CN109149508A - 一种断路器内部冗余保护结构及其保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种断路器内部冗余保护结构及其保护方法，断路器包括静触头、动触头、脱扣机构和主回路母排；静触头固定于断路器内部，脱扣机构带动动触头旋转；当脱扣机构位于未脱扣状态时，动触头与静触头接触，当脱扣机构位于脱扣状态时，动触头与静触头分离；主回路母排与动触头连接；主回路母排之上安装有与主回路母排并联的支路导线；支路导线上安装有电流互感器；断路器内部还安装有电磁瞬时保护结构、热过载长延时保护结构和电子式保护结构。本发明在原断路器的结构内部增加了另一个保护系统，使原有断路器具备了热电磁和电子两种保护方式，互为冗余，降低了原断路器单一保护方式可能出现的拒动概率，提高断路器保护的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及断路器，具体涉及一种断路器内部冗余保护结构及其保护方法。
背景技术
如图1、图2所示，目前断路器的保护有热电磁式、电子式保护方式，由于电子技术的发展和断路器小型化发展的原因，通常采用热电磁保护方式，或者采用电子保护方式。
热电磁保护是断路器早期大量使用的一种保护方式，结构简单，成本低，动作相对较可靠，但无法根据现场保护需求进行调整或精确调整，由于热保护是采用双金属热元件构成，在不同的温度环境下，容易产生较大的整定参数变化，从而造成断路器误动或拒动，影响断路器的保护功能。
电子式保护是由于电子技术的发展，特别是嵌入式微处理机技术发展而产生的一种新型保护技术，这种技术可以精确调整、控制被保护对象的设定参数，并且可以增加很多附加功能，是当前和未来大力推广的一种断路器保护技术，由于电子式保护需大量使用电子元器件，以弱电的方式进行信息采集、运算、处理和控制，而断路器是在强电场的使用环境，所以随着使用环境的变化，会出现电子元件的损坏或受强电场、强磁场的干扰而出现误动或拒动，影响断路器的保护功能。
随着人民生活水平的提高和智能电网的建设的要求，电网对供电的连续性提出了很高的要求，年平均停电率的指标也会越来越高，对断路器保护的可靠性相对也有了很高的要求，断路器的误动或拒动都将有可能造成大面积停电事故，这对电网公司和电力用户是难以接受的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种断路器内部冗余保护结构及其保护方法。
本发明的技术方案如下：
一种断路器内部冗余保护结构，断路器包括静触头、动触头、脱扣机构和主回路母排；静触头固定于断路器内部，脱扣机构带动动触头旋转；当脱扣机构位于未脱扣状态时，动触头与静触头接触，当脱扣机构位于脱扣状态时，动触头与静触头分离；
断路器内部还安装有电磁瞬时保护结构、热过载长延时保护结构和电子式保护结构；电磁瞬时保护结构包括衔铁，当电磁瞬时保护结构中感应到电磁力时，衔铁触发脱扣机构动作使之位于脱扣状态，之后动触头与静触头分离；热过载长延时保护结构包括双金属片，当双金属片发生形变时触发脱扣机构动作使之位于脱扣状态，之后动触头与静触头分离；电子式保护结构包括电子脱扣机构和线路板；线路板中安装有电源处理电路、电流采样电路和MCU；电源处理电路为电流采样电路和MCU提供电源；电流采样电路的输入端口连接至电流互感器的电流输出端；断路器的主回路中，电流采样电路的输出端口连接至MCU的信号输入端；MCU的信号输出端口连接至电子脱扣机构的信号输入端；当电子脱扣机构接收到MCU的触发信号，电子脱扣机构触发脱扣机构动作使之位于脱扣状态，之后动触头与静触头分离。
其进一步的技术方案为，主回路母排与动触头连接；主回路母排之上安装有与主回路母排并联的支路导线；支路导线上安装有电流互感器。
其进一步的技术方案为，所述MCU的型号是STM32F051。
其进一步的技术方案为，所述电源处理电路包括第一三端稳压器和第二三端稳压器；第一三端稳压器的输出端输出9V的电压，输送至线路板中的外围电路；第二三端稳压器的输出端输出3.3V电压，输送至MCU和电流采样电路。
