CN113363932B - 基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明的基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路，包括交流电源、实验电路、电源通断控制电路、逻辑判断运算及驱动电路、电磁开关ZC和电磁开关GZ，继电器KM的常开点与实验电路之间的相线上均串有限流及控制电路，实验电路输入端的相线与相线之间、相线与中线之间均设置有短路电压检测电路，当不存在短路故障时，输出高电平至ZC、输出低电平至GZ，当存在短路故障时，输出低电平至电ZC、输出高电平至GZ。本发明的短路故障检测和保护电路，可有效判断出实验电路是否存在短路故障，并可根据有无短路故障选择性断开和接通交流电源，有效地避免了短路时冲击电流的产生，避免了因短路造成的停电、火灾和设备损坏现象的发生。

Description

基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路
技术领域
本发明涉及一种短路故障检测和保护电路，更具体的说，尤其涉及一种基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路，适用于实验室中对各种220V/380V电压等级的实验电路安全送电。
背景技术
各类学校的电气实验室在进行强电的实验过程中，因学生接错线而导致出现电路短路的现象时有发生，如果在短路状态下进行强电（220V或380V）送点则存在一定的危险性，轻则造成保护电器动作，进而引起停电，重则造成火灾、设备损坏或者人身伤害，不利于电气试验的安全教学。如果在强电送电时，在电路中串上限流元件，并进行短路电压检测，当检测到相线与相线之间、相线与中线之间存在短路故障时就停止送电，只有相电压和线电压都正常时才进行充电，这样就不会产生很大的冲击电流，也不会引发短路事故。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路。
本发明的基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路，包括交流电源、实验电路、电源通断控制电路、逻辑判断运算及驱动电路、电磁开关ZC和电磁开关GZ，交流电源用于提供220V或380V交流电，电源通断控制电路由按钮SO和继电器KM组成，按钮SO、继电器KM的线圈和电磁开关GZ的常闭点串联后的两端接于交流电源的相线和中线上，交流电源输入端的相线和中线上均串有继电器KM的常开点；其特征在于：继电器KM的常开点与实验电路之间的相线上均串有限流及控制电路，限流及控制电路由电解电容器组构成，电解电容器组的两端并联有电磁开关ZC的常开点，电解电容器组由两反向串联的电解电容构成，电解电容的两端均并联有放电电阻；电磁开关ZC的线圈和电磁开关GZ的线圈接于逻辑判断运算及驱动电路的输出端；
所述实验电路输入端的相线与相线之间、相线与中线之间均设置有短路电压检测电路，短路电压检测电路通过检测实验电路输入端的相电压、线电压是否正常来判断实验电路中是否有短路现象存在，并将检测结果输入至逻辑判断运算及驱动电路的信号输入端；逻辑判断运算及驱动电路通过对输入信号的运算，当不存在短路故障时，输出高电平至电磁开关ZC、输出低电平至电磁开关GZ，接通交流电源对实验电路的供电，当存在短路故障时，输出低电平至电磁开关ZC、输出高电平至GZ，断开交流电源对实验电路的供电。
本发明的基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路，所述短路电压检测电路由第二整流电路、第一稳压管和光电耦合器组成，第二整流电路的输入端接于两相线或者相线和中线上，输出端并联有第一稳压管和电解电容；第二整流电路的一个输出端直接接于光电耦合器的一个输入端上，第二整流电路的另一个输出端经发光二极管LE和电阻接于光电耦合器的另一个输入端上。
本发明的基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路，所述逻辑判断运算及驱动电路由三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、第二稳压管DZ7和电解电容E7组成，Q1为PNP型三极管，Q2和Q3为NPN型三极管；所述多个光电耦合器中：一个光电耦合器输出端的集电极经上拉电阻R7接于直流电源正极+V上、经电阻R8接于Q1的基极上，一个光电耦合器输出端的发射极接于直流电源地GND上，相邻光电耦合器输出端的发射极与集电极相连接；
