CN113328418B - 一种不限负载类型的电气火灾限流式保护器 - Google Patents

一种不限负载类型的电气火灾限流式保护器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种不限负载类型的电气火灾限流式保护器，包括依次相连的故障电流提取单元（1）、高阶低通滤波处理单元（2）、迟滞比较判断单元（3）、MCU主控单元（4）、隔离驱动单元（5）、固态电子开关单元（6）、多级分段嵌位保护单元（7）。本发明的有益效果是：本发明公开的一种不限负载类型的电气火灾限流式保护器，可识别线路短路故障电流，在100微秒时间内分断线路，抑制短路故障电流上升，实现限流保护功能，同时具有极强的抗EMC电磁干扰性能，限流保护功能稳定可靠不拒动不误动，不受负载类型限制，可广泛应用于阻性、容性、感性负载场合。

Description

一种不限负载类型的电气火灾限流式保护器
技术领域
本发明涉及电气火灾限流式保护器，尤其涉及一种不限负载类型的电气火灾限流式保护器。
背景技术
传统的电磁脱扣类断路器用作电气火灾限流式保护，由于本身原理设计缺陷，短路保护动作时间在毫秒级以上，由于分断速度慢，短路故障电流会迅速增大，造成线路电缆发热或燃烧起火，引发电气火灾，存在安全隐患。
目前已有使用固态电子开关技术实现限流保护快速分断，但该类型产品在使用中主要有以下缺陷：
缺陷一：为了实现短路限流微妙级动作的快速性，不能兼顾保护动作的稳定可靠性，在EMC电磁环境干扰下，限流保护功能会频繁误动作，造成负载设备频繁失电，影响设备正常使用并造成经济损失。
缺陷二：使用固态电子开关技术的限流保护设备多用于允许线路电流突变的阻性或容性负载的场合，感性负载场合使用受限。原因在于电子开关在快速分断过程中，线路故障电流会迅速降低，根据电感器件的电磁感应公式U＝L*Δi/Δt可知，电子开关在快速分断过程中，开关两端承受的电压应力与线路的等效电感和电流变化率成正比。负载感性越大，分断电流越大，开关分断承受电压应力也越大，可能造成电子开关过应力损坏。
发明内容
本发明提供了一种不限负载类型的电气火灾限流式保护器，包括依次相连的故障电流提取单元、高阶低通滤波处理单元、迟滞比较判断单元、MCU主控单元、隔离驱动单元、固态电子开关单元、多级分段嵌位保护单元。
所述故障电流提取单元：用于提取线路中的故障电流信号，并将所提取的故障电流信号输出给所述高阶低通滤波处理单元。
所述高阶低通滤波处理单元：用于接收所述故障电流提取单元发送的故障电流信号，通过分析短路故障电流信号与电磁环境干扰信号的特征差异，分离出有效故障电流信号。
所述迟滞比较判断单元：用于将所述高阶低通滤波处理单元分离出的故障电流有效信号与所述MCU主控单元设置的短路门槛值进行对比，得到短路判断信号，并将其作为输出信号输出给所述MCU主控单元。
所述MCU主控单元：用于接收所述迟滞比较判断单元的输出信号，并负责判别线路是否发生短路故障，并在识别线路发生短路故障后，立即输出驱动信号给所述隔离驱动单元，实现限流保护功能。
所述隔离驱动单元：用于接收所述MCU主控单元下发的驱动信号，并根据所接收的驱动信号控制所述固态电子开关单元分断线路。
所述固态电子开关单元用于接收并执行所述隔离驱动单元下发的处于导通或截止状态的控制指令。
所述多级分段嵌位保护单元：用于当所述固态电子开关单元分断时，抑制嵌位电压继续上升，保护电子开关。
作为本发明的进一步改进，所述故障电流提取单元包括宽频电流互感器或分流器设备，所述宽频电流互感器或分流器设备用于提取线路中的故障电流信号；在所述故障电流提取单元中，所提取的故障电流信号包含有效信号和电磁干扰信号。
作为本发明的进一步改进，所述迟滞比较判断单元为纳秒级快速响应的比较器电路。
作为本发明的进一步改进，所述MCU主控单元集成有电压、电流、温度测量、有线/无线通信、人机交互显示与声光报警功能。
作为本发明的进一步改进，该电气火灾限流式保护器包括AC/DC辅助电源单元、电流采样单元、电压采样单元、温度测量单元、声光报警单元、人机显示交互单元、通信单元。
