CN1316532C - 数字标定电能过负荷断路系统 - Google Patents

Abstract

数字标定电能过负荷断路系统属于电能过负荷保护技术领域。尤其是以数字形式标定并具电能累计显示功能的实施电能过负荷速断和反时限保护的断路器。断路器实施的过负荷断路保护以数字形式按功率值标定。它是通过串接在主回路中的分流器获取主回路的电压电流信号经电能脉冲转换模块将主回路消耗的电能实时转换成相应的电能脉冲，内部微控制器系统依据检测到的代表实际功率大小的电能脉冲密度对照数字标定值智能决定保护动作的实施。

Description

数字标定电能过负荷断路系统

技术领域

本发明属于电能过负荷保护技术领域。尤其是以数字形式标定并具电能累计显示功能的实施电能过负荷速断和反时限保护的断路器。

背景技术

保护电器大体上可分为熔断器、非选择型断路器和选择型断路器三类。熔断器的选择性好，分断能力高，尺寸较小，价格便宜，但保护功能单一且为一次性器件。非选择型断路器可以手操复位，有反时限特性的长延时脱扣器和瞬时过流脱扣器两段保护功能，市电配电常用的小型断路器即属于这一类。选择型断路器则具有多种保护功能，且多具有智能特点，除防护功能外，还有测量、记录及通信等功能，价格较高，尺寸较大，多用于干线和重要分干线。

目前，广泛用于市电配电的小型断路器是依金属热元件进行过负荷检测并进一步通过脱扣机构实施保护动作的空气开关。具体是通过不同规格的金属热元件对应各种额定保护电流值。由于金属热元件的物理特性及整个机构的离散性使得空气开关的实际动作电流与保护动作曲线的标定值有不同程度的偏差，而且同一个空气开关的这种动作偏差也因环境及工作电流过流形式的不同而不同。这类断路器对超过其额定保护电流值较大的过流有确定或一致的动作，而对超过其额定保护电流值较小的过流不能确知预定保护动作的发生，长时间的低幅度过流更可能对器件本身造成不可恢复的损坏。在市电配电应用中多个断路器采用树型多级串联结构连接，且上级断路器的额定保护电流大于下级断路器的额定保护电流，从而实现自下而上的分级保护。由于上述动作偏差的存在，在各级断路器参数选择保证用电安全的前提下，实际使用中越级保护的情况时有发生。也有额定保护电流值可调的空气开关，就是由人工参照外部刻度调节内部机械间隙，以使产品在调整范围内适应不同的应用。这种形式除了增加产品的适用性，对动作偏差没有实质性的改进，而且由于调整环节的引入、人工对应的误差以及使用现场测试条件的限制，保护动作发生的预定性更差。另外，配电系统负荷量所对应的应该是电功率，上述空气开关中的金属热元件检测的也是电功率的变化，而习惯采用的以电流量衡量和标定负荷量的前提是供电电压保持为额定值不变。由于供电设备、线路传输、用电周期，负荷匹配等诸多因素的影响，实际供电电压与额定电压存在有动态偏差，以电流值标定的负荷量的可参照性因此而受到影响。

发明内容

本发明的目的就是提供一种能准确标定动作负荷值、能根据电能过负荷形式的不同在不同的可预知的确定时刻实施保护动作、进行电能累计、为用电安全和用电故障诊断提供保障和方便的数字标定电能过负荷断路系统。

为了克服现有市电配电用小型断路器在保护动作确定性方面的不足，本发明借鉴选择型断路器功能特点，在小型断路器的尺寸及成本框架下，提供一种数字标定的电能过负荷断路器，该小型数字断路器不仅能准确标定动作负荷值，而且能根据电能过负荷形式的不同在不同的可预知的确定时刻实施保护动作，同时还可进行电能累计，通过辅助输出手段显示输出标定的额定负荷量、实时负荷量和累计电能值，可兼作电能表使用；当分级配合使用时，各级断路器参数可实现精密明确配合，为用电安全和用电故障诊断提供保障和方便。

