CN113782396B - 断路器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种断路器系统，包括串接的电子固态开关器件与机械开关，断路器系统配置有MCU及硬件保护电路，硬件保护电路与MCU连接，其中硬件保护电路和MCU分别接入若干传感器来获取断路器运行状态检测信号，MCU以状态机方式控制电子固态开关器件动作。本发明中MCU以状态机方式控制电子固态开关器件动作，MCU与硬件保护电路结合，可以保证断路器产品可靠性。

Description

断路器系统

本发明要求申请日为“2021-01-11”、申请号为“2021100288080”、名称为“一种断路器”的中国专利申请的优先权，其全部内容结合于本发明之中。

技术领域

本发明涉及电气设备技术领域，尤其涉及断路器，具体来说是一种断路器系统。

背景技术

断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置，可以分配电能及对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，因而在电力电子系统中得到广泛应用。普通断路器为纯机械式结构，存在燃弧影响电器使用寿命的问题。也有采用机械+电子混合开关的，其控制方式不够合理，防护措施不够理想，导致产品安全性能欠佳，为此有必要予以改进。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的在于提供一种断路器系统，以保证产品可靠工作。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种断路器系统，包括串接的电子固态开关器件与机械开关，断路器系统配置有MCU及硬件保护电路，硬件保护电路与MCU连接，其中硬件保护电路和MCU分别接入若干传感器来获取断路器运行状态检测信号，MCU以状态机方式控制电子固态开关器件动作。

较优地，包括自检、休眠、待机、全合、全关及保护状态，MCU控制断路器系统在各状态之间切换。

较优地，定时监测断路器控制信号和检测信号以及刷新断路器运行状态，并本地存储或上传相应数据。

较优地，在机械开关和电子固态开关器件之间的采样电阻之前串接限流电感。

较优地，电感限流和采样电阻两端分别跨接信号放大器，且两信号放大器输出端分别接入门逻辑电路输入端用以产生硬件保护信号，门逻辑电路输出端接至电子开关固态器件驱动芯片，用以根据硬件保护信号和MCU输出信号。

较优地，MCU连接门逻辑电路，用以由MCU控制重置。

较优地，MCU连接机械开关的电磁脱扣驱动电路，用以输出MCU控制信号至电磁脱扣驱动电路，并由驱动磁脱扣机构直接关断机械开关。

较优地，MCU内部配置有通信模块来组成通信单元来实现数字化通信。

较优地，设置有防雷系统，防雷系统包括退耦电路及第一防雷电路、第二防雷电路、第三防雷电路、第四防雷电路，第一防雷电路配置于机械开关前端并接于断路器输出端正和断路器输出端负之间，第二防雷电路接于机械开关后端和电流采样模块的前端或后端，其中该电流采样模块串接于电子固态开关器件后端和断路器输入端负之间；第三防雷电路配置于电子固态开关器件前端并接于断路器母线，第四防雷电路跨接于电子固态开关器件，退耦电路接于机械开关后端和电子固态开关器件前端。

较优地，断路器装配基体设置有地址模块，断路器设置有地址识别模块，当断路器安装到装配基体时，地址识别模块与地址模块连接，以便读取地址模块中的地址信息并写入断路器。

与现有技术相比，本发明断路器系统设置MCU，其以状态机方式控制电子固态开关器件动作。特别地，进一步设置了硬件保护电路，MCU与硬件保护电路相结合，可避免损坏断路器功率部分中的电子固态开关元件，由此提高了产品安全性。

附图说明

图1为本发明断路器系统电路结构图；

图2为本发明中防护电路的电路图；

图3为图2中的波形图；

图4为本发明中断路器状态控制图；

图5为本发明断路器防雷系统框图；

图6为本发明断路器寻址系统的示意图。

具体实施方式

本发明对断路器系统电路进行了改进，其设置MCU来按照预设逻辑时序控制断路器系统工作，其结合硬件保护电路，可避免损坏断路器中的电子固态开关元件。此外，本发明还进一步对断路器防雷系统及寻址系统进行了改进。以下分别进行说明。

下面结合附图和具体实施方案对本发明进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明的保护范围仅限于下述实施方案。

一、断路器系统电路

参见图1，示出本发明断路器系统。本发明中的断路器采用机械开关+电子固态开关器件结合类型，其中电子固态开关器件与机械开关串接，并配置MCU进行控制，这样可以实现机械及电子双重故障保护。

