CN107680843A - 一种电能表外置断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电能表外置断路器，该断路器中的电操机构包括传动机构、脱扣机构，所述传动机构中包括电源模块、电机驱动模块、直流电机、蜗轮蜗杆、齿轮一、齿轮二、齿轮三、扇形齿轮以及连动件；所述的直流电机带动蜗轮蜗杆转动；齿轮三与蜗轮蜗杆啮合，所述的传动机构采用蜗轮蜗杆带动齿轮三转动，齿轮三与齿轮一啮合，带动齿轮一转动，齿轮二与扇形齿轮啮合，带动扇形齿轮转动，旋转角度为80‑95°。该电能表外置断路器受电能表信号控制或远程信号控制而智能分闸或合闸，同时对线路起过载和短路保护作用，也可以在正常情况下作为线路的不频繁操作，广泛用于国家电网智能化改造中。
Description
技术领域
本发明涉及断路器技术领域，尤其涉及一种电能表外置断路器。
背景技术
近年来，随着电压源型高压变流器等技术的迅速发展，国内外对柔性多端高压直流输电系统、直流输配电网及相关技术的研究正日益深入。与传统交流输电系统相比，直流输电系统不但具有线路损耗低、传输容量大、传输距离远，以及不存在系统同步运行稳定性问题等优点，而且便于可再生能源电源联网，充分提高可再生能源的利用率。实现柔性多端直流输电系统及直流输配电网的工程化应用还需解决一系列关键技术难题，其中之一就是高压直流断路器的研发。
研发高压直流断路器存在两大技术难题：①直流电流没有自然过零点，直流电弧不易熄灭；②直流系统阻抗较之交流系统要小得多，其短路电流增长极快。近年来，高压直流断路器受到国内外研究者的广泛关注，进行了诸多理论研究，并研制出了相应的样机与产品。
机械式高压直流断路器的试验样机主要出现在20世纪70至80年代：1984年2月，BBC公司研制出的500kV/2.2kA机械式高压直流断路器在美国太平洋直流联络工程的CELILO换流站进行了现场测试；1985年，日立公司研制出250kV/8kA直流断路器并进行了实验室测试，东芝公司也研制出了24kV/100kA的真空直流开断装置；2000年，ABB公司和波兰Lodz大学合作开发了用于牵引系统的3kV/60kA真空直流开断装置的试验样机。由于机械式高压直流断路器在实现上存在较大的技术难度，20世纪80年代开始，人们开始研究全固态型和混合型直流断路器实现技术并研制出实用化工业样机：1987年美国德克萨斯州大学研制出一台200V/15A全固态直流断路器，2005年美国电力电子系统研究中心研制出2.5kV/1.5kA和4.5kV/4kA全固态直流断路器样机，2012年底ALSTOM公司研制出120kV/1.5kA、最大开断电流达7.5kA的全固态直流断路器样机；2006年瑞典的JeanMeyer与AlfredRufer研制出基于集成门极换向晶闸管(IGCT)与快速开关机构的4kA/1.5kV混合式直流断路器样机并进行了实验，2011年意大利运用IGCT串并联技术结合机械开关研制出1.5kV/10kA的混合式直流断路器样机并进行了实验测试，2012年ElenaGaio和AlbertoMaistrello等人合作研制出25.7kA/2.8kV的混合式直流断路器样机并运用于日本JT-60SA超导电磁系统，2012年11月ABB公司研制出基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)阀组串联技术与快速机械开关的开断能力9kA、开断时间5ms的320kV/2.6kA混合式直流断路器。国内针对高压直流断路器也开展了一些研究，但迄今仍处于原理性小样机试制和验证阶段。
目前电能表外置断路器存在以下两个急需解决的问题：
1)电源非隔离模式，采用控制开关电源方式，存在后端的电解电容固化风险；
2)成本控制也是这个产品的能持续保持竞争力的主要因素，通过不断研究最新技术，持续降低产品成本也是研发人员需要关心的重点。在满足泄漏电流的技术要求前提下，保持开关电源的长期稳定可靠的工作，是设计研究电能表外置断路器的发展方向。
发明内容
本发明提出了一种电能表外置断路器，该断路器优化性能设计并大幅降低成本，该电能表外置断路器由2P或4P高分断小型断路器和18mm宽的标准1P智能电操(模块)机构拼装而成，适用于交流50Hz(或60Hz)，额定电压230/400V，额定电流至80A的线路中。该电能表外置断路器受电能表信号控制或远程信号控制而智能分闸或合闸，同时对线路起过载和短路保护作用，也可以在正常情况下作为线路的不频繁操作，广泛用于国家电网智能化改造中。
