CN104901285A - 基于热电混合式过载保护系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

基于热电混合式过载保护系统及其设计方法，该系统包括热元件、绝缘材料、温度传感器、单片机系统和电磁机构，是一种简单有效的新方法。本发明能够达到电流过载保护的目的，同时还能减小电器设备的体积，避免大电流时铁心饱和，增大电流的监控范围。对MCB、MCCB、热继电器等的智能化、小型化也有重要的参考价值。

Description

基于热电混合式过载保护系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及电气控制领域，具体指一种可以实现电流过载保护的系统结构和设计方法。

背景技术

电器在电能的生产、输送和使用中起着十分重要的作用，例如，发电厂中，发电机将其他形式的一次能源（势能、热能、核能、太阳能、风能等）转换为电能，而安全可靠的发电过程需要众多电器的参与才能得以实现，其中包括发电机运行的控制电器和保护电器，如断路器、热继电器等等。

低压断路器主要分为万能式断路器ACB、塑壳式断路器MCCB和小型断路器MCB。其中，ACB主要应用于配电网中，用来分配电能，保护线路和电源设备。智能型ACB采用模块化结构，对配电系统可能出现的故障均能实现有效的保护。据统计2008年国内ACB总量超过60万台，其中智能化产品比例按台数占45%，按产值占80%。目前国内高端产品从技术水平看与国外产品相差不大。MCCB主要用来分配电能和保护线路、电源设备或电机免受过载、短路或欠压故障的损坏。国内MCCB的年需求量约2400万台，其中智能型占的比例还不到1%。然而，MCCB的智能化工作从来没有停止。MCB主要用于终端配电线路，对线路提供过载和短路保护。MCB的年产量超过5亿台，大部分用于终端配电和民用建筑。目前尚未见智能化MCB的相关报道。

上述资料表明，ACB智能化产品的需求量相对较高，这主要缘于ACB保护的重要性和保护功能的多样性。那么是什么原因限制了MCCB和MCB的智能化进程呢？                                                保护功能相对较少，传统热磁脱扣方式也可实现相应的保护，且价格低，体积小。因此，还有广泛的市场需求；MCCB和MCB体积较小，特别是MCB，除非有新技术、新体积原理或新结构，否则，智能化后的很难与现有尺寸相当；MCCB智能化产品规格少，动热稳定性不高以及部分厂家产品质量不稳定等，都是影响其推广使用的原因。在非智能化的断路器中，热磁脱扣方式还大量使用。

热脱扣是通过双金属片受热弯曲推动传动机构的一种脱扣方式，主要用于断路器中的过载长延时保护，也被广泛用于热继电器中。热脱扣的过载保护方法简单、体积小、成本低，可在一定程度上获得反时限保护特性。但由于双金属片材料及特性分散性较大、反时限特性单一、调整误差大、重复性差、易受环境温度影响误动或拒动等原因，很难满足过载保护要求。早在1994年国家经贸委就发出第六号令，要求立即淘汰基于热脱扣原理的JR0-JR16热继电器，1996年国家“八部委”联合发出文件，要求1997年12月31日前停止JR0-JR16热继电器的生产、销售和使用，直到2005年底发改委颁布的《产业结构调整指导目录》中还再次明令淘汰JR0-JR16热继电器。现在JR0-JR16很少见了，取而代之的是JR36，JR20等型号繁多（还有一些外国品牌）却基于相同的原理的热继电器。我们不得不面对的现实是，尽管国家三申五令，但热继电器的生产销售却有增无减，究其原因是多方面的，但与简单有效的热保护原理没有突破性进展不无关系。虽然“淘汰令”是针对热继电器的，但基于相同热脱扣原理的断路器所面临的问题是相同的。

目前，用于低压断路器过载保护的还有一种方式，即电子式过电流保护。它采用电流传感器检测过电流，配合单片机系统实现过载保护。与热保护相比，电子式过电流保护的主要优点在于保护特性多样且方便调节、不受环境温度影响、重复性和稳定性较好、便于智能化。然而，电流互感器多采用的是电磁式和空心式。电磁式电流互感器由于有铁心，测量大电流时铁心会饱和，尤其是在电机启动时，电流可达到额定电流的6~8倍，因此电磁式互感器对电流的测量范围有限，并且铁心损耗也会随着增加，产生高热，会损坏绝缘，要想保证绝缘，就必须增大尺寸，成本就会随之增加。空心式是一种采用罗柯夫斯基线圈的输出正比于电流导数原理制成的无铁心的空心线圈。虽然空心式不存在饱和现象，但是小电流测量时存在输出信号弱，并且测量精度易受环境温度影响，空心式电流互感器的结构与二次侧的线圈匝数密切相关，线圈骨架和匝数密度直接影响散热。除此之外，目前应用的过载保护系统由于有电流互感器的存在，其体积都比较大，因而从结构尺寸上限制了MCB、MCCB和热继电器等电器的智能化和小型化的发展。

发明内容

发明目的

针对以上问题，本发明提供一种基于热电混合式过载保护系统及其设计方法，解决热脱扣方式存在的弊端和影响或限制MCCB、MCB、热继电器等智能化进程的主要问题。

技术方案

一种基于热电混合式过载保护系统，其特征在于：该系统包括包括热元件、绝缘材料、温度传感器、单片机系统和电磁机构；热元件连接绝缘材料，绝缘材料连接温度传感器，温度传感器连接单片机系统，单片机系统连接开关。