该断路器系统由功率部分(power stage)和控制部分(control stage)组成，具体如下所述。

1、功率部分

(1)机械开关Ki，其带有辅助触点，实时反馈通断状态。较优地，机械开关Ki配置机械式急停按钮装置Ke，其带位移传感器，可以实时检测状态。

(2)电子固态开关器件(SSK)，由MOSFET或IGBT等电子器件组成，其与机械开关串接，两者配合使用，固态开关响应快，且有利于杜绝电弧产生。

(3)电磁脱扣Trig及其驱动电路FET_trig，配置于机械开关，电磁脱扣机构的动铁芯与合闸锁定机构的合闸锁扣联接，以便故障时通过MCU输出电磁脱扣控制信号来直接关断机械开关。

较优地，机械开关Ki与电子固态开关器件SSK之间配置采样电阻Rs(电流为I_s)，以实时反馈电流。此外，机械开关Ki与电子固态开关器件SSK之间配置限流电感Ldi，其并联有电阻(电流为I_in)，以限制电流爬升率(Ldi/dt)，由此可以利用其快速分断能力和快速检测电路，在短路情况下快速(如10μs内)分断电路，从而控制/限制电路电流。

进一步地，功率部分配置有温敏传感器Rt1、Rt2、Rt3等，这些温敏传感器分布于断路器接线端位置A、B和断路器内部热点位置，用以实时监控温度。通过对断路器两头的接线端采用温度检测监控，并适时采集这些数据上传于客户端，让客户对产品和系统的运行适时掌控，提前获知风险，及时排除故障。

2、控制部分

(1)MCU，其内置有I/O端口、数模转换器ADC及同步异步发送器USART等，作为控制部分的核心部件，可以输出电子固态开关器件控制信号来控制电子固态开关器件动作。ADC接入电压信号(Vin)，电流反馈信号(I_in，I_s，)及温度信号(T_t1、T_t2、T_t3，分别对应温敏传感器Rt1、Rt2、Rt3等)等模拟信号并转换为数字信号。MCU内置USART来组成通信单元COM，由此实现数字化通信。此外，MCU联接存贮器EEPROM，以便双向管控数据，记录/调取数据，使得断路器具有技术数据存贮/记忆/分析功能，其历史数据存贮在EEPROM内，其中某些特征量可以比对历史数据，便于实现预警和主动保护；此外，MCU还联接有LED灯，用于管控LED灯来指示断路器整机状态。

(2)硬件保护电路(hardware protection)，采用电流爬升率L*di/dt与实际负载电流相结合来触发，两者都高于阀值时触发硬件保护电路，直接封锁固态开关门极控制信号(置低)，可快至整个响应时间在几十ns内完成，便于在输出短路情况下控制电子固态开关器件快速进入软关断状态，以限制电路过压。

优选地，本发明实施例获取断路器运行状态检测信号，其中信号输入输出方式为：电压、电流、温度等模拟信号送入MCU及硬件保护电路，其它的传感器信号(如触点位置信号、急停位置信号等)反馈送入MCU以参与逻辑控制，电磁脱扣控制信号(DRV_trig)受控于MCU，电子固态开关器件控制信号(DRV_ssk)受控于硬件保护电路输出信号和MCU输出信号的逻辑组合(DRV-logic)来实现双重保护。较优地，本发明还定时监测断路器控制信号和检测信号以及刷新断路器运行状态，并本地存储相应数据或上传相应数据，这样便于用户掌控产品和系统运行状态，由此可提前获知风险并及时排除故障。

参见图2-图3，示出本发明中防护电路的电路结构及波形。该防护电路配置有限流电感Ldi，可利用电子固态开关器件SSK快速分断和快速检测电路，在短路情况分断电路，从而控制/限制电路电流；同时配置硬件保护电路，其中L*di/dt与实际负载电流结合，两者都高于阀值即触发硬件保护，直接封锁固态开关门极驱动信号，由此可以更好的起到保护作用，进一步说明如下。

如图2所示，电感限流(Ldi)串接于电子开关固态器件(SSK)的采样电阻(Rs)之前，且电感限流(Ldi)和采样电阻(Rs)的两端分别跨接信号放大器(amp)，两信号放大器(amp)分别接入门逻辑电路(trig+and)输入端，以便产生硬件保护信号HD_En，门逻辑电路(trig+and)输出端接至电子开关固态器件(SSK)的驱动芯片(DRV)，以便根据硬件保护信号HD_En和单片机MCU的信号(MCU_EDRV)，其中的门逻辑电路(trig+and)还接入重置信号SCP-RESET。

