CN106356995B - 一种智能型塑料外壳式断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明目的是针对现有塑壳断路器的缺点，提供了一种智能型塑料外壳式断路器：主要由控制器模块、采集模块、电源模块和脱扣模块组成，其解决上述技术问题所采取的技术方案是：电源模块通过电流互感器感应三相供电线路而获得感应电流后连接控制电路控制电容周期性充/放电，从而获得输出电压；控制器模块通过控制电路控制采集模块对电网信号的采样频率；控制器模块根据采集到的电网数据后，输出逻辑电平信号，控制脱扣模块动作；电源模块为脱扣模块、控制器模块供电。本发明采用分段采样技术可同时精确测量大信号和小信号，能够提高其采样精度。电流采样回路使用全波整流，互感器产生的电流既可以给通信模块供电。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能型塑料外壳式断路器，适用于50~60Hz电网，使线路和电源设备免受过载、短路和接地等故障的危害，可有效保障低压配电电网的安全，是一种可靠、经济、高效运行的智能型断路器装置。
背景技术
为了适应电网容量的不断增大，低压配电与控制系统日益复杂化，对低压电器产品的性能与结构提出了更高的要求。要打造智能电网，必定离不开作为电网基础的低压配电系统与低压电器元件的智能化，而其起控制与保护作用的核心器件是断路器，因此塑壳断路器的智能化自然成了低压电器产业发展的趋势。
虽然国内断路器行业已经历经了几十年的发展，其生产、工艺水平较之刚开始已经有了翻天覆地的变化，但仍存在功能单一，测量误差大，保护特性误差也较大，用户又不能调节，不能联网和远距离控制等问题，且放眼世界，中国厂家的断路器水平在国际仍处于落后地位，国内高端市场长期被国外企业独霸，因此，研发、生产智能的低压断路器势在必行，以达到多功能、小型化、高分断、附件模块化、智能化、可通信、支持现场总线的目的，更有效的保障低压配电网系统的安全可靠性。
发明内容
本发明目的是针对现有塑壳断路器的缺点，研制一种可靠性和安全性高的智能断路器装置，满足采样、动作时间精度高、故障检测可靠、脱扣速度快等技术要求。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种智能型塑料外壳式断路器：包括控制器模块、采集模块、电源模块、脱扣模块、控制电路和全桥整流模块，其技术方案是：控制器模块通过控制电路控制采集模块对电网信号的采样频率；控制器模块根据采集模块采集到的电网数据输出逻辑电平信号，控制脱扣模块动作；
所述的电源模块包括电压生成模块和吸收控制模块，输出感应电流经过全桥整流模块整流后，其正极输出端连接电源模块为控制器模块和脱扣模块供电；其中，所述的全桥整流模块与电压生成模块之间连接有用于泄放大电流的吸收控制模块；所述的控制电路并联在吸收控制模块上，用于控制电压生成模块的输出电压。
其中，所述的采集模块用来采集电网信息：全桥整流模块直接连接电网，采集模块连接在全桥整流模块的负极输出端，对电网中采集的小信号通过十倍放大通道进行放大采样；大信号直接通过一倍采样通道进行采样，以提高采样精度；所述的控制电路连接在全桥整流模块的正极输出端，用于控制采集模块的工作频率。
其中，所述的电源模块采用自供电模式：感应电流经过全桥整流模块整流后正极输出端连接电压生成模块后输出供电电压Vcc为控制器模块供电；所述的电压生成模块与全桥整流模块之间连接有用于泄放大电流的吸收控制模块；所述的控制电路并联在吸收控制模块上，用于控制电压生成模块的电压。
其中，所述的控制电路为MOS管的漏极为输入端，MOS管的栅极连接到控制器模块上，作为控制端； MOS管的源极连接电阻并联在MOS管的栅极上；MOS管并联有保护二极管。
所述的一种智能型塑料外壳式断路器还包括参数存储模块、通信模块、参数设定模块，其技术方案是：参数存储模块连接控制器模块，用于存储采集模块采集的电网数据；参数设定模块连接至控制器模块，用于设定保护特性值；通信模块连接控制器模块，实现对断路器的遥控和采集数据的上传联网。