其进一步的技术方案为，所述电流采样电路包括电路组成结构相同的A相电流采样电路、B相电流采样电路和C相电流采样电路；
电流采样电路组成结构为：包括两个电流输入端口；还包括第一运算放大器和第二运算放大器；
电流采样电路还包括有依次串联的第四采样电阻、第一采样电阻、第二采样电阻和第三采样电阻，此串联电路的一端连接至第一运算放大器的输出端，另一端连接参考电压源；第一运算放大器的反相输入端连接至第二采样电阻和第三采样电阻的公共端；第一运算放大器的正相输入端连接至第四采样电阻和第一采样电阻的公共端；第一电流输入端口连接至第一采样电阻和第二采样电阻的公共端；
电流采样电路还包括相串联的第五采样电阻和第六采样电阻；此串联电路一端连接至第一电流输入端口，另一端作为信号输出端；第二运算放大器的反相输入端连接至第五采样电阻和第六采样电阻的公共端，第二运算放大器的同相输入端连接至第二电流输入端口。
其进一步的技术方案为，所述MCU的型号是STM32F051；A相电流采样电路的第一信号输出端、第二信号输出端，B相电流采样电路的第一信号输出端、第二信号输出端，C相电流采样电路的第一信号输出端、第二信号输出端以此连接于MCU的第十三引脚至第十八引脚。
一种基于如上任一项所述的断路器内部冗余保护结构的保护方法，包括：
步骤1、在MCU中设置电流保护阈值；
步骤2、当电子式保护结构中的电路工作正常，断路器内的电子式保护结构对电路进行保护；电路主回路的电流经过支路导线分流，流经安装于支路导线上的电流互感器；电流互感器输出的电流经过电流采样电路，并在电流采样电路中转换为电压信号之后放大，输入至MCU；MCU进行运算，得到电路主回路的电流，与步骤1所设置的保护阈值相比较，如果判定为故障电流，则发出触发信号至电子脱扣机构，电子脱扣机构触发脱扣机构动作使之位于脱扣状态，之后动触头与静触头分离，分断故障电流；
步骤3、当电子式保护结构中的电路受到干扰或者损坏，无法正常保护电路时，则电磁瞬时保护结构和热过载长延时保护结构作为冗余保护结构对电路进行保护；
电磁瞬时保护结构的工作过程是，当主回路通过大于额定电流的过载电流时，电磁瞬时保护结构产生电磁力，推动衔铁触发脱扣机构动作使之位于脱扣状态，之后动触头与静触头分离，分断故障电流；
热过载长延时保护结构的工作过程是，当主回路通过大于额定电流的过载电流时，双金属片发生形变，触发脱扣机构动作使之位于脱扣状态，之后动触头与静触头分离，分断故障电流。
其进一步的技术方案为，在步骤3中，当主回路通过大于额定电流10倍的过载电流时，电磁瞬时保护结构开始动作；动作时间＜20ms。
其进一步的技术方案为，在步骤3中，当主回路通过大于额定电流1.3倍的过载电流时，热过载长延时保护结构开始动作；故障电流与动作时间成反比例关系。
本发明的有益技术效果是：
本发明技术在原断路器的结构内部增加了另一个保护系统，使原有断路器具备了热电磁和电子两种保护方式，互为冗余，降低了原断路器单一保护方式可能出现的拒动概率，提高断路器保护的可靠性。
本发明将热电磁保护和电子保护技术融合与一体，在断路器额定电流范围内互为冗余，取长补短，使被保护设备的整定参数精确可调，动作可靠，一种保护方式拒动另一种保护方式可作为后备保护，两种保护方式的长处得到充分发挥，提高断路器保护的可靠性，将电网故障控制在最小范围内。
使用了本发明所述的技术的产品，在出厂保护参数整定时考虑到热电磁系统的不易调整性，可将热电磁系统的参数整定在略大于电子保护的整定参数，作为后备保护，由于电子保护的可调性，很容易将参数整定用户所需的范围，这个系统既方便了用户，又提高了断路器的可靠性，使电网系统运行更加安全可靠。
附图说明
图1是断路器内热电磁式保护的原理示意图。
图2是断路器内电子式保护的原理示意图。
图3是本发明的结构示意图。
图4是本发明的原理示意图。
图5是主回路母排之上安装的支路导线的示意图。
图6是主回路母排之上安装的支路导线的工作原理图。