具体电路信号流向如下：防护电路对于限流电感(Ldi)电压和采样电阻(Rs)分别配置信号放大器(amp)；相应电流I_in、I_s之后分别送入相应比较器(com)，达到相应阀值Ref1、Ref2后即触发；之后触发捕捉和与门逻辑电路(trig+and)，用以捕捉并逻辑与判断，产生硬件保护信号HD_En，该硬件保护信号HD_en还受MCU实时监控，MCU以此信号判断硬件保护是否动作；固态电子开关器件驱动芯片(DRV)受控于硬件保护信号HD_En和单片机MCU的信号(MCU_EDRV)的逻辑组合,并且HD_En优先级高于MCU_EDRV，从而实现硬件保护独立并且优先高于MCU。此处，硬件保护是自锁模式，一旦触发即保持挂起状态，需MCU解锁清零，即通过MCU控制重置信号SCP-RESET来进行重置。

本发明中，限流电感Ldi的作用如下：在一般断路器实际使用场合下，其A、B端接入的电源与负载特性，在短路状态下实际电流急剧上升，如图所示Iab’曲线。本发明在主电路中串联接入电感Ldi，利用电感的对电流变化率的抑制特性降低实际电流的上升率，具体效果如图所示Iab所示，其中感量越大上升率越低。此外，可进一步利用电感两端电压VL等于L*di/dt的特性，即VL/L＝di/dt，电感感量L是常数，可以看出电流的上升率di/dt与其两端电压VL成正比关系。这样，本发明可利用该原理电感来限制并检测流经断路器的电流及电流爬升率di/dt。

本发明可起到较好的硬件防护作用，如图3所示，其保护过程如下所述。

(1)T0之前，断路器处于一般负载条件下，正常导通；

(2)T0开始进入短路状态，Iab爬升，采样电阻Rs的信号Is实时反馈，VL信号突变成正比于L*di/dt，并送入放大器，经比较器后，捕捉足够高的上升率；

(3)到达T1，实际电流Iab为断路器的额定电流Ie；

(4)到达T2，Iab到达1.3倍Ie，即实际电流符合断路器关断标准，同时电流上升率也符合标准，同时有效下硬件电路开始动作；

(5)到达T3前，经过必要的延时后，到T3触发HD_en信号，封锁固态开关的驱动，从而达到截断短路电流的目的。

本发明断路器的系统逻辑时序通过MCU实现，具体是以状态机控制方式来实现状态切换，具体如下所述。

参见图4，示出本发明中断路器状态控制方式。断路器包括自检、休眠、待机、全合、全关及保护等状态，各状态之间按照预设触发条件进行切换，具体如下所述。

1、自检状态

若系统处于自检状态，则进行信号自检，加载EEPROM信息及更新状态字，成功后进入休眠状态。若自检失败，则进入全关状态。

2、休眠状态

休眠状态时，若按下急停按钮，使得辅助触点信号A1＝0，相应位置传感器信号E1＝1，则进入待机状态；若自检失败，则进入全关状态。

3、待机状态

待机状态下，定时检测控制指令，监测各个模拟量，并定时刷新状态字，同时也可自检，此时机械开关Ki为ON(开)，电子固态开关器件为OFF(关)。在此状态下，若触发条件为A1＝1且机械触头位置信号E1＝0，即进入信号自检；若控制指令为合闸有效，则可进入全合状态。此外，待机状态下自检失败，也可直接进行全关状态。

4、全合状态

若系统处于全合状态，则定时检测控制指令，监测各个模拟量，并定时刷新状态字，同时也可自检，此时机械开关Ki为ON，电子固态开关器件为ON，此时确认待机指令有效，并正常进行保护。若自检失败，E1＝0，则全关指令有效，进入失效保护。

5、全关状态

在全关状态下，机械开关Ki为OFF，电子固态开关器件为OFF，此时定时检测控制指令，监测各个模拟量，并定时刷新状态字，并进行故障码存储。若无故障码，则进行信号自检。若有故障码，可掉电/插拔重启，并进入保护状态。