所述AC/DC辅助电源单元：用于给所述MCU主控单元、所述隔离驱动单元、所述通信单元供电。
所述电流采样单元：用于测量线路中的负载电流。
所述电压采样单元：用于测量线路电压。
所述温度测量单元：用于实现超温报警和分断功能。
所述声光报警单元：用于当所述MCU主控单元发现异常状态时，发出声光报警。
所述人机显示交互单元：用于实现信息显示以及人机交互功能。
所述通信单元：具有RS-485/二总线有线通信和4G/NB-IOT无线通信方式，用于与后台主机远程通信连接，实现实时读取装置信息、事件记录、远程遥控功能。
作为本发明的进一步改进，所述温度测量单元包含两路外部温度测量、两路内部温度测量，且所述温度测量单元与所述MCU主控单元相连；所述声光报警单元由LED信号灯、蜂鸣器组成。
作为本发明的进一步改进，所述MCU主控单元上设有IO中断口，所述MCU主控单元通过所述IO中断口接入所述迟滞比较判断单元输出信号，该电平信号由低变高时表示线路发生了短路故障。
作为本发明的进一步改进，所述隔离驱动单元包括门级驱动芯片，所述隔离驱动单元最大响应时间不大于500ns。
作为本发明的进一步改进，所述固态电子开关单元使用高耐压、大电流、低内阻、小结间电容、宽安全工作区域的MOS管阵列作为固态电子开关。
作为本发明的进一步改进，所述多级分段嵌位保护单元由KA级高通流能力、低残压的TVS阵列和KA级高通流能力压敏电阻组成，当所述固态电子开关单元分断时，所述TVS管阵列首先在ps级内保护动作，进行电压嵌位抑制，随着故障电流持续续流，嵌位电压向上攀爬，接着所述压敏电阻在ns级内保护动作，抑制嵌位电压继续上升，保护电子开关。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种不限负载类型的电气火灾限流式保护器，可识别线路短路故障电流，在100微秒时间内分断线路，抑制短路故障电流上升，实现限流保护功能，同时具有极强的抗EMC电磁干扰性能，限流保护功能稳定可靠不拒动不误动，不受负载类型限制，可广泛应用于阻性、容性、感性负载场合。
附图说明
图1是本发明的电气火灾限流式保护器原理框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种不限负载类型的电气火灾限流式保护器，包括依次相连的故障电流提取单元1、高阶低通滤波处理单元2、迟滞比较判断单元3、MCU主控单元4、隔离驱动单元5、固态电子开关单元6、多级分段嵌位保护单元7。
所述故障电流提取单元1：用于提取线路中的故障电流信号，并将所提取的故障电流信号输出给所述高阶低通滤波处理单元2。
具体如下：
采用宽频电流互感器或分流器设备均可提取线路中的故障电流信号，输出信号Iorigin与线路故障电流成正比例关系，包含有效信号、电磁干扰信号。
所述高阶低通滤波处理单元2：用于接收所述故障电流提取单元1发送的故障电流信号，通过分析短路故障电流信号与电磁环境干扰信号的特征差异，分离出有效故障电流信号。
具体如下：
通过分析短路故障电流信号与电磁环境干扰信号的特征差异，设计高阶低通滤波电路，匹配合适的截止频率，使有效故障电流信号幅值衰减小，干扰信号幅值急剧衰减，从而分离出有效故障电流信号Isignal。
采用高阶低通滤波电路进行原始短路故障电流信号处理，降低EMC电磁环境干扰信号含量，分离出有效故障电流信号。对于电磁环境干扰信号，不论是线路传导干扰还是空间辐射干扰方式，离散且丰富的高频含量是干扰信号的显著特征；而对于短路故障电流信号，从短路时刻起，线路电流会随时间累积而急剧增大至数千上万安培，这种随时间持续增大的连续特性与电磁干扰信号完全不同。通过分析信号的特征差异，设计高阶低通滤波电路，匹配合适的截止频率，使有效故障电流信号幅值衰减很小，干扰信号幅值急剧衰减，从而分离出有效故障电流信号。
所述迟滞比较判断单元3：用于将所述高阶低通滤波处理单元2分离出的故障电流有效信号与所述MCU主控单元4设置的短路门槛值进行对比，得到短路判断信号，并将其作为输出信号输出给所述MCU主控单元4。
具体如下：