图7是MCU的电路图。
图8是电源处理电路的电路图。
图9是A相电流采样电路的电路图。
图10是B相电流采样电路的电路图。
图11是C相电流采样电路的电路图。
具体实施方式
图3是本发明的结构示意图。图4是本发明的原理示意图。如图3、图4所示，断路器包括静触头1、动触头2、脱扣机构3和主回路母排9。静触头1固定于断路器内部，脱扣机构3带动动触头3旋转。当脱扣机构3位于未脱扣状态时，动触头2与静触头1接触，当脱扣机构3位于脱扣状态时，动触头2与静触头1分离。主回路母排9与动触头3连接。
优选的，主回路母排9之上还安装有与主回路母排9并联的支路导线。支路导线上安装有电流互感器8。图5是主回路母排之上安装的支路导线的示意图。图6是主回路母排之上安装的支路导线的工作原理图。
在图5中，在断路器的主回路母排9之上增加一个支路导线81，并在支路导线81之上加装一个穿心式的电流互感器8，支路导线81的电阻应该是主回路母排9并联点82间电阻的n倍，使流过支路导线81的电流是主回路母排9电流1/n。
在图6中，主回路母排9的电压、电流、电阻分别为U、I、R；支路导线81的电压、电流、电阻分别为u、i、r。根据欧姆定律U＝IR，又：并联电路U＝u；则：IR＝ir；确定R:r＝n:1；则：i＝1/nI。
如图5、图6所示，支路导线的存在，将需要采样的电流缩小到主回路的1/n，则可以使用小型化的电流互感器，其输出的信号既不失真又能保证线性度，大大提高了测量电流的精度。又由于采用了更加小型化的电流互感器，相对于传统的互感器更加节省物料，也进一步降低了产品成本，也满足了节能减排的需要。
断路器内部还安装有电磁瞬时保护结构、热过载长延时保护结构和电子式保护结构。
电磁瞬时保护结构包括衔铁5，当电磁瞬时保护结构中感应到电磁力时，衔铁5触发脱扣机构3动作使之位于脱扣状态，之后动触头2与静触头1分离。
热过载长延时保护结构包括双金属片4，当双金属片4发生形变时触发脱扣机构3动作使之位于脱扣状态，之后动触头2与静触头1分离。
电子式保护结构包括电子脱扣机构6和线路板7。
线路板7中安装有电源处理电路、电流采样电路和MCU。电源处理电路为电流采样电路和MCU提供电源。电流采样电路的输入端口连接至电流互感器8的电流输出端。断路器的主回路中，电流采样电路的输出端口连接至MCU的信号输入端。MCU的信号输出端口连接至电子脱扣机构6的信号输入端。当电子脱扣机构6接收到触发信号时，电子脱扣机构6触发脱扣机构3动作使之位于脱扣状态，之后动触头2与静触头1分离
图7是MCU的电路图。如图7所示，在本实施例中，MCU U7的型号是STM32F051。
图8是电源处理电路的电路图。如图8所示，电源处理电路包括第一三端稳压器U1和第二三端稳压器U2。在本实施例中，第一三端稳压器U1的型号7809，第二三端稳压器U2的型号是LD1117。第一三端稳压器U1的输出端VCC1输出9V的电压，输送至线路板7中的外围电路。第二三端稳压器U2的输出端VDD输出3.3V电压，输送至MCU U7和电流采样电路。
电流采样电路包括电路组成结构相同的A相电流采样电路、B相电流采样电路和C相电流采样电路。图9是A相电流采样电路的电路图。图10是B相电流采样电路的电路图。图11是C相电流采样电路的电路图。如图9～图11所示，三个电流采样电路结构相同。
以图9所示的A相电流采样电路的电路图为例，A相电流采样电路包括第一电流输入端口IA1I、第二电流输入端口IA2I。还包括第一运算放大器114A和第二运算放大器114B。
A相电流采样电路包括有依次串联的第四采样电阻R8、第一采样电阻R5、第二采样电阻R6和第三采样电阻R7，此串联电路的一端连接至第一运算放大器114A的输出端，另一端连接参考电压源REF；第一运算放大器114A的反相输入端连接至第二采样电阻R6和第三采样电阻R7的公共端；第一运算放大器114A的正相输入端连接至第四采样电阻R8和第一采样电阻R5的公共端；电流输入端口IA1I连接至第一采样电阻R5和第二采样电阻R6的公共端；