三极管Q1的发射极接于电源正极+V上，集电极经电磁开关ZC的线圈接于电源地GND上；三极管Q2的基极经电阻R9接于Q1的集电极上，集电极经电阻R10接于电源正极+V上，发射极接于电源地GND上；三极管Q3的基极经第二稳压管DZ7接于Q2的集电极上，发射极接于电源地GND上，集电极经电磁开关GZ的线圈接于电源正极+V上；第二稳压管DZ7的正极、负极分别经电阻R11和电解电容E7接于电源地GND上。
本发明的基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路，包括变压器和第一整流电路，变压器的输入端接于继电器KM常开点后端的相线和中线上，第一整流电路的输入端与变压器的输出端相连接，第一整流电路的输出端上连接有电解电容E8，电解电容E8的正极、负极分别形成直流电源正极+V、直流电源地GND。
本发明的基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路，所述电源通断控制电路中按钮SO的两端并联有继电器KM的常开点，按钮SO与继电器KM的线圈之间串联有断电按钮SS。
本发明的有益效果是：本发明的短路故障检测和保护电路，在交流电源与实验电路之间的相线上设置有限流及控制电路，在实验电路输入端的相线与相线之间、相线与中线之间设置有短路电压检测电路，并在电源通断控制电路中串入继电器KM的线圈和电磁开关GZ的常闭点，在电源输入端串入继电器KM的常开点，在限流及控制电路中并入电磁开关ZC的常开点；交流电源接通后，短路电压检测电路通过对相电压、线电压的大小进行检测来判断实验电路是否存在短路故障，并将检测结果输入至逻辑判断运算及驱动电路的信号输入端，经运算后，如果实验电路不存在短路故障则闭合电磁开关ZC的常开点，将交流电源与实现电路接通；如果实验电路存在短路故障，则断开对继电器KM的供电，断开交流电源对实验电路的供电；本发明的短路故障检测和保护电路，在交流电源接通的瞬间，可有效判断出实验电路是否存在短路故障，并可根据有无短路故障选择性断开和接通交流电源，有效地避免了短路时冲击电流的产生，避免了因短路造成的停电、火灾和设备损坏现象的发生。
附图说明
图1为本发明的基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路的原理图；
图2为本发明的基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路的具体实施例的电路图。
图中：1交流电源，2实验电路，3电源通断控制电路，4限流及控制电路，5电解电容器组，6短路电压检测电路，7逻辑判断运算及驱动电路，8电磁开关ZC，9电磁开关GZ，10继电器KM，11按钮SO，12变压器，13第一整流电路，14第二整流电路，15第一稳压管，16光电耦合器，17三极管Q1，18三极管Q2，19三极管Q3，20第二稳压管DZ7。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，给出了本发明的基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路的原理图，其由交流电源1、实验电路2、电源通断控制电路3、限流及控制电路4、短路电压检测电路6、逻辑判断运算及驱动电路7、电磁开关ZC、电磁开关GZ以及继电器KM组成，交流电源1用于提供220V或380V交流电源，电源通断控制电路3用于对交流电源1的接通和断开进行控制。所示的电源通断控制电路3由按钮SO和继电器KM组成，按钮SO、断电按钮SS、继电器KM的线圈以及电磁开关GZ的常闭点串联后的两端，分别接于交流电源1输入端的相线和中线上，按钮SO为常开按钮，断电按钮SS为常闭按钮，按钮SO的两端并联有继电器KM的常闭点，以实现互锁。交流电源1输入端的相线和中线上均串有继电器KM的常开点。按下按钮SO，继电器KM线圈所在的回路接通，KM的常开点闭合，交流电源被接通。
