CN112185778A - 一种具有自愈功能的空气断路器自动重合装置 - Google Patents
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Abstract
一种具有自愈功能的空气断路器自动重合装置，包括电源模块、主控单元、通信单元、故障采集单元、合闸控制单元、输入、输出电压采集调理电路组成；所述电源模块用来给断路器自动重合闸控制系统供电；所述主控单元用来完成故障类型判别以及发出指令进行通信和重新合闸操作；所述通信单元利用主控单元将断路器跳闸原因以及断路器工作状态及时的发送给运维人员，输入、输出电压采集调理电路完成断路器输入和输出电压有效值的采集，通过主控单元来判断输电线路电压是否正常以及断路器的工作状态。本发明使传统断路器具备自动重合闸和远程通信功能，时效性好，安全性高，大幅度减轻了工作人员的重新合闸工作量和停电造成的经济损失。
Description
技术领域
本发明涉及通用万能式低压断路器自动重合闸控制系统领域，更具体地，涉及一种具有自愈功能的空气断路器自动重合装置。
背景技术
随着电网低压基础负荷的不断增加而导致的低压故障也越来越多，但多数低压断路器不具备自动重合闸功能，跳闸后需要工作人员现场处理，导致工作人员任务量大，同时使得供电中断时间较长。结合目前常见的万能式低压断路器，主要存在以下问题：
目前多数变电所均无人值守，当系统停电后断路器失压断开，系统恢复送电后需人员到现场完成手动合闸，断路器无法实现自动合闸，由于变电所分布在城市的各个地方，工作人员手动重新合闸工作量大，耗时长，用户或企业由于停电造成经济损失严重。
目前多数改造的具备自动重合闸功能的断路器主要通过替代原有断路器的主控制器和利用互感器增加电量信息采集等电路实现，改造工作量大、系统繁杂且改造成本较高。
目前多数改造的具有通信功能的断路器只具备现场操作功能，如在原有断路器的基础上增加了液晶显示功能、蓝牙通信功能、NFC功能或485通信功能，人员需要到场查看或通信距离受限，具备IOT等物联网通信功能的断路器虽传输距离不受限制，但在系统停电时存在无法及时将相关信息传送给平台或运维人员等缺点。
目前具备自动重合闸功能的断路器在系统发生短路或过流等故障时，多数断路器采用延时控制的方法进行重新合闸操作，当系统处于非暂时性故障时该控制方法易造成故障扩散或引发意外伤及人身安全，安全性较低。
发明内容
本发明提供一种具有自愈功能的空气断路器自动重合装置，保障了供电的时效性和安全性，实现了智能化操作，减轻了合闸任务量。
本发明所采用的技术方案为：
一种具有自愈功能的空气断路器自动重合装置，该装置包括电源模块、主控单元、通信单元、故障采集单元、合闸控制单元、输入电压采集调理电路以及输出电压采集调理电路组成；
所述电源模块用来给断路器自动重合闸控制系统供电；
所述主控单元用来完成故障类型判别以及发出指令进行通信和重新合闸操作；
所述通信单元利用主控单元将断路器跳闸原因以及断路器工作状态及时的发送给运维人员，当电力系统处于非瞬时故障时，待故障排出后运维人员可通过短信形式控制断路器重新合闸；
所述合闸控制单元由电磁铁推拉器、储能电机开关以及合闸开关组成，得到主控单元电网故障消除的指令后，电磁铁推拉器用来完成复位按钮复位的操作，同时主控单元发出指令使电机储能开关为断路器储能，待储能完成后控制合闸开关完成自动合闸操作；
输入电压采集调理电路和输出电压采集调理电路完成断路器输入和输出电压有效值的采集，通过主控单元来判断输电线路电压是否正常以及断路器的工作状态。
所述电源模块包括电源，该电源通过L相输入、与保险丝F1串联后和压敏电阻R1并联连接于变压器T1的原边，变压器T1副边依次连接整流桥、π型滤波电路、降压芯片IC1、并联连接的电池模块和降压芯片IC2、降压芯片IC3；电容C3、电容C4、电容C5分别与降压芯片IC1、降压芯片IC2、降压芯片IC3并联连接，另一端接地；降压后的降压芯片IC1的2引脚输出12V电压供电合闸控制单元的电磁推拉器，降压后的降压芯片IC2的2引脚输出5V电压供电通信单元，降压后的降压芯片IC3的2引脚输出3.3V电压供电单片机。