本发明所采用的技术方案如下：
一种电能表外置断路器，该断路器中的电操机构包括传动机构、脱扣机构，其特征在于：
所述传动机构中包括电源模块、电机驱动模块、直流电机、蜗轮蜗杆、齿轮一、齿轮二、齿轮三、扇形齿轮以及连动件；
所述的直流电机带动蜗轮蜗杆转动；
齿轮三与蜗轮蜗杆啮合，所述的传动机构采用蜗轮蜗杆带动齿轮三转动，齿轮三与齿轮一啮合，带动齿轮一转动，齿轮二与扇形齿轮啮合，带动扇形齿轮转动，旋转角度为80-95°；
该电机驱动模块由电源单元和电机单元组成；
其中，该电源单元包括一个KC优先的二选一单元和一个5V电源单元，该二选一单元的第一端口连接在4P输入侧板的自断路器输入端L，其第二端口连接在费控电表的自电表控制KC端，其第三端口与5V电源单元相连接，该5V电源单元的一端与自断路器输入端N相连接。该电机单元包括控制开关、电机驱动单元和12V电源单元，该控制开关采用二极管来实现，该二极管一端与自断路器输入端L相连，其另一端与12V电源单元相连，该12V电源单元的一端与自断路器输入端N相连，电机驱动单元的控制接口与MCU相连，接收来自MCU的指令。
优选地，该电源模块有多个二极管MM3Z5V1T1G、多个三极管MMBTA44以及电阻和电容组成，用于提供稳定的+5V输出电压。
优选地，该电机驱动模块采用DM0365RNB作为主芯片。
优选地，合闸过程中触发固态开关使其导通，紧接着闭合机械开关使其在零电压下导通，确认导通后关断固态开关使其退出运行；开关闭合后在限流电感的作用下，直流电流逐渐从零上升到稳态值，限流电感在合闸初期阶段充磁过程具有抑制直流电流上升率的作用，对合闸过程起到了缓冲作用。
优选地，远程自动合闸时间≤3s，智能电操机构的静态功能＜0.2mA。
优选地，设有自动、手动两种工作模式，并有LED指示灯，侧面设有合闸信号(C)和反馈信号(F)的标准接口。
本发明的技术方案所能获得的有益效果包括：
1)需接收远程控制信号(如电能表控制信号等)来实现远程重合闸功能具有短路、过载保护功能，设有自动、手动两种工作模式，并有LED指示灯(亮为正常有费状态)，侧面设有合闸信号(C)和反馈信号(F)的标准接口；
2)在任何状态下，接收分闸命令脱扣后，人功手动将无法合闸，内部触头始终处于断开位置，有记忆功能，当停电后再次来电，产品始终保持停电时的工作状态；
3)远程自动合闸时间≤3s，智能电操(模块)机构的静态功能＜0.2mA，处于“用户欠费”状态下，内部触头始终处于断开位置，人功手动将无法合闸，产品采用内部轴同步传动方式实现自动合闸功能。
附图说明
图1为该电能表外置断路器的组成原理图；
图2为该电能表外置断路器中电操机构的结构示意图；
图3为该电能表外置断路器中电操传动结构的位置示意图；
图4为该电能表外置断路器中电操机构的电路示意图；
图5为电操机构中的电源模块的电路示意图；
图6为电操机构中的电机驱动模块的电路示意图。
附图标记如下：1扇形齿轮、2齿轮一、6齿轮二、4齿轮三、3连动件以及5蜗轮蜗杆。
具体实施方式
为了更好的说明本发明，现结合具体实施例以及说明书附图对技术方案作进一步的说明。虽然实施例中记载了这些具体的实施方式，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
该电能表外置断路器的外形结构图如图1所示。按照GB/T 21706-2008和Q/GDW11421-2015中关于尺寸配合的要求，导轨平面到操作件最远端的距离不应超过73mm，图中左侧为80A以下断路器，右侧为80A以上断路器，具体尺寸如图中所示。
图2为该电能表外置断路器中电操机构的结构示意图。该电操机构中包括传动机构、脱扣机构，传动机构中包括电源模块、电机驱动模块、直流电机、蜗轮蜗杆5、齿轮一2、齿轮二6、齿轮三4、扇形齿轮1以及连动件3；所述的直流电机带动蜗轮蜗杆转动；齿轮三与蜗轮蜗杆啮合，所述的传动机构采用蜗轮蜗杆带动齿轮三转动，齿轮三与齿轮一啮合，带动齿轮一转动，齿轮二与扇形齿轮啮合，带动扇形齿轮转动，旋转角度为80-95°。