所示继电器KM的常开点与实验电路2之间的相线上均串有限流及控制电路4，限流及控制电路4由电解电容器组5组成，电解电容器组5的两端均并联有电磁开关ZC的常开点；电解电容器组5由两反向连接的电解电容组成，如图中A相相线上为电解电容EZA1和电解电容EZA2反向连接组成，B相相线上为电解电容EZA3和电解电容EZA4反向连接组成，C相相线上为电解电容EZA5和电解电容EZA6反向连接组成。所示的每个电解电容的两端均并联有大阻值的电路，以实现电解电容放电时的续流作用。可见，当交流电源1接通的瞬间，由于电解电容的限流作用，不会对实验电路施加电压，而是在短路电压检测电路6和逻辑判断运算及驱动电路7判断和控制输出完毕后，在没有短路故障存在的情况下才会对实验电路2供电。
所示实验电路2输入端的相线与相线之间、相线与中线之间均设置有短路电压检测电路6，短路电压检测电路用于检测即将施加在实验电路2上的线电压和相电压是否正常，并将检测结果转化为逻辑信号输入至逻辑判断运算及驱动电路7的信号输入端。所示电磁开关ZC的线圈和电磁开关GZ的线圈均接于逻辑判断运算及驱动电路7的输出端上，当逻辑判断运算及驱动电路7判断出无短路故障存在时，则输出高电平至电磁开关ZC、输出低电平至电磁开关GZ所在的回路，接通交流电源1对实现电路2的供电；当判断出有短路故障存在时，则输出低电平至电磁开关ZC、输出高电平至电磁开关GZ所在的回路，保持ZC的常开点状态不便，并断开交流电源1对实验电路2的接通。
如图2所示，给出了本发明的基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路的具体实施例的电路图，所示的短路电压检测电路6由第二整流电路14、第一稳压管15和光电耦合器16组成，第二整流电路14采用二极管构成的全波整流桥电路，第二整流电路14的输入端接于两相线或者相线和中线上，第二整流电路14的输出端上并联有第一稳压管15和电解电容，以调整输出电压的方向及滤波，第二整流电路14与第一稳压管15的正极相连接的输出端接于光电耦合器16输入端的负极上，第二整流电路14的与第一稳压管15的负极相连接的输出端经发光二极管和电阻接于光电耦合器16输入端的正极上。
这样，当第二整流电路14所接的相电压或线电压不存在短路现象时，即可驱使光电耦合器16导通；当第二整流电路14所接的相电压或线电压存在短路故障时，由于输入电源接近等于0，则不会驱使相应的光电耦合器16导通。
所示的逻辑判断运算及驱动电路7由三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、第二稳压管DZ7和电解电容E7组成，Q1为PNP型三极管，Q2和Q3为NPN型三极管。在输入的交流电源1为380V三相交流电的情况下，由于相电压和线电压上均设置短路电压检测电路6，故短路电压检测电路6的数量为6个。6个短路电压检测电路中，1个短路电压检测电路中的光电耦合器16输出端的集电极经上拉电阻R7接于直流电源正极+V上、经电阻R8接于Q1的基极上，1个光电耦合器16输出端的发射极接于直流电源地GND上，相邻两光电耦合器16的发射极与集电极相连接，这样，短路电压检测电路6的输出信号就相当于采用了“串联”的连接方式。
所示三极管Q1的发射极接于+V上，集电极与电磁开关ZC的线圈串联后接于GND上；三极管Q2的基极经电阻R9接于Q1的集电极上，集电极经电阻R10接于+V上，发射极接于GND上；三极管Q3的基极接于第二稳压管DZ7的正极上，集电极与电磁开关GZ的线圈串联后接于+V上，发射极接于GND上。第二稳压管DZ7的负极接于Q2的集电极其上，第二稳压管DZ7的正极、负极分别经电阻R11和电解电容E7接于GND上。电阻R10、电解电容E7和第二稳压管DZ7构成了延时电路，只有当电解电容E7正极（即图中的b点）上升至大于DZ7的导通电压与Q3的导通电压之和时，Q3才会导通，这样，使得电磁开关GZ的状态确定晚于电磁开关ZC的确定。
所示的变压器12的输入端接于继电器KM常开点后端的相线和中线上，第一整流电路13的输入端与变压器12的输出端相连接，第一整流电路13的输出端上连接有电解电容E8，电解电容E8的正极、负极分别形成直流电源正极+V、直流电源地GND。
工作过程中：当实验电路2的相线与相线之间、相线与中线之间均不存在短路故障时，光电耦合器16均可饱和通道，图中a点为低电位，Q1导通，电磁开关ZC的线圈通电，ZC常开点闭合；此时，Q2导通将b点箝位至低电位，使得Q3截止，GZ的常闭点保持状态不变；交流电源1对实验电路2进行正常供电。