所述电池模块采用锂电池作为储备电源。
所述故障采集单元由磁接近开关以及限位开关组成，磁接近开关a、磁接近开关c、磁接近开关d依次安装于断路器本体的短路脱扣器A、欠压脱扣器C以及分励脱扣器D的控制电磁铁上，限位开关b安装于过流脱扣器B的双金属片上端；磁接近开关a与单片机的PA0引脚连接，限位开关b与单片机的PA1引脚连接，磁接近开关c、磁接近开关d分别与单片机的PA2、PA3引脚，将各自的电量信息传送给主控单元的IO引脚，主控单元利用中断通过不同的电量信息完成跳闸故障判别，并进行相应的重合闸操作。
所述合闸控制单元的电磁铁推拉器由主控单元的PB8引脚连接进行控制，其储能电机开关由主控单元的PB9引脚连接进行控制，合闸开关由主控单元的PB10引脚连接进行控制。
本发明无需改变传统断路器的结构和功能即可便捷的加装于传统断路器上，使传统断路器具备自动重合闸和远程通信功能，时效性好，安全性高，大幅度减轻了工作人员的重新合闸工作量和停电造成的经济损失，也避免了传统断路器要完成自动重合闸操作所必须的重新设计主控单元及信号电路的麻烦。本发明能够准确的判断断路器跳闸故障类型，当检测到欠压故障时待电网系统电压恢复正常后可自动合闸，当检测到为过流或短路故障时可在故障消除后通过远程控制重新合闸或远程控制进行分闸操作。本发明能够在电网停电或断路器无电的状态下及时的将故障信息传送出去，并能根据断路器输入和输出电压信号完成断路器工作状态的判断，并将可将断路器工作状态信息传送给工作人员，实现了智能化操作并保证系统或人员的安全，以防发生意外伤害等。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明的电源模块结构示意图；
图3为本发明磁接近开关或限位开关电路连接原理图；
图4为本发明控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明及其原理进一步说明。
参照图1，一种具有自愈功能的空气断路器自动重合装置，该装置包括电源模块、主控单元、通信单元、故障采集单元、合闸控制单元、输入电压采集调理电路以及输出电压采集调理电路等；
所述电源模块用来给断路器自动重合闸控制系统供电；使用变压器降压和整流后利用降压芯片分别输出12V、5V及3.3V的电源；分别给合闸控制单元的磁铁推拉器、通信单元、主控单元供电。
所述主控单元用来完成故障类型判别以及发出指令进行通信和重新合闸操作；采用STM32F103C8T6单片机作为核心处理器，该单片机片上资源丰富，内核工作频率高达72MHz，内置高速存储器，具有丰富的IO端口和大量连接到内部的2条APB总线的外设，同时具有2个12位模/数转换器，满足控制系统使用需求。
所述通信单元利用主控单元将断路器跳闸原因以及断路器工作状态及时的发送给运维人员，当电力系统处于非瞬时故障时，待故障排出后运维人员可通过短信形式控制断路器重新合闸。使用SIM900A模块作为通信单元，其使用5V电源供电，可利用2G网络以短信的形式将信息传送出去，其中SIM900A通信模块的RX和TX引脚分别与单片机的PA9和PA10连接。
所述合闸控制单元由电磁铁推拉器、储能电机开关以及合闸开关组成，得到主控单元电网故障消除的指令后，电磁铁推拉器用来完成复位按钮复位的操作，同时主控单元发出指令使电机储能开关为断路器储能，待储能完成后控制合闸开关完成自动合闸操作。
输入电压采集调理电路和输出电压采集调理电路完成断路器输入和输出电压有效值的采集，通过主控单元来判断输电线路电压是否正常以及断路器的工作状态。输入和输出电压采集调理电路使用ADE7878电能计量芯片完成断路器输入和输出电压有效值的采集，其中输入电压采集调理电路一端连接断路器输入侧输电线路，其另一端经过调理后与单片机PB1引脚相连接；输出电压采集调理电路一端连接断路器输出侧供电线路，其另一端与单片机的PB0引脚相连接。