本发明的技术构思是，在断路器中用电路将检测的交流电压和电流信号放大、相乘，并通过电压/频率转换将电能信号按比例数变为脉冲频率信号；微控制器对脉冲进行计数实现电量累计功能，并将脉冲密度对应成实际电功率进行实时定量监视，根据速断及反时限保护算法，综合分析工作负荷及其变化趋势和速率，对照以数值标定的额定负荷值，动态确定保护判据，对线路实施准确、及时和合理的保护。

本发明的技术解决方案是，一种数字标定电能过负荷断路系统，在绝缘外壳中，交流220伏相线入端、检流元件、断路元件和交流220伏相线出端顺序电连接，交流220伏零线入端直接连接到交流220伏零线出端，其特征在于，检流元件采用锰铜制成的分流器，断路元件采用具有两组常开触点的继电器，交流220伏相线入端通过分流器和继电器的一组常开触点连接到220伏相线出端。

分流器通过三个中间引出端与电能脉冲转换模块相连接，交流220伏零线通过内部支路也与电能脉冲转换模块相连接；电能脉冲转换模块的脉冲输出端经过信号变换电路连接到微控制器系统；微控制器系统可控制继电器吸合和释放的输出控制端通过驱动电路与继电器控制端相接。

绝缘外壳正面布置有四位数码显示输出、两个LED指示灯和一个非锁定输入按键；数码显示输出在内部通过显示驱动连接到微控制器，输入按键和一个LED指示灯也在内部连接到微控制器，另一个LED指示灯则通过一个限流电阻和一个保护二极管与继电器的另一组常开触点串接成一条支路跨接在交流220伏相线入端和零线入端之间。

断路器实施的过负荷断路保护以数字形式按功率值标定，微控制器系统依此数字标定值对照检测到的代表实际功率大小的电能脉冲密度决定实施保护动作。

本发明达到的的有益效果是，断路器实施的过负荷断路保护以数字形式按功率值标定，准确性好而且更加合理，多级断路器配合工作确定性好、工作可靠；可进行实时功率监视，兼作电能表使用时方便各分回路用电量的统计或对特定支路的电器进行单独计量，例如冰箱、空调等。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明的电路原理图。

图2A～2D是实施例1外部及构造示意图，其中的图2A是实施例1的正面视图，

图2B是相应的侧面视图并给出内部前板和内部后板等的位置指示，

图2C是内部前板的元件安排图，图2D是内部后板的元件安排图。

图3A～3D是实施例2外部及构造示意图，其中的图3A是实施例1的正面视图，

图3B是相应的侧面视图并给出内部前板和内部后板等的位置指示，

图3C是内部前板的元件安排图，

图3D是内部后板的元件安排图。

图中，1.分流器，2.电能脉冲转换模块，3.电源变换电路，4.信号变换电路，5.驱动电路，6.控制继电器，7.微控制器，8.非易失性存储器，9.电源监视模块，10.显示驱动，11.显示输出，12.通断状态指示灯，13.工作状态指示灯，14.输入按键，15.继电器常开触点I，16.  继电器常开触点II，17.前板接线座，18.后板接线座，19.晶振，20.晶振，21.交流220伏相线入端，22.大地线入端，23.交流220伏零线入端，24.交流220伏相线出端，25.大地线出端，26.交流220伏零线出端，27.前板板体，28.后板板体。