6、保护状态

保护状态下，可以进行掉电/插拔重启，之后上电及初始化，之后进行信号自检。

以上过程也可进行模拟控制，此时若待机指令有效，则进入待机状态；若全关指令有效，则进入全关状态。

本发明断路器通过状态控制，可以快速进行状态切换，效率较高。

二、断路器防雷系统

本发明断路器设置防雷电路，来进行防雷保护，具体如下所述。

参见图5，其示出本发明断路器防雷系统框图。如图5所示，断路器包括机械开关5及串接的电子固态开关器件3，该电子固态开关器件3后端配置有电流采样模块2，其中的断路器防雷系统包括退耦电路4、第一防雷电路7、第二防雷电9、第三防雷电路6、第四防雷电路8等：第一防雷电路7配置于机械开关5前端并接于断路器输出端正Out+和断路器输出端负Out-之间，第二防雷电路9接于机械开关5后端和电流采样模块的前端或后端，其中该电流采样模块串接电子固态开关器件后端和断路器输入端负In-之间。特别地，电流采样模块的后端连接至外部防雷系统模块1，该外部系统防雷模块1接至断路器输入端正In+及断路器输入端负In-。图5中，电流采样模块具体是连接第二防雷电路9连接电流采样模块2后端，以便将把雷击能量导入到外部系统防雷模块1，当然也可改为连接电流采样模块2前端；第三防雷电路6配置于电子固态开关器件3前端并接于断路器母线，第四防雷电路8跨接于电子固态开关器件3，退耦电路4接于机械开关5后端和电子固态开关器件3前端。

在本发明中，断路器防雷系统较好地组合地应用了多种雷击保护器件，具体是使用退耦电路4和四种防雷电路来对电子固态开关器件(MOSFET/IGBT)3进行雷击防护，由此保证较好的防护效果。以下对退耦电路4、第一防雷电路7、第二防雷电路9、第三防雷电路6、第四防雷电路8说明如下。

(1)第一防雷电路

第一防雷电路7在固态断路器输出端，在机械开关5前端。该第一防雷电路7采用分立多个气体放电管(Gas discharge tube)或叠层放电管(Stacked gas discharge tube)串联加速电容构成。气体放电管是一种间隙型的防雷保护器件。气体放电管动作两极间的高阻抗变为低阻抗，具有通流容量大优势，存在反应速度较慢、在直流系统中存在续流问题。采用多个气体放电管或叠层放电管解决了直流系统中存在续流问题。加速电容加速了气体放电管串联使用的响应速度。当雷击浪涌电流流过固态断路器输出端口时，第一防雷电路7触发输出端口为低阻抗吸收雷击浪涌电流。

第一防雷电路7动作输出端口导通回路电流非常大，放置在机械开关5前端避免大电流经过机械开关5的断点造成断点黏连。

(2)退耦电路

退耦电路4可为退耦电感等组成，其配置在第一防雷电路7和第二防雷电路9后端。退耦电路4在雷击浪涌电流流过具有高阻抗，使第一防雷电路7动作吸收绝大部分能量，降低系统残压。

(3)第二防雷电路

第二防雷电路9由气体放电管构成，跨接在退耦电路4前端和断路器输入端In-(即电流采样模块后端)或电流采样模块前端之间之间。主要为了旁路第一防雷电路7无法动作或雷击浪涌电流过大而使第一防雷电路7无法有效吸收的浪涌电流，避免浪涌电流流过电子固态开关器件3而使得电子固态开关器件3损坏或损伤。

第二防雷电路9动作，由高阻抗变为低阻抗，浪涌电流从第二防雷电路9流过通过外部系统防雷模块1吸收浪涌电流。避免浪涌电流流过电子固态开关器件3，起到旁路作用。

这样，第一防雷电路7、第二防雷电路9和退耦电路4构成一级防雷和二级防雷系统。

(4)第三防雷电路

第三防雷电路6跨接在母线正负两端。第三防雷电路6由压敏电阻(VoltageDependent Resistor)和温度保险丝(Thermal links)或瞬态二极管(Transient VoltageSuppressor)或半导体放电管(Thyristor Surge Suppresser)组成。依据标称雷击防护能力不同器件组合不同。压敏电阻串联温度保险丝使用，避免由于压敏电阻失效造成母线正负短路。瞬态二极管响应速度快、箝位电压较易控制、体积小，承受浪涌电流比压敏电阻小。半导体放电管具有瞬态二极管优点且同尺寸承受浪涌电流比瞬态二极管强。半导体放电管采用单向防护，可以防护从母线负极到母线正极的电流方向。