当实验电路2的相线与相线之间、相线与中线之间存在短路故障时，由于其采用串联方式，只要有一路存在故障，即可使a点为高电位，Q1截止，ZC的线圈不通电，其常开点保持状态不变；此时，Q2截止，当电解电容E7正极端（图中b点）的电压上升至一定数值后，Q3导通，GZ线圈通电，电源通断控制电路3中的GZ常闭点断开，交流电源1被断开，不对实验电路2进行供电。

Claims (5)

1.一种基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路，包括交流电源（1）、实验电路（2）、电源通断控制电路（3）、逻辑判断运算及驱动电路（7）、电磁开关ZC（8）和电磁开关GZ（9），交流电源用于提供220V或380V交流电，电源通断控制电路由按钮SO（11）和继电器KM（10）组成，按钮SO、继电器KM的线圈和电磁开关GZ的常闭点串联后的两端接于交流电源的相线和中线上，交流电源输入端的相线和中线上均串有继电器KM的常开点；其特征在于：继电器KM的常开点与实验电路之间的相线上均串有限流及控制电路（4），限流及控制电路由电解电容器组（5）构成，电解电容器组的两端并联有电磁开关ZC的常开点，电解电容器组由两反向串联的电解电容构成，电解电容的两端均并联有放电电阻；电磁开关ZC的线圈和电磁开关GZ的线圈接于逻辑判断运算及驱动电路的输出端；
所述实验电路（2）输入端的相线与相线之间、相线与中线之间均设置有短路电压检测电路（6），短路电压检测电路通过检测实验电路输入端的相电压、线电压是否正常来判断实验电路中是否有短路现象存在，并将检测结果输入至逻辑判断运算及驱动电路的信号输入端；逻辑判断运算及驱动电路通过对输入信号的运算，当不存在短路故障时，输出高电平至电磁开关ZC、输出低电平至电磁开关GZ，接通交流电源对实验电路的供电，当存在短路故障时，输出低电平至电磁开关ZC、输出高电平至GZ，断开交流电源对实验电路的供电。
2.根据权利要求1所述的基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路，其特征在于：所述短路电压检测电路（6）由第二整流电路（14）、第一稳压管（15）和光电耦合器（16）组成，第二整流电路的输入端接于两相线或者相线和中线上，输出端并联有第一稳压管和电解电容；第二整流电路的一个输出端直接接于光电耦合器的一个输入端上，第二整流电路的另一个输出端经发光二极管LE和电阻接于光电耦合器的另一个输入端上。
3.根据权利要求2所述的基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路，其特征在于：所述逻辑判断运算及驱动电路（7）由三极管Q1（17）、三极管Q2（18）、三极管Q3（19）、第二稳压管DZ7和电解电容E7组成，Q1为PNP型三极管，Q2和Q3为NPN型三极管；所述光电耦合器（16）中：一个光电耦合器输出端的集电极经上拉电阻R7接于直流电源正极+V上、经电阻R8接于Q1的基极上，一个光电耦合器输出端的发射极接于直流电源地GND上，相邻光电耦合器输出端的发射极与集电极相连接；
三极管Q1的发射极接于电源正极+V上，集电极经电磁开关ZC（8）的线圈接于电源地GND上；三极管Q2的基极经电阻R9接于Q1的集电极上，集电极经电阻R10接于电源正极+V上，发射极接于电源地GND上；三极管Q3的基极经第二稳压管DZ7接于Q2的集电极上，发射极接于电源地GND上，集电极经电磁开关GZ（9）的线圈接于电源正极+V上；第二稳压管DZ7的正极、负极分别经电阻R11和电解电容E7接于电源地GND上。
4.根据权利要求3所述的基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路，其特征在于：包括变压器（12）和第一整流电路（13），变压器的输入端接于继电器KM常开点后端的相线和中线上，第一整流电路的输入端与变压器的输出端相连接，第一整流电路的输出端上连接有电解电容E8，电解电容E8的正极、负极分别形成直流电源正极+V、直流电源地GND。
5.根据权利要求3所述的基于电解电容的串联式短路故障检测和保护电路，其特征在于：所述电源通断控制电路（3）中按钮SO（11）的两端并联有继电器KM的常开点，按钮SO与继电器KM的线圈之间串联有断电按钮SS。
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