图3为该电能表外置断路器中电操传动结构的位置示意图。左侧的图中示出了合闸允许的位置，在左侧图中操作手柄处于自由状态，可手工分合闸。右侧的图中示出了分闸位置，在右侧图中，操作手柄处于分闸状态，手工无法合闸。合闸过程中触发固态开关使其导通，紧接着闭合机械开关使其在零电压下导通，确认导通后关断固态开关使其退出运行；开关闭合后在限流电感的作用下，直流电流逐渐从零上升到稳态值，亦即限流电感在合闸初期阶段(充磁过程)具有抑制直流电流上升率的作用，相当于对合闸过程起到了缓冲作用。合闸过程结束后，直流电源经机械开关向负载供电，限流电感只对直流纹波具有平抑作用，因此装置通态压降与损耗均很小。分闸过程中包括正常分闸与短路分闸过程，其工作原理相对复杂。正常分闸与短路分闸过程基本相同，区别只是前者分断正常工作电流，而后者分断短路电流(限流电抗参与抑制初期短路电流上升率)。
图4为该电能表外置断路器中电操机构的电路示意图。该电机驱动模块由电源单元和电机单元组成。其中，该电源单元包括一个KC优先的二选一单元和一个5V电源单元，该二选一单元的第一端口连接在4P输入侧板的自断路器输入端L，其第二端口连接在费控电表的自电表控制KC端，其第三端口与5V电源单元相连接，该5V电源单元的一端与自断路器输入端N相连接。该电机单元包括控制开关、电机驱动单元和12V电源单元，该控制开关采用二极管来实现，该二极管一端与自断路器输入端L相连，其另一端与12V电源单元相连，该12V电源单元的一端与自断路器输入端N相连，电机驱动单元的控制接口与MCU相连，接收来自MCU的指令。
图5为电操机构中的电源模块的电路示意图。该电源模块有多个二极管MM3Z5V1T1G、多个三极管MMBTA44以及电阻和电容组成，用于提供稳定的+5V输出电压，保证MCU的正常工作。
图6为电操机构中的电机驱动模块的电路示意图。该电机驱动模块采用DM0365RNB作为主芯片。
该电能表外置断路器的使用环境如下：
◆环境温度：-25℃～+65℃；
◆海拔：不超过2000m；
◆污染等级：2级；
◆防护等级：IP20；
◆安装类别：II类及III类；
◆安装方式：采用35mm宽安装导轨垂直安装，任何方向充差2°；
◆接线方式：用螺栓压紧接线，拧紧力矩2.5N.m。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。
Claims (6)
1.一种电能表外置断路器，该断路器中的电操机构包括传动机构、脱扣机构，其特征在于：
所述传动机构中包括电源模块、电机驱动模块、直流电机、蜗轮蜗杆、齿轮一、齿轮二、齿轮三、扇形齿轮以及连动件；
所述的直流电机带动蜗轮蜗杆转动；
齿轮三与蜗轮蜗杆啮合，所述的传动机构采用蜗轮蜗杆带动齿轮三转动，齿轮三与齿轮一啮合，带动齿轮一转动，齿轮二与扇形齿轮啮合，带动扇形齿轮转动，旋转角度为80-95°；
该电机驱动模块由电源单元和电机单元组成；
其中，该电源单元包括一个KC优先的二选一单元和一个5V电源单元，该二选一单元的第一端口连接在4P输入侧板的自断路器输入端L，其第二端口连接在费控电表的自电表控制KC端，其第三端口与5V电源单元相连接，该5V电源单元的一端与自断路器输入端N相连接。该电机单元包括控制开关、电机驱动单元和12V电源单元，该控制开关采用二极管来实现，该二极管一端与自断路器输入端L相连，其另一端与12V电源单元相连，该12V电源单元的一端与自断路器输入端N相连，电机驱动单元的控制接口与MCU相连，接收来自MCU的指令。
2.根据权利要求1所述的电能表外置断路器，其特征在于：该电源模块由多个二极管MM3Z5V1T1G、多个三极管MMBTA44以及电阻和电容组成，用于提供稳定的+5V输出电压。
3.根据权利要求2所述的电能表外置断路器，其特征在于：该电机驱动模块采用DM0365RNB作为主芯片。
4.根据权利要求1或3所述的电能表外置断路器，其特征在于：合闸过程中触发固态开关使其导通，紧接着闭合机械开关使其在零电压下导通，确认导通后关断固态开关使其退出运行；开关闭合后在限流电感的作用下，直流电流逐渐从零上升到稳态值，限流电感在合闸初期阶段充磁过程具有抑制直流电流上升率的作用，对合闸过程起到了缓冲作用。
5.根据权利要求4所述的电能表外置断路器，其特征在于：远程自动合闸时间≤3s，智能电操机构的静态功能＜0.2mA。
6.根据权利要求5所述的电能表外置断路器，其特征在于：设有自动、手动两种工作模式，并有LED指示灯，侧面设有合闸信号(C)和反馈信号(F)的标准接口。
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