本发明采用分段采样技术可同时精确测量大信号和小信号，小信号通过十倍放大通道进行放大采样，能够提高其采样精度；大信号直接通过一倍采样通道进行采样，保证采样范围在额定值以内，能够可靠采样。电流采样回路使用全波整流，互感器产生的电流既可以给通信模块供电，又可以采用平均值计算的方法计算电流的有效值，简化了电路的同时也简化了电流算法。供电电源为互感器自生电源，可以随负载电流的增大自动开始工作，是一种理想的供电方式。同时，提供了通信接口，支持现场总线，可以实现各种故障报警、断路器在线监测，实现遥测、遥信和遥控功能，更适合于低压配、用电网的信息交换，实现电网的可靠、安全、经济、高效运行。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
图2为本发明中采样模块的框图。
图3为本发明中电源模块的框图。
图4为采样模块电路示意图。
图5为电源模块电路示意图。
图6参数设定模块电路示意图。
其中，1.采集模块；2.控制器模块；3.电源模块；4.脱扣模块；5. 参数存储模块；6.通信模块；7.参数设定模块；8.控制电路；9.全桥整流模块；10.辅助触点。
其中，101.十倍放大通道；102.一倍放大通道；301. 电压生成模块；302. 吸收控制模块302。
具体实施方式
如图1~3所示，一种智能型塑料外壳式断路器，包括控制器模块2、采集模块1、电源模块3、脱扣模块4、控制电路8和全桥整流模块9，其技术方案是：控制器模块2通过控制电路8控制采集模块1对电网信号的采样频率；控制器模块2根据采集模块1采集到的电网数据输出逻辑电平信号，控制脱扣模块4动作；
所述的电源模块3包括电压生成模块301和吸收控制模块302，输出感应电流经过全桥整流模块9整流后，其正极输出端连接电源模块3为控制器模块2和脱扣模块4供电；其中，所述的全桥整流模块9与电压生成模块301之间连接有用于泄放大电流的吸收控制模块302；所述的控制电路8并联在吸收控制模块302上，用于控制电压生成模块301的输出电压。
其中，所述的控制电路8为MOS管Q2的漏极为输入端，MOS管Q2的栅极连接到控制器模块2上，作为控制端，控制电源模块3中的电容充/放电和采样模块1采样； MOS管Q2的源极连接第六电阻R6并联在MOS管Q2的栅极上；MOS管Q2并联有保护二极管D1。
其中，所述的采集模块1用于采集电网信息：采集模块1连接在全桥整流模块9的负极输出端，对电网中采集的小信号通过十倍放大通道101进行放大采样；大信号直接通过一倍采样通道102进行采样，以提高采样精度；所述的控制电路8连接在全桥整流模块9的正极输出端，用于控制采集模块1的采样频率。
其中，所述的电源模块3中，感应电流经过全桥整流模块9整流后正极输出端连接电压生成模块301输出供电电压Vcc为控制器模块2供电；所述的全桥整流模块9与电压生成模块301之间连接有用于泄放大电流的吸收控制模块302，输出12v为脱扣装置4供电。
具体的， 如图4所示，所述的采集模块1中包括十倍放大通道101和一倍采样通道102，其中，电网信号通过全桥整流模块9后负极输出端连接采样电阻第一电阻R1后接地，同时并联由第二电阻R2和第一电容C1组成的R-C滤波电路后通过并联关系的十倍放大通道101和一倍采样通道102后连接至控制器模块2。
所述的大信号和小信号是指输入电压的幅值大小。
其中，十倍放大通道101由第三电阻R3、第五电阻R5和MCP6004中的一个运放组成；一倍采样通道102由第四电阻R4、第六电阻R6和MCP6004中的另一个运放组成；所述的第三电阻R3和第四电阻R4并联在第二电阻R2和第一电容C1之间。
所述的MCP6004是常用的四运算放大器。
所述的全桥整流模块9为MB6s。