使用纳秒级快速响应的比较器芯片电路，将所述高阶低通滤波处理单元2分离出的短路有效故障电流信号Isignal与MCU主控单元4自动可设置的短路门槛值进行对比，得到输出信号。
该电路技术优点：一是响应速度快，可在纳秒级时间内完成信号对比判断；二是门槛值可通过MCU主控单元自动设置，方便用户根据实际负载容量灵活调节；三是增加迟滞区间环节，提高短路判断稳定性，进一步增加抗EMC干扰能力，防止误判。
具体工作原理为：
当故障电流大于门槛值+迟滞区间值/2，比较器输出由低到高的电平信号给所述MCU主控单元4，表示发生了短路故障；当故障电流小于门槛值-迟滞区间值/2，比较器输出才会由高返回低电平，通过增加迟滞区间环节，可进一步增加电路抗EMC干扰能力，防止比较器误输出。
所述MCU主控单元4：用于接收所述迟滞比较判断单元3的输出信号，并负责判别线路是否发生短路故障，并在识别线路发生短路故障后，立即输出驱动信号给所述隔离驱动单元5，实现限流保护功能。
具体如下：
所述MCU主控单元4IO中断口接入所述迟滞比较判断单元3输出信号，该电平信号由低变高时表示线路发生了短路故障。MCU主控单元4为系统核心处理单元，包含电压、电流、温度测量，有线/无线通信，人机交互显示和声光报警等功能。
所述隔离驱动单元5：用于接收所述MCU主控单元4下发的驱动信号，并根据所接收的驱动信号控制所述固态电子开关单元6分断线路。
具体如下：
所述MCU主控单元4识别线路发生短路故障后，立即输出驱动信号给所述隔离驱动单元5，所述隔离驱动单元5控制所述固态电子开关单元6分断线路。隔离驱动单元5由专用门级驱动芯片进行设计，响应速度快，最大响应时间不大于500ns。
所述固态电子开关单元6：用于接收并执行所述隔离驱动单元5下发的处于导通或截止状态的控制指令。
具体如下：
使用高耐压、大电流、低内阻、小结间电容、宽安全工作区域的MOS管阵列作为固态电子开关，实现限流保护功能，固态电子开关自身响应速度快，纳秒级时间内即可完成线路分断。由所述隔离驱动单元5控制固态电子开关单元6处于导通或截止状态。
所述多级分段嵌位保护单元7：用于当所述固态电子开关单元6分断时，抑制嵌位电压继续上升，保护电子开关。
具体如下：
本发明多级分段嵌位保护单元7由KA级高通流能力、低残压的TVS阵列和KA级高通流能力压敏电阻组成，确保感性负载短路分断时的电压应力不损坏电子开关。本发明多级分段嵌位抑制单元同时具备了TVS管阵列动作时间快(ps)和压敏电阻通流能力大的优点，短时承受电流能力在KA以上，即使分断数百安培短路故障电流时依然可保持低残压特性，不损坏电子开关。具体的，当所述固态电子开关单元6分断时，TVS管阵列首先在ps级内保护动作，进行电压嵌位抑制，随着故障电流持续续流，嵌位电压向上攀爬，接着压敏电阻在ns级内保护动作，抑制嵌位电压继续上升，保护电子开关。
备注：KA级，即千安级，表示通流能力在数千安培以上；
PS级，即皮秒级，单位换算关系：1s＝1012ps。
本发明公开了的一种不限负载类型的电气火灾限流式保护器，解决了当前固态电子开关技术的限流式保护器短路限流保护功能快速性和稳定性不兼容，以及感性负载场合使用受限的问题。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种不限负载类型的电气火灾限流式保护器，可识别线路短路故障电流，在100微秒时间内分断线路，抑制短路故障电流上升，实现限流保护功能，同时具有极强的抗EMC电磁干扰性能，限流保护功能稳定可靠不拒动不误动，不受负载类型限制，可广泛应用于阻性、容性、感性负载场合。
上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种不限负载类型的电气火灾限流式保护器，其特征在于：包括依次相连的故障电流提取单元(1)、高阶低通滤波处理单元(2)、迟滞比较判断单元(3)、MCU主控单元(4)、隔离驱动单元(5)、固态电子开关单元(6)、多级分段嵌位保护单元(7)，
所述故障电流提取单元(1)：用于提取线路中的故障电流信号，并将所提取的故障电流信号输出给所述高阶低通滤波处理单元(2)；