A相电流采样电路还包括串联的第五采样电阻R9和第六采样电阻R10。此串联电路一端连接至电流输入端口IA1I，另一端作为信号输出端IA2。第二运算放大器114B的反相输入端连接至第五采样电阻R9和第六采样电阻R10的公共端，二运算放大器114B的同相输入端连接至电流输入端口IA2I。
在本实施例中，MCU U7的型号是STM32F051。A相电流采样电路中，信号输出端IA1连接至MCU U7的第十三引脚，信号输出端IA2连接至MCU U7的第十四引脚，B相电流采样电路中，信号输出端IB1连接至MCU U7的第十五引脚，信号输出端IB2连接至MCU U7的第十六引脚，C相电流采样电路中，信号输出端IC1连接至MCU U7的第十七引脚，信号输出端IC2连接至MCU U7的第十八引脚。
一种基于上述的断路器内部冗余保护结构的保护方法，具体包括：
步骤1、在MCU U7中设置电流保护阈值。阈值具体是指设置在MCU U7中的三段保护整定值，包括电流三段保护、不平衡电流、断相保护等。
步骤2、需要保护的电路工作正常，断路器内的电子式保护结构对电路进行保护；电路主回路的电流经过支路导线81分流，流经安装于支路导线81上的电流互感器8；电流互感器8输出的电流经过电流采样电路，并在电流采样电路中转换为电压信号之后放大，输入至MCU U7；MCU U7进行运算，得到电路主回路的电流，与步骤1所设置的保护阈值相比较，如果判定为故障电流，则MCU U7对电子脱扣机构6发出触发信号，进而触发脱扣机构3动作使之位于脱扣状态，之后动触头2与静触头1分离，分断故障电流；
步骤3、当电子式保护结构中的电路受到干扰或者损坏，无法正常工作，则电磁瞬时保护结构和热过载长延时保护结构作为冗余保护结构开始工作；
电磁瞬时保护结构的工作过程是，当主回路通过大于额定电流的过载电流时，电磁瞬时保护结构产生电磁力，推动衔铁5触发脱扣机构3动作使之位于脱扣状态，之后动触头2与静触头1分离，分断故障电流；
热过载长延时保护结构的工作过程是，当主回路通过大于额定电流的过载电流时，双金属片4发生形变，触发脱扣机构3动作使之位于脱扣状态，之后动触头2与静触头1分离，分断故障电流。
进一步的，在步骤3中，当主回路通过大于额定电流的过载电流时，通常是大于10倍额定电流的过载电流时，电磁瞬时保护结构开始动作；动作时间＜20ms。
进一步的，当主回路通过大于额定电流1.3倍的过载电流时，热过载长延时保护结构开始动作；故障电流与动作时间成反比例关系，动作时间一般几秒～几分钟，故障电流越大，动作时间越短。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种断路器内部冗余保护结构，其特征在于，断路器包括静触头(1)、动触头(2)、脱扣机构(3)和主回路母排(9)；静触头(1)固定于断路器内部，脱扣机构(3)带动动触头(3)旋转；当脱扣机构(3)位于未脱扣状态时，动触头(2)与静触头(1)接触，当脱扣机构(3)位于脱扣状态时，动触头(2)与静触头(1)分离；
断路器内部还安装有电磁瞬时保护结构、热过载长延时保护结构和电子式保护结构；电磁瞬时保护结构包括衔铁(5)，当电磁瞬时保护结构中感应到电磁力时，衔铁(5)触发脱扣机构(3)动作使之位于脱扣状态，之后动触头(2)与静触头(1)分离；热过载长延时保护结构包括双金属片(4)，当双金属片(4)发生形变时触发脱扣机构(3)动作使之位于脱扣状态，之后动触头(2)与静触头(1)分离；电子式保护结构包括电子脱扣机构(6)和线路板(7)；线路板(7)中安装有电源处理电路、电流采样电路和MCU(U7)；电源处理电路为电流采样电路和MCU(U7)提供电源；电流采样电路的输入端口连接至电流互感器(8)的电流输出端；断路器的主回路中，电流采样电路的输出端口连接至MCU(U7)的信号输入端；MCU(U7)的信号输出端口连接至电子脱扣机构(6)的信号输入端；当电子脱扣机构(6)接收到MCU(U7)的触发信号，电子脱扣机构(6)触发脱扣机构(3)动作使之位于脱扣状态，之后动触头(2)与静触头(1)分离。