采样时，控制电路8中的 MOS 管Q2在控制器装置2的控制下导通，使2欧的采样电阻第一电阻R1接在全桥整流模块9的负极输出端。如图3中，第一电阻R1电阻为采样电阻，使电流信号转为电压信号，第二电阻R2和第一电容C1为滤波电路，可以消除采样信号中的杂波，第四电阻R4、第六电阻R6和MCP6004的一个运放，构成了一个放大电路，放大倍数为15K/12K=1.25倍；同理，第三电阻R3、第五电阻R5和MCP6004的一个运放，构成了放大倍数为150K/12K=12.5倍的放大电路，由于智能塑壳控制器的采样范围比较广，从0—14倍的额定值，如果只是单纯的使用同一个放大倍数的电路，会使小信号时，电流计算不精确或者大信号时超过的控制器模块2的采样量程；而且一倍和十倍放大的电路采用并列的形式，可以有效的防止一级采样有误影响二级采样的情况，控制器模块2工作起来更稳定、更可靠。
具体的，如图5所示，所述的电源模块3中的吸收控制模块302用于吸收高于12v的电压，并泄放电压，使电压控制在12v，为脱扣模块4供电，其电路是：第一三极管Q1基极连接第五稳压二极管D5的正极；第五稳压二极管D5的负极连接第七电阻R7；第七电阻R7串联第八电阻R8后连接至第一三极管Q1的集电极；第一三级管Q1的发射极接地；同时第五稳压二极管D5的正极与第一三极管Q1的发射极并联第十一电阻R11；电流互感器从三相供电线路感应电流，经过全桥整流模块9整流后连接在第五稳压二极管D5的负极和第七电阻R7之间；第五稳压二极管D5的击穿电压为12 V。
所述的电压生成模块301用于生成5v电压，为控制器模块2供电，其电路是：电流互感器从三相供电线路感应电流，经过全桥整流模块9整流后正极连接第二二极管D2和第四二极管D4，第二二极管D2和第四二极管D4之间设置有接地的充电电容第三电容C3和第四电容C4；第四二极管D4的负极连接第三三极管Q3的集电极；第三三极管的基极连接第六稳压二极管D6的负极后连接第七二极管D7后接地；第三三极管Q3的发射极输出5V 的Vcc，为控制器模块2供电；所述的第三三极管Q3的基极连接第十电阻R10后连接至第三三极管Q3的集电极；第三三极管Q3的发射极通过第六电容C6与第七电容接地，进行滤波；第六稳压二极管D6的击穿电压为5V。
吸收控制模块302使用互感器的自生电源供电，电源只与通过母线电流有关，当三相运行电流达到0.1In 或单相运行电流达到0.2In时，吸收控制模块302即正常工作；当三相运行电流过大时，即电源能量过高时，吸收控制模块302会自动泄放电源能量，保证工作电源的稳定性，防止电子器件由于电压过高导致损坏。控制器模块2输出PWM波来控制电源模块3中的开关管接地，来实现电路中电压的稳定。
电流互感器分别从被保护线路感应得到交流电流，经过全桥整流模块9后，叠加得到直流输入电流，给充电电容第三电容C3和第四电容C4充电，使得电容两端的电压升高，当电压超过12V时，第五稳压二极管D5和第十一电阻R11构成的回路会导通；若电压继续升高，会使第十一电阻R11两端产生电压，会使第一三极管Q1导通，从而泄放一部分电流。但是如果持续大电流，会使电路烧坏，需要软件调节；控制器模块2的MOS_G端连接MOS管Q2的栅极，输出PWM控制信号，使MOS管Q2导通，泄露电流；当MOS_G信号为低电平时，MOS管Q2截止，输入电流可以为充电电容第三电容C3和第四电容C4充电，使电压升高，当MOS_G信号为高电平时，MOS管Q2导通，输入电流全部通过MOS管Q2流向地，第三电容C3和第四电容C4放电，使输出电压降低，第三电容C3和第四电容C4周期性的充放电可以实现电源的输出。
经过PWM调节得到的输出电压为12V，可以供脱扣装置4工作，但是控制器模块2工作电压为5V，还需要进一步的电源转换。+5V的电源由 第十电阻R10、第六稳压二极管D6、第七二极管D7、第三三极管Q3组成的限压器提供。因为当第三三极管 Q3 集电极电位大于5.7V 时，第三三极管Q3 的基极电位被限制在 5.7V，在 Vcc 带负载的情况下 第三三极管Q3 饱合导通，此时第三三极管 Q3 发射极电位为 5.7V-0.7V=5V，当第三三极管 Q3 集电极电位小于 5.7V 时，第三三极管Q3 的集电极电位与发射极电位相同。