参照图2，电源模块是整个自动重合闸控制系统高效稳定运行的保障，电源通过L相输入后首先经过与其串联的保险丝F1和与其并联的压敏电阻R1完成尖峰抑制后，通过变压器T1的原边流至N相。经过变压器T1降压后其副边电流经过与其串联的整流桥完成整流，电流经过整流桥输出后通过与其串联的电感L1和与其并联的电容C1、C2组成的π型滤波电路进行滤波，经滤波电路滤波后电流流过与其串联的降压芯片IC1的1引脚，IC1的3引脚与地GND相连，与IC1的2引脚并联的电容C3对电路进行滤波处理，电压经过IC1降压后IC1的2引脚输出12V电压供电磁推拉器使用，且12V电压分成2路分别流入并联的电池模块输入端VIN和降压芯片IC2的1引脚，经IC2降压后IC2的2引脚输出5V电压供SIM900A模块使用，IC2的2引脚分别连接电池模块的输出引脚VOUT和与IC2串联的降压芯片IC3的1引脚及电容C4，降压芯片IC3降压后其2引脚输出3.3V电压供主控单元使用，与IC3的2引脚并联的电容C5可对其进行滤波处理。电池模块输入端VIN与IC1的2引脚连接对蓄电池进行储能，当电网系统出现故障停电使得断路器跳闸后，电池模块输出引脚VOUT可以输出5V电源，并连接IC2的2引脚供通信模块及主控模块使用，以便及时的将故障信息传送出去。
所述电池模块采用锂电池作为储备电源，以保证电网故障造成断路器跳闸后系统能够及时的将故障信息发送给运维人员。
参照图1、图3，所述故障采集单元由磁接近开关以及限位开关组成，磁接近开关a、磁接近开关c、磁接近开关d依次安装于断路器本体的短路脱扣器A、欠压脱扣器C以及分励脱扣器D的控制电磁铁a1、c1、d1上，限位开关b安装于过流脱扣器B的双金属片b1上端；磁接近开关a与单片机的PA0引脚连接，限位开关b与单片机的PA1引脚连接，磁接近开关c、磁接近开关d分别与单片机的PA2、PA3引脚，将各自的电量信息传送给主控单元的PA0、PA1、PA2和PA3引脚，主控单元分别利用PA0、PA1、PA2和PA3引脚的电平变化触发不同的中断来完成跳闸故障判别，并进行相应的重合闸操作：
a)若PA0引脚由磁接近开关a触发导致STM32F103C8T6单片机产生中断，则可判断为短路故障，此时不进行重合闸操作，并将短路故障信息利用SIM900A模块发送给工作人员，工作人员待故障处理后远程控制断路器进行重合闸，即SIM900A接收到合闸命令后传送给STM32F103C8T6单片机，STM32F103C8T6单片机PB8引脚产生高电平控制继电器动作使得电磁铁推拉器进行断路器复位操作后，PB9和PB10引脚分别产生高电平控制继电器动作，使得储能电机开关闭合进行储能和合闸开关闭合进行合闸，同时与STM32F103C8T6单片机PB0引脚相连的ADE7878输出电压采集调理电路检测到断路器输出电压正常时则可确定重合闸成功，此时将合闸信息或断路器工作状态再次传送给工作人员。
b)若PA1引脚由限位开关b触发导致STM32F103C8T6单片机产生中断，则可判断为过流故障，此时不进行重合闸操作，同短路故障一样待故障处理后进行断路器重合闸操作。
c)若PA2引脚由磁接近开关c触发导致STM32F103C8T6单片机产生中断，则可判断为欠压故障，此时仅将欠压故障信息利用SIM900A模块发送给工作人员，待与STM32F103C8T6单片机PB1引脚相连的ADE7878输入电压采集调理电路检测到输电线路来电且电压正常后，则进行重合闸操作，当检测到输出电压正常时则可确定重合闸成功，此时将合闸信息或断路器工作状态再次传送给工作人员。
d)若PA3引脚由磁接近开关d触发导致与STM32F103C8T6单片机产生中断，则可判断为分励脱扣器动作，此时若检测到输出电压为零则表明分闸成功，并将断路器工作状态传送给工作人员。
磁接近开关或限位开关与主控单元IO引脚连接电路图如图3所示，S1为磁接近开关或限位开关，当S1动作接通时，单片机IO引脚将会由低电平变为高电平，由此可以触发主控模块产生中断，其中与S1并联的电容C6用来滤波消抖，电阻R2和R3用来限流。可以预见的，使用其他信号触发模块来替代本模块的磁接近开关或限位开关时，也应属于本发明范围之内。
参照图1，所述合闸控制单元由电磁铁推拉器、储能电机开关以及合闸开关组成，电磁铁推拉器由主控单元的PB8引脚连接进行控制，储能电机开关由主控单元的PB9引脚连接进行控制，合闸开关由主控单元的PB10引脚连接进行控制。