具体实施方式

正常交流220伏供电分为火线和零线两端，电流从火线端通过负载回路控制开关+负载元件回到零线端。在图1中，正常供电时，由微控制器7通过驱动电路5控制继电器6吸合，从而继电器常开触点I15和继电器常开触点II16均接通。一方面，火线经交流220伏相线入端21、分流器1、继电器常开触点I15输出至交流220伏相线出端24，并与经交流220伏零线入端23接入、由交流220伏零线出端26引出的零线一同用于进一步连接负载回路；一方面，通断状态指示灯12所在辅助回路接通，灯被点亮，指示当前处于正常供电状态。电能脉冲转换模块2通过由锰铜制成的分流器1检测流过供电回路的电流及供电电压，在内部将检测信号放大、相乘，并通过电压/频率转换将结果转变为实时脉冲频率信号，其中脉冲个数与电能消耗是成比例的。脉冲串经信号变换电路4进行电平转换必要时进行光电隔离后送入微控制器7。微控制器7在程序控制下实时累计脉冲个数，并经一定的间隔时间记录累计值到非易失性存储器8，以防断电造成累计值的丢失；同时将累计脉冲数对应成累计电能值千瓦时经显示驱动10送至显示输出11进行显示。微控制器7还在程序控制下实时监视单位时间内的脉冲个数以及相邻脉冲到来的间隔时间，并由此对应出供电回路的实时功率值。将实际负荷量与以数字形式按功率值标定的额定负荷量相比较，结合由反时限算法得出的延时时间值，动态确定保护实施条件。决定实施保护时，微控制器7一方面通过驱动电路5控制继电器6释放，从而继电器常开触点I15和继电器常开触点II16均断开，供电回路被切断，通断状态指示灯12也同时熄灭，另一方面通过输出端口使工作状态指示灯13不停闪烁，指示系统已处于保护状态。该保护状态也同时记录到非易失性存储器8中，确保该保护状态一直保持，不受入端断电再送电的影响。直至通过输入按键14进行人工干预，系统才使工作状态指示灯13停止闪烁，控制继电器6重新吸合，从而回到正常工作状态。在正常工作状态，也可用输入按键14进行人工干预，使系统切换控制继电器6的当前状态(吸合/释放)，从而实现常规供电的通断控制。正常工作状态下控制继电器6的当前状态也记录到非易失性存储器8中，入端断电再送电后，控制继电器6的当前状态不变。晶振19配合电能脉冲转换模块2工作，确保其基本节拍的稳定并与分流器1一起决定电能量与转换后的脉冲频率信号的比例关系。晶振20保证微控制器7基本定时的准确性。由分流器1及其它相关部分造成电能量到脉冲转换的偏差需要使用转换标定参数进行修正，这些转换标定参数也存储在非易失性存储器8中。电能脉冲转换模块2的核心器件采用上海贝岭公司生产的BL0932，控制继电器6继电器常开触点I15的触点容量与标定的保护电流值相比应留有足够的余量，一般保留3倍余量。

                           实施例1

在图2A～2D中，交流220伏火线和零线分别由上部的交流220伏相线入端21和交流220伏零线入端23接入，由下部的交流220伏相线出端24和交流220伏零线出端26引出；正面中间偏上为4位LED数码管作为显示输出11用于累计电量及其它相关信息的显示，正面中间偏下依次排列着通断状态指示灯12、输入按键14和工作状态指示灯13；背面的凹槽用于到标准导轨的安装；内部为双板结构，前板板体27上主要排列与状态显示输出和控制输入相关的部件，从而与外部正面中间部分的安排相配合，其余相关部件均安排在后板板体28上，前板板体27和后板板体28通过相对应的前板接线座17和后板接线座18进行信号连接。

比照现行入户空开及各分回路空开，除外观尺寸因替代应用的需要而保持大体相同以外，结构上由于二者实现保护的机理的不同而完全不同。空气开关型小型断路器内部主要包括金属热元件及相配合的一套脱扣机构，是依金属热元件进行过负荷检测并进一步通过脱扣机构实施保护动作；外部则有通断扳手便于人工进行通断控制，或有通断及复位按钮连通内部机械机构用于人工通断及保护后的复位控制。实施例1则在内部主要有两块布有元件的电路板，通过其上由锰铜制成的分流器检测流过供电回路的电流及供电电压，并进一转化成同实际电能消耗相对应的脉冲信号送入微控制器，一方面对脉冲计数实现电量累计，一方面实时监视单位时间内的脉冲个数以及相邻脉冲到来的间隔时间，由此对应出供电回路的实时功率，并据此决定是否通过微控制器控制下的继电器实施相应的断路保护。面板按钮用来通过微控制器控制继电器实现人工通断功能。面板上的数码显示窗口用来显示累计用电量等信息。