所述的一种智能型塑料外壳式断路器还包括参数存储模块5、通信模块6、参数设定模块7，其技术方案是：参数设定模块7连接至控制器模块2，用于设定保护特性值，并将保护特性值存储至参数存储模块5中；通信模块6连接控制器模块2，实现对断路器的遥控和采集数据的上传联网；参数存储模块5连接控制器模块2，用于存储/读取采集模块采集的电网数据以及参数设定模块7输入的保护特性值。
所述的参数设定模块7由六个旋钮编码开关来完成，其使用功能分别为：Ir1调整、t1调整、Ir2调整、t2调整、Ir3调整、Ip调整、tp调整。旋钮编码开关为“8421”BCD编码，共10个编码位置。
本装置可灵活选择保护类型，并可对各保护类型的参数进行灵活修改与设置。可将装置配置为具有过载长延时、短路瞬时的两段保护特性的非选择型断路器，应用与配电线路或系统末端，直接连接用电设备，在短路或接地故障发生时，可以尽快甚至瞬间切断电路；可将装置配置为具有过载长延时、短路短延时和短路瞬时的三段保护特性的断路器，用于树干式或混合式配电方式的系统保护中。
在使用本装置时，首先要先计算被保护设施的最大短路电流。在短路保护中，要注意在负荷变化后及时调整保护的整定值，防止因为整定值过小而频繁跳闸，影响供电质量。或者整定值过大，使线路和设备得不到有效保护；在过载延时保护中，要充分考虑用电设备的额定电流，以及允许长时间通过的电流，过载有个热量积累的过程，保护动作要有选择性，对于短时过电流，保护但不动作，在过载一定时间范围内，保护动作，切断电源。
所述的控制装置2上还可以添加辅助触点10，增加设备功能扩展。
本装置还可与一些电气辅助装置和保护附件拼装在一起，扩展使用范围，比如组成带剩余电流动作保护的断路器、带分励脱扣的断路器、带欠压脱扣的断路器等等。 其中带剩余电流动作保护的断路器最为常见。它可使电子式漏电器体积更小、精度更高，并提高其灵敏度和抗干扰性。
在使用过程中，通过通信模块6可以支持现场总线，实现各种故障报警、断路器在线监测，实现遥测、遥信和遥控功能，更适合于低压配、用电网的信息交换，实现电网的可靠、安全、经济、高效运行。
Claims (6)
1.一种智能型塑料外壳式断路器，包括控制器模块（2）、采集模块（1）、电源模块（3）、脱扣模块（4）、控制电路（8）和全桥整流模块（9），其特征是：控制器模块（2）通过控制电路（8）控制采集模块（1）对电网信号的采样频率；控制器模块（2）根据采集模块（1）采集到的电网数据输出逻辑电平信号，控制脱扣模块（4）动作；
所述的电源模块（3）包括电压生成模块（301）和吸收控制模块（302），输出感应电流经过全桥整流模块（9）整流后，其正极输出端连接电源模块（3）为控制器模块（2）和脱扣模块（4）供电；其中，所述的全桥整流模块（9）与电压生成模块（301）之间连接有用于泄放大电流的吸收控制模块（302）；所述的控制电路（8）并联在吸收控制模块（302）上，用于控制电压生成模块（301）的输出电压；
所述的采集模块（1）用于采集电网信息，包括，十倍放大通道（101）、采样电阻（R1）和一倍采样通道（102），其中，采集模块（1）连接在全桥整流模块（9）的负极输出端，对电网中采集的小信号通过十倍放大通道（101）进行放大采样；大信号直接通过一倍采样通道（102）进行采样，以提高采样精度；所述的控制电路（8）连接在全桥整流模块（9）的正极输出端，用于控制采集模块（1）的采样频率。
2.根据权利要求1所述的一种智能型塑料外壳式断路器，其特征是：所述的控制电路（8）包括MOS管（Q2），其电路是： MOS管（Q2）的漏极作为输入端，MOS管（Q2）的栅极连接到控制器模块（2）上，作为控制端，输入PWM信号控制电源模块（3）内的电容充/放电和采样模块（1）采样频率； MOS管（Q2）的源极连接第六电阻（R6）并联在MOS管（Q2）的栅极上；MOS管（Q2）并联有保护二极管（D1）。
