶段为负载加载或出现故障阻抗减小的过程，此过程时间较短，T2阶段为负载逐渐稳定的过程，在此时间段内受负载电容和短路阻抗的综合作用，阻抗值呈上升趋势，变化时间的长短受负载电容和短路阻抗和电源功率多因素影响，此阶段时间有可能较短，甚至与后续的T3阶段重合，T3阶段为阻抗稳定阶段，随着系统的稳定，阻抗值恒定不变，在此阶段可对负载端是否存在过载故障进行判断，如果在此阶段，负载存在故障，则发出故障信号，通过图2中的执行元件5向外界发出信号，此信号可提供高频电源或其他监控设备或开关元件，实现系统监控或保护。

实施方案2：

同实施方案1，当阻抗Z≤Ze或/和电流I≥Ie时，判断电流I是否达到稳定，在电流I未达到稳定值时，认为负载处于变化阶段，待电流恢复稳定后再根据阻抗值和/或电流值对负载情况进行判断，判断方法与实施例1相同，这里不再赘述。

实施方案3：

同实施方案1，当阻抗Z≤Ze或/和电流I≥Ie时，判断电压U是否达到稳定，在电压U未达到稳定值时，认为负载处于变化阶段，待电压恢复稳定后再根据阻抗值和/或电流值对负载情况进行判断，判断方法与实施例1相同，这里不再赘述。

上述实施例仅用于对本发明进行说明而非对本发明进行限制，因此，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明精神和范围的情况下对它进行各种显而易见的改变，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高频开关电源系统使用的直流断路器，由绝缘外壳、执行装置和开关触点、电源接线端子、负载接线端子和控制器构成，其特征在于 ：

所述控制器 （4）包括电流采集装置、电压采集装置和信号处理装置，所述电流采集装置采集回路中的电流数据，所述电压采集装置采集电源端的电压数据；所述信号处理装置通过电流采集装置、电压采集装置实时监测系统的电流和电压信号，当负载端发生故障电流时，所述信号处理装置监测到电流或电压信号的变化，并经计算后向执行装置（5）发出断开开关触点的信号;

所述计算为根据采集到的数据计算负载阻抗值，所述控制器在逻辑判断中，依靠负载阻抗值大小作为动作与否的判断依据，同时还采用阻抗变化趋势曲线作为判断依据，当负载阻抗变化趋势平稳后，再根据负载阻抗值进行判断是否存在过载情况;

所述计算具体为：

1） 系统上电完成初始化；

2）在 t0 时刻采集电压 U0 和电流 I0，根据欧姆定律计算此时的负载阻抗值 Z0=U0/I0 ；

3）经判断，如 Z0 大于额定动作阻抗值 Ze，经时间 t 后采集电流数据和电压数据得到新的 Z0 ；

4） 经判断，如果 Z0 小于额定动作阻抗值 Ze，经时间 t 后采集电流数据和电压数据I1和 U1 并计算得到 t1 时刻的阻抗值 Z1 ；

5）计算相邻两次阻抗值之间的差值 R_i=Z_i-Z_i-1（ i=1….N）, 并与波动值 d 进行比较；

6） 如果 R_i ≥ |d|（ i=1….N），此时不对是否存在故障负载进行判断 ；当连续 N 个R_i＜ |d| 时则认为负载端存在过载故障，输出控制信号，完成一次保护。

2.如权利要求 1 所述的直流断路器，其特征在于，所述直流断路器还包括一个储能装置，所述储能装置在电源上电时进行储能，在主回路发生短路造成电源电压下降时，向控制器和执行装置提供能量。

3.如权利要求 2 所述的直流断路器，其特征在于 ：所述电流采集装置为分流器 （3），所述分流器 （3） 为具有预定电阻的导电体。

4.如权利要求 3 所述的直流断路器，其特征在于 ：所述控制器 （4） 还包括 ：

电源转换电路，通过二极管与电源接线端子相连，将自主回路的电源转换成低压直流电源，为信号处理电路和执行装置提供能量；

电流信号转换电路，把来自电流采集装置的电流信号转换成逻辑控制电路可接受的电压信号；

电压信号转换电路，直接或通过二极管与电源输入端的正极相连，把输入端的高电压信号，转换为逻辑控制电路可识别的低压信号；

逻辑控制电路 ：用于接收电压和电流转换电路提供的信号，通过逻辑计算并根据计算结果启动执行装置，完成保护功能；

执行电路，用于接受逻辑控制电路的信号，并根据信号控制执行装置 （5）。

5.如权利要求 4 所述的直流断路器，其特征在于，所述储能装置与电源电路共用平滑滤波电容。

6.使用如权利要求 1-5 其中之一所述直流断路器的高频开关电源系统的过载保护方法，其特征在于包括步骤 ：

1） 系统上电完成初始化；

2）在 t0 时刻采集电压 U0 和电流 I0，根据欧姆定律计算此时的负载阻抗值 Z0=U0/I0 ；

3）经判断，如 Z0 大于额定动作阻抗值 Ze，经时间 t 后采集电流数据和电压数据得到新的 Z0 ；

4） 经判断，如果 Z0 小于额定动作阻抗值 Ze，经时间 t 后采集电流数据和电压数据I1和 U1 并计算得到 t1 时刻的阻抗值 Z1 ；

5）计算相邻两次阻抗值之间的差值 R_i=Z_i-Z_i-1（ i=1….N）, 并与波动值 d 进行比较；

6） 如果 R_i ≥ |d|（ i=1….N），此时不对是否存在故障负载进行判断 ；当连续 N 个R_i＜ |d| 时则认为负载端存在过载故障，输出控制信号，完成一次保护。

7.如权利要求 6 所述的过载保护方法，其特征在于 ：

当负载变化趋势呈非上升趋势且负载阻抗值小于额定阻抗时，判断为电路中存在过载故障 ；

当负载变化趋势呈上升趋势时，认为是容性负载上电过程造成的短时过载，待阻抗值稳定后再进行判断。

8.如权利要求 7 所述的过载保护方法，其特征在于 ：

所述负载变化趋势可通过负载阻抗、电流或电压参数中的一种或几种进行变化趋势的判断。

9.如权利要求 8 所述的过载保护方法，其特征在于 ：

所述保护方法采用电流作为过载判断的辅助条件，在支路电流达到稳定值后，如果实际电流大于额定动作阈值电流，认为负载端存在故障。

10.如权利要求 8 或 9 所述的过载保护方法，其特征在于 ：

对回路电流和电源电压的采样数据进行了数字滤波处理，消除采样误差带来的影响。