在单片机系统上还连接有补偿温度传感器。

基于热电混合式过载保护系统的设计方法，其特征在于：该方法的步骤如下：首先，采用温度场和热路方程相结合的方法研究热元件与温度传感器之间的温度场分布以及绝缘材料和环境温度对热交换的影响，建立合理的热力学系统；

其次，建立传感器温度与主回路电流之间的动态数学模型，分析热力学参数对动态特性的影响，优化响应速度，并以该动态数学模型为基础，借由单片机完成过载电流与脱扣时间的递推算法研究，其中包括、、标准反时限、过反时限、超反时限等多种保护特性，完成根据温度测量电流的研究。采用环境温度补偿算法，对过载长延时保护特性的方法进行调整，完成微型热电混合式过载保护脱扣器的研究。

优点及效果

本发明所提出一种基于热电混合式过载保护系统及其设计方法，是一种简单有效的新方法。本发明能够达到电流过载保护的目的，同时还能减小电器设备的体积，避免大电流时铁心饱和，增大电流的监控范围。对MCB、MCCB、热继电器等的智能化、小型化也有重要的参考价值。

采用热电混合式过载保护有如下几个特点：

1）采用热元件和温度传感器组合代替电流互感器，不但可以减小体积，也可避免大电流时铁心饱和，增大电流测量范围。

2）电流过载保护特性由单片机通过算法完成，与双金属片单一的特性相比，易于实现保护特性的多样化。

3）采用环境温度补偿算法，可减少甚至消除环境温度的影响，提高重复性和稳定性。

电流转变成温度的过程有很强的滤波作用，可以有效减小电流中的高频干扰。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

附图标记说明：1-热元件，2-绝缘材料，3-温度传感器，4-补偿温度传感器，5-单片机系统，6-电磁机构。

图2是本发明的技术路线图。。

具体实施方式：

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明是一种基于热电混合式过载保护系统，该系统包括包括热元件1、绝缘材料2、温度传感器3、单片机系统5和电磁机构6；热元件1连接绝缘材料2，绝缘材料2连接温度传感器3，温度传感器3连接单片机系统5，单片机系统5连接开关。

在单片机系统5上还连接有补偿温度传感器4。

基于热电混合式过载保护系统的设计方法，该方法的步骤如下：首先，采用温度场和热路方程相结合的方法研究热元件与温度传感器之间的温度场分布以及绝缘材料和环境温度对热交换的影响，建立合理的热力学系统；

其次，建立传感器温度与主回路电流之间的动态数学模型，分析热力学参数对动态特性的影响，优化响应速度，并以该动态数学模型为基础，借由单片机完成过载电流与脱扣时间的递推算法研究，其中包括、、标准反时限、过反时限、超反时限等多种保护特性，完成根据温度测量电流的研究。采用环境温度补偿算法，对过载长延时保护特性的方法进行调整，完成微型热电混合式过载保护脱扣器的研究。

本发明是一种能够实现电器设备（如断路器、热继电器）过载保护的热电混合式系统结构，如图1所示，本发明首先通过热元件1来反映电流，绝缘材料2是导热性能好的绝缘材料，通过绝缘材料2将温度传递到温度传感器3，然后通过温度传感器3来将温度变换成电信号，考虑到环境温度的影响，采用补偿温度传感器4进行修正。最后，将电信号传送到单片机系统5，进行计算，然后发出相应指令，通过电磁机构6控制主回路的通断。由于其系统结构采用热元件和温度传感器组合代替电流互感器，减小了断路器的体积，同时增大了电流的测量范围，对MCB、MCCB和热继电器等的智能化和小型化有重要的参考价值。本发明的关键之处在于建立一个合理的借由单片机实现电流过载保护特性的递推算法，技术路线如图2所示，首先，提出热电混合式过载保护的系统结构和设计方法。然后，建立综合考虑绝缘材料热性能和环境温度的电流-温度动态数学模型。最后，根据保护特性的要求，研究多种过载保护特性的递推算法并进行仿真验证，最终达到过载保护的最优化控制。本发明的设计方法通过单片机的递推算法实现了电流的过载保护，适用性强，可靠性高。

Claims (3)

1.一种基于热电混合式过载保护系统，其特征在于：该系统包括包括热元件（1）、绝缘材料（2）、温度传感器（3）、单片机系统（5）和电磁机构（6）；热元件（1）连接绝缘材料（2），绝缘材料（2）连接温度传感器（3），温度传感器（3）连接单片机系统（5），单片机系统（5）连接开关。

2.根据权利要求1所述的基于热电混合式过载保护系统，其特征在于：在单片机系统（5）上还连接有补偿温度传感器（4）。

3.基于热电混合式过载保护系统的设计方法，其特征在于：该方法的步骤如下：首先，采用温度场和热路方程相结合的方法研究热元件与温度传感器之间的温度场分布以及绝缘材料和环境温度对热交换的影响，建立合理的热力学系统；

其次，建立传感器温度与主回路电流之间的动态数学模型，分析热力学参数对动态特性的影响，优化响应速度，并以该动态数学模型为基础，借由单片机完成过载电流与脱扣时间的递推算法研究，其中包括                                                、、标准反时限、过反时限、超反时限等多种保护特性，完成根据温度测量电流的研究；

采用环境温度补偿算法，对过载长延时保护特性的方法进行调整，完成微型热电混合式过载保护脱扣器的研究。