3.根据权利要求1所述的一种智能型塑料外壳式断路器，其特征是： 所述的采集模块（1）中，电网信号通过全桥整流模块（9）后负极输出端连接采样电阻第一电阻（R1）后接地，同时并联由第二电阻（R2）和第一电容（C1）组成的R-C滤波电路后，通过并联关系的十倍放大通道（101）和一倍采样通道（102）后连接至控制器模块（2）；其中，十倍放大通道（101）由第三电阻（R3）、第五电阻（R5）和MCP6004中的一个运放组成；一倍采样通道（102）由第四电阻（R4）、第六电阻（R6）和MCP6004中的另一个运放组成；所述的第三电阻（R3）和第四电阻（R4）并联在第二电阻（R2）和第一电容（C1）之间。
4.根据权利要求1所述的一种智能型塑料外壳式断路器，其特征是：所述的电压生成模块（301）为控制器模块（2）供电，其电路是：电流互感器从三相供电线路感应电流，经过全桥整流模块（9）整流后正极连接第二二极管（D2）和第四二极管（D4），第二二极管（D2）和第四二极管（D4）之间设置有接地的充电电容第三电容（C3）和第四电容（C4）；第四二极管（D4）的负极连接第三三极管（Q3）的集电极；第三三极管（Q3）的基极连接第六稳压二极管（D6）的负极后连接第七二极管（D7）后接地；第三三极管（Q3）的发射极为控制器模块（2）供电；所述的第三三极管（Q3）的基极连接第十电阻（R10）后连接至第三三极管（Q3）的集电极；第三三极管（Q3）的发射极通过第六电容（C6）与第七电容（C7）接地，进行滤波；第六稳压二极管（D6）的击穿电压为5V。
5.根据权利要求1所述的一种智能型塑料外壳式断路器，其特征是：所述的吸收控制模块（302）用于吸收高于12v的电压，并泄放电压，使电压控制在12v，为脱扣模块（4）供电，其电路是：第一三极管（Q1）基极连接第五稳压二极管（D5）的正极；第五稳压二极管（D5）的负极连接第七电阻（R7）；第七电阻（R7）串联第八电阻（R8）后连接至第一三极管（Q1）的集电极；第一三级管（Q1）的发射极接地；同时第一三极管（Q1）的发射极与基极之间设置有第十一电阻（R11）；电流互感器从三相供电线路感应电流，经过全桥整流模块（9）整流后连接在第五稳压二极管（D5）的负极和第七电阻（R7）之间；第五稳压二极管（D5）的击穿电压为12V。
6.根据权利要求1所述的一种智能型塑料外壳式断路器，还包括参数存储模块（5）、通信模块（6）、参数设定模块（7），其特征是：参数设定模块（7）连接至控制器模块（2），用于设定保护特性值，并将保护特性值存储至参数存储模块（5）中；通信模块（6）连接控制器模块（2），实现对断路器的遥控和采集数据的上传联网；参数存储模块（5）连接控制器模块（2），用于存储/读取采集模块采集的电网数据以及参数设定模块（7）输入的保护特性值。
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2016
- 2016-09-13 CN CN201610817378.XA patent/CN106356995B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103236678A (zh) * | 2012-11-15 | 2013-08-07 | 无锡智卓电气有限公司 | 一种塑壳断路器用智能化控制器 |
| CN105914878A (zh) * | 2016-04-28 | 2016-08-31 | 安徽征圣智能科技有限公司 | 一种永磁真空断路器过零分断检测装置 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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