所述高阶低通滤波处理单元(2)：用于接收所述故障电流提取单元(1)发送的故障电流信号，通过分析短路故障电流信号与电磁环境干扰信号的特征差异，分离出有效故障电流信号；
所述迟滞比较判断单元(3)：用于将所述高阶低通滤波处理单元(2)分离出的故障电流有效信号与所述MCU主控单元(4)设置的短路门槛值进行对比，得到短路判断信号，并将其作为输出信号输出给所述MCU主控单元(4)；所述MCU主控单元(4)：用于接收所述迟滞比较判断单元(3)的输出信号，并负责判别线路是否发生短路故障，并在识别线路发生短路故障后，立即输出驱动信号给所述隔离驱动单元(5)，实现限流保护功能；
所述隔离驱动单元(5)：用于接收所述MCU主控单元(4)下发的驱动信号，并根据所接收的驱动信号控制所述固态电子开关单元(6)分断线路；
所述固态电子开关单元(6)：用于接收并执行所述隔离驱动单元(5)下发的处于导通或截止状态的控制指令；
所述多级分段嵌位保护单元(7)：用于当所述固态电子开关单元(6)分断时，抑制嵌位电压继续上升，保护电子开关。
2.根据权利要求1所述的电气火灾限流式保护器，其特征在于，所述故障电流提取单元(1)包括宽频电流互感器或分流器设备，所述宽频电流互感器或分流器设备用于提取线路中的故障电流信号；在所述故障电流提取单元(1)中，所提取的故障电流信号包含有效信号和电磁干扰信号。
3.根据权利要求1所述的电气火灾限流式保护器，其特征在于，所述迟滞比较判断单元(3)为纳秒级快速响应的比较器电路。
4.根据权利要求1所述的电气火灾限流式保护器，其特征在于，所述MCU主控单元(4)集成有电压、电流、温度测量、有线/无线通信、人机交互显示与声光报警功能。
5.根据权利要求4所述的电气火灾限流式保护器，其特征在于：该电气火灾限流式保护器包括AC/DC辅助电源单元(8)、电流采样单元(9)、电压采样单元(10)、温度测量单元(11)、声光报警单元(12)、人机显示交互单元(13)、通信单元(14)，
所述AC/DC辅助电源单元(8)：用于给所述MCU主控单元(4)、所述隔离驱动单元(5)、所述通信单元(14)供电；
所述电流采样单元(9)：用于测量线路中的负载电流；
所述电压采样单元(10)：用于测量线路电压；
所述温度测量单元(11)：用于实现超温报警和分断功能；
所述声光报警单元(12)：用于当所述MCU主控单元(4)发现异常状态时，发出声光报警；
所述人机显示交互单元(13)：用于实现信息显示以及人机交互功能；
所述通信单元(14)：具有RS-485/二总线有线通信和4G/NB-IOT无线通信方式，用于与后台主机远程通信连接，实现实时读取装置信息、事件记录、远程遥控功能。
6.根据权利要求5所述的电气火灾限流式保护器，其特征在于，所述温度测量单元(11)包含两路外部温度测量、两路内部温度测量，且所述温度测量单元(11)与所述MCU主控单元(4)相连；所述声光报警单元(12)由LED信号灯、蜂鸣器组成。
7.根据权利要求1所述的电气火灾限流式保护器，其特征在于，所述MCU主控单元(4)上设有IO中断口，所述MCU主控单元(4)通过所述IO中断口接入所述迟滞比较判断单元(3)输出信号。
8.根据权利要求1所述的电气火灾限流式保护器，其特征在于，所述隔离驱动单元(5)包括门级驱动芯片，所述隔离驱动单元(5)最大响应时间不大于500ns。
9.根据权利要求1所述的电气火灾限流式保护器，其特征在于，所述固态电子开关单元(6)使用高耐压、大电流、低内阻、小结间电容、宽安全工作区域的MOS管阵列作为固态电子开关。
10.根据权利要求1所述的电气火灾限流式保护器，其特征在于，所述多级分段嵌位保护单元(7)由KA级高通流能力、低残压的TVS阵列和KA级高通流能力压敏电阻组成，当所述固态电子开关单元(6)分断时，所述TVS管阵列首先在ps级内保护动作，进行电压嵌位抑制，随着故障电流持续续流，嵌位电压向上攀爬，接着所述压敏电阻在ns级内保护动作，抑制嵌位电压继续上升，保护电子开关。
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