2.如权利要求1所述的断路器内部冗余保护结构，其特征在于，主回路母排(9)与动触头(3)连接；主回路母排(9)之上安装有与主回路母排(9)并联的支路导线；支路导线上安装有电流互感器(8)。
3.如权利要求1所述的断路器内部冗余保护结构，其特征在于，所述MCU(U7)的型号是STM32F051。
4.如权利要求1所述的断路器内部冗余保护结构，其特征在于，所述电源处理电路包括第一三端稳压器(U1)和第二三端稳压器(U2)；第一三端稳压器(U1)的输出端输出9V的电压，输送至线路板(7)中的外围电路；第二三端稳压器(U2)的输出端输出3.3V电压，输送至MCU(U7)和电流采样电路。
5.如权利要求1所述的断路器内部冗余保护结构，其特征在于，所述电流采样电路包括电路组成结构相同的A相电流采样电路、B相电流采样电路和C相电流采样电路；
电流采样电路组成结构为：包括两个电流输入端口；还包括第一运算放大器和第二运算放大器；
电流采样电路还包括有依次串联的第四采样电阻、第一采样电阻、第二采样电阻和第三采样电阻，此串联电路的一端连接至第一运算放大器的输出端，另一端连接参考电压源；第一运算放大器的反相输入端连接至第二采样电阻和第三采样电阻的公共端；第一运算放大器的正相输入端连接至第四采样电阻和第一采样电阻的公共端；第一电流输入端口连接至第一采样电阻和第二采样电阻的公共端；
电流采样电路还包括相串联的第五采样电阻和第六采样电阻；此串联电路一端连接至第一电流输入端口，另一端作为信号输出端；第二运算放大器的反相输入端连接至第五采样电阻和第六采样电阻的公共端，第二运算放大器的同相输入端连接至第二电流输入端口。
6.如权利要求4所述的断路器内部冗余保护结构，其特征在于，所述MCU(U7)的型号是STM32F051；A相电流采样电路的第一信号输出端、第二信号输出端，B相电流采样电路的第一信号输出端、第二信号输出端，C相电流采样电路的第一信号输出端、第二信号输出端以此连接于MCU(U7)的第十三引脚至第十八引脚。
7.一种基于权利要求1～6任一项所述的断路器内部冗余保护结构的保护方法，其特征在于包括：
步骤1、在MCU(U7)中设置电流保护阈值；
步骤2、当电子式保护结构中的电路工作正常，断路器内的电子式保护结构对电路进行保护；电路主回路的电流经过支路导线分流，流经安装于支路导线上的电流互感器(8)；电流互感器(8)输出的电流经过电流采样电路，并在电流采样电路中转换为电压信号之后放大，输入至MCU(U7)；MCU(U7)进行运算，得到电路主回路的电流，与步骤1所设置的保护阈值相比较，如果判定为故障电流，则发出触发信号至电子脱扣机构(6)，电子脱扣机构(6)触发脱扣机构(3)动作使之位于脱扣状态，之后动触头(2)与静触头(1)分离，分断故障电流；
步骤3、当电子式保护结构中的电路受到干扰或者损坏，无法正常保护电路时，则电磁瞬时保护结构和热过载长延时保护结构作为冗余保护结构对电路进行保护；
电磁瞬时保护结构的工作过程是，当主回路通过大于额定电流的过载电流时，电磁瞬时保护结构产生电磁力，推动衔铁(5)触发脱扣机构(3)动作使之位于脱扣状态，之后动触头(2)与静触头(1)分离，分断故障电流；
热过载长延时保护结构的工作过程是，当主回路通过大于额定电流的过载电流时，双金属片(4)发生形变，触发脱扣机构(3)动作使之位于脱扣状态，之后动触头(2)与静触头(1)分离，分断故障电流。
8.如权利要求7所述的护方法，其特征在于，在步骤3中，当主回路通过大于额定电流10倍的过载电流时，电磁瞬时保护结构开始动作；动作时间＜20ms。
9.如权利要求7所述的护方法，其特征在于，在步骤3中，当主回路通过大于额定电流1.3倍的过载电流时，热过载长延时保护结构开始动作；故障电流与动作时间成反比例关系。
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