                         实施例2

在图3A～3D中，交流220伏火线和零线以及大地线由后面或侧面分别接入到交流220伏相线入端21和交流220伏零线入端23以及大地线入端22，由前面的三线插座所连接的交流220伏相线出端24和交流220伏零线出端26以及大地线入端25引出，同时也由前面的两线插座所连接的交流220伏相线出端24和交流220伏零线出端26引出；正面偏上中间为4位LCD数码显示作为显示输出11用于累计电量及其它相关信息的显示，通断状态指示灯12和工作状态指示灯13在正面偏上左边分上下排列，输入按键14在正面偏上右边；内部为双板结构，前板板体27上主要排列与状态显示输出和控制输入相关的部件，从而与外部正面中间部分的安排相配合，其余相关部件均安排在后板板体28上，前板板体27和后板板体28通过相对应的前板接线座17和后板接线座18进行信号连接。

比照现行室内墙壁内嵌式电源插座，除外观尺寸及电源引出插孔排列因替代应用的需要而保持大体相同以及作为电源插座的基本功能相同以外，二者在内部结构及功能方面相差极大。普通内嵌式电源插座只是用来与电源插头相配合，方便电源的引出；也有的内嵌式电源插座在面板上另增加有一、两个独立开关，方便自行配线使用。实施例2则通过增加在内部的两块布有元件的电路板，通过其上由锰铜制成的分流器检测流过供电回路的电流及供电电压，并进一转化成同实际电能消耗相对应的脉冲信号送入微控制器，一方面对脉冲计数实现电量累计，一方面实时监视单位时间内的脉冲个数以及相邻脉冲到来的间隔时间，由此对应出供电回路的实时功率，并据此决定是否通过微控制器控制下的继电器实施相应的断路保护。面板按钮用来通过微控制器控制继电器实现人工通断功能。面板上的数码显示窗口用来显示累计用电量等信息。

Claims (3)

1.一种数字标定电能过负荷断路系统，在绝缘外壳中，交流220伏相线入端、检流元件、断路元件和交流220伏相线出端顺序电连接，交流220伏零线入端直接连接到交流220伏零线出端，其特征在于，检流元件采用锰铜制成的分流器，断路元件采用具有两组常开触点的继电器，交流220伏相线入端通过分流器和继电器的一组常开触点连接到220伏相线出端；分流器通过三个中间引出端与电能脉冲转换模块相连接，交流220伏零线通过内部支路也与电能脉冲转换模块相连接；电能脉冲转换模块的脉冲输出端经过信号变换电路连接到微控制器系统；微控制器系统可控制继电器吸合和释放的输出控制端通过驱动电路与继电器控制端相接。

2.根据权利要求1所述的一种数字标定电能过负荷断路系统，其特征在于，绝缘外壳正面布置有四位数码显示输出、两个LED指示灯和一个非锁定输入按键；数码显示输出在内部通过显示驱动连接到微控制器，输入按键和一个LED指示灯也在内部连接到微控制器，另一个LED指示灯则通过一个限流电阻和一个保护二极管与继电器的另一组常开触点串接成一条支路跨接在交流220伏相线入端和零线入端之间。

3.根据权利要求1所述的一种数字标定电能过负荷断路系统，其特征在于，断路器实施的过负荷断路保护以数字形式按功率值标定，微控制器系统依此数字标定值对照检测到的代表实际功率大小的电能脉冲密度决定实施保护动作。