这样，第三防雷电路6构成三级防雷系统。

(5)第四防雷电路

第四防雷电路8跨接在电子固态开关器件3之间。第四防雷电路8由压敏电阻和瞬态二极管组成，其钳位固态开关器件两端电压，保护电子固态开关器件3不因过压而损坏。

这样，第四防雷电路8构成四级防雷系统。

本发明通过四级防雷系统有机结合相互配合，构成新型固态断路器防雷方案，其具有以下特点：

1、在同等防护10KA以上雷击电流能力，第一防雷电路7较传统的压敏电阻组成防雷方案体积更小。

2、第二防雷电路9和退耦电路4相结合，利用气体放电管导通低阻抗进行旁路。可以旁路雷击浪涌电流，避免过大雷击浪涌电流流过电子固态开关器件3。

3、第三防雷电路6可使用不同的防护器件，减低系统残压。这样可以防护从母线负极到母线正极的电流方向，相对于二极管方案防护可以减低系统残压，较好地实现母线输入反接保护。

本发明防雷方案不仅防护效果好、通流能力强、性价比高、体积小，而且装配工艺简化，更利于工业化生产制造。

三、断路器寻址系统

本发明的以上断路器配置有MCU，可以进行寻址操作，具体如下所述。

参见图6，其示出本发明断路器寻址系统的示意图。如图2所示，断路器固定安装到断路器装配基体，装配基体可为机框，它的上面安装地址模块，同时在断路器内部设置地址识别模块(具体可内置于MCU)。其中，相应的地址模块和地址识别模块分别配置IO端口以便连接。当断路器安装入装配基体后，断路器内部的地址识别模块与装配基体的地址模块连接，这样断路器可读取到地址模块中的地址信息，并自动将该地址信息写入该断路器。

上述地址模块可配置为电压、电流、电阻或者状态量等信息，装配基体的不同安装槽位对应的地址信息不同；断路器内部的地址识别模块，按照对应的规则，读取相应的地址信息，这样实现了自动识别及分配地址。

本实施例中，由于安装槽位以及其对应的负载相对固定，当故障断路器更换新后，地址信息不发生变化，断路器仍能正确显示、上报该负载的相关信息。此外，断路器配置地址刷新模块，使得断路器按照一定规律，定周期或者不定周期的刷新所读取的地址，以确保开关掉电复位、开关更换后仍能识别正确的地址信息。

本发明虽然以较佳公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种断路器系统，包括串接的电子固态开关器件与机械开关，其特征在于，断路器系统配置有MCU及硬件保护电路，硬件保护电路与MCU连接，其中硬件保护电路和MCU分别接入若干传感器来获取断路器运行状态检测信号，MCU以状态机方式控制电子固态开关器件动作；并且断路器系统设置有防雷系统，防雷系统包括退耦电路及第一防雷电路、第二防雷电路、第三防雷电路、第四防雷电路，第一防雷电路配置于机械开关前端并接于断路器输出端正和断路器输出端负之间，第二防雷电路接于机械开关后端和电流采样模块的前端或后端，其中该电流采样模块串接于电子固态开关器件后端和断路器输入端负之间；第三防雷电路配置于电子固态开关器件前端并接于断路器母线，第四防雷电路跨接于电子固态开关器件，退耦电路接于机械开关后端和电子固态开关器件前端。

2.如权利要求1所述的断路器系统，其特征在于，包括自检、休眠、待机、全合、全关及保护状态，MCU控制断路器系统在各状态之间切换。

3.如权利要求2所述的断路器系统，其特征在于，定时监测断路器控制信号和检测信号以及刷新断路器运行状态，并本地存储或上传相应数据。

4.如权利要求1所述的断路器系统，其特征在于，MCU连接机械开关的电磁脱扣驱动电路，用以输出MCU控制信号至电磁脱扣驱动电路，并由驱动磁脱扣机构直接关断机械开关。

5.如权利要求1所述的断路器系统，其特征在于，MCU内部配置有通信模块来组成通信单元来实现数字化通信。

6.如权利要求1-5任一项所述的断路器系统，其特征在于，断路器装配基体设置有地址模块，断路器设置有地址识别模块，当断路器安装到装配基体时，地址识别模块与地址模块连接，以便读取地址模块中的地址信息并写入断路器。