当断路器需要重新自动合闸时，首先单片机PB8引脚产生高电平控制继电器动作使得电磁铁推拉器对断路器进行复位操作，接着单片机PB9引脚产生高电平使得继电器动作来控制储能电机开关闭合进行储能，储能时电机通电时间不能大于5s，当储能完成后单片机PB10引脚产生脉冲信号使得继电器动作来控制合闸开关闭合完成合闸动作，且合闸时控制的脉冲信号需远小于1s。
参照图4，本发明的主要控制流程为：当系统检测到磁接近开关或限位开关触发主控模块产生中断时，主控模块判断断路器跳闸故障类型，若为欠压或过流故障，则将故障信息传送给工作人员即可，待电网系统故障消除后工作人员可远程控制合闸，并且主控模块通过采集断路器输出端电压信息作为合闸成功的信号反馈量，并将断路器工作状态重新发送给工作人员。若故障类型为欠压故障，则仅将故障信息发送出去，待电网系统电压恢复正常后断路器重新合闸，并将断路器工作状态传送出去。当工作人员远程控制分闸时，可通过磁接近开关和断路器输出电压的电量信息判断断路器工作状态，并将其信息传送出去，以保证安全。
Claims (5)
1.一种具有自愈功能的空气断路器自动重合装置，其特征在于，该装置包括电源模块、主控单元、通信单元、故障采集单元、合闸控制单元、输入电压采集调理电路以及输出电压采集调理电路组成；
所述电源模块用来给断路器自动重合控制系统供电；
所述主控单元用来完成故障类型判别以及发出指令进行通信和重新合闸操作；
所述通信单元利用主控单元将断路器跳闸原因以及断路器工作状态及时的发送给运维人员，当电力系统处于非瞬时故障时，待故障排出后运维人员可通过短信形式控制断路器重新合闸；
所述合闸控制单元由电磁铁推拉器、储能电机开关以及合闸开关组成，得到主控单元电网故障消除的指令后，电磁铁推拉器用来完成复位按钮复位的操作，同时主控单元发出指令使电机储能开关为断路器储能，待储能完成后控制合闸开关完成自动合闸操作；
输入电压采集调理电路和输出电压采集调理电路完成断路器输入和输出电压有效值的采集，通过主控单元来判断输电线路电压是否正常以及断路器的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种具有自愈功能的空气断路器自动重合装置，其特征在于，所述电源模块包括电源，该电源通过L相输入、与保险丝F1串联后和压敏电阻R1并联连接于变压器T1的原边，变压器T1副边依次连接整流桥、π型滤波电路、降压芯片IC1、并联连接的电池模块和降压芯片IC2、降压芯片IC3；电容C3、电容C4、电容C5分别与降压芯片IC1、降压芯片IC2、降压芯片IC3并联连接，另一端接地；降压后的降压芯片IC1的2引脚输出12V电压供电合闸控制单元的电磁推拉器，降压后的降压芯片IC2的2引脚输出5V电压供电通信单元，降压后的降压芯片IC3的2引脚输出3.3V电压供电单片机。
3.根据权利要求2所述的一种具有自愈功能的空气断路器自动重合装置，其特征在于，所述电池模块采用锂电池作为储备电源。
4.根据权利要求1所述的一种具有自愈功能的空气断路器自动重合装置，其特征在于，所述故障采集单元由磁接近开关以及限位开关组成，磁接近开关a、磁接近开关c、磁接近开关d依次安装于断路器本体的短路脱扣器A、欠压脱扣器C以及分励脱扣器D的控制电磁铁上，限位开关b安装于过流脱扣器B的双金属片上端；磁接近开关a与单片机的PA0引脚连接，限位开关b与单片机的PA1引脚连接，磁接近开关c、磁接近开关d分别与单片机的PA2、PA3引脚，将各自的电量信息传送给主控单元的IO引脚，主控单元利用中断通过不同的电量信息完成跳闸故障判别，并进行相应的重合闸操作。
5.根据权利要求1所述的一种具有自愈功能的空气断路器自动重合装置，其特征在于，所述合闸控制单元的电磁铁推拉器由主控单元的PB8引脚连接进行控制，其储能电机开关由主控单元的PB9引脚连接进行控制，合闸开关由主控单元的PB10引脚连接进行控制。
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