CN203722201U - 一种低压直流系统短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低压直流系统短路保护电路，正极侧电流取样电阻一端与低压直流系统正极输出端、正极短路保护电路电流取样端连接，另一端经正极侧电压取样电阻、公共电阻、负极侧电压取样电阻与低压直流系统负极输出端连接，正极侧电压取样电阻与公共电阻的公共端与正极短路保护电路电压取样端连接，负极侧电压取样电阻与公共电阻的公共端与负极短路保护电路电压取样端连接，低压直流系统负极输出端经负极侧电流取样电阻与负极短路保护电路电流取样端连接，正、负极短路保护电路的同步信号输入、输出端相应连接，正、负极短路保护电路同时具有差电流保护子电路和/或低阻抗保护子电路外，还可具有过电流保护子电路，以实现差电流、过电流及低阻抗的保护。

Description

一种低压直流系统短路保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种短路保护电路，尤指一种应用于低压直流系统的短路保护电路，属于电气工程领域。

背景技术

低压直流系统是电气工程领域中常见供电系统。目前，为低压直流系统配套的保护电器主要有框架式自动空气断路器、塑壳断路器、微型塑壳断路器，其脱扣器有动作电流在8倍至10倍以上额定电流的电磁式瞬时过电流脱扣器、动作电流在3倍以上额定电流的延时过电流脱扣器、动作电流在1.1～1.3倍及以上额定电流、动作时间在1小时以上的热脱扣器等，这些器件均是基于电流检测而为低压直流系统提供一种过电流保护，实现对低压直流系统的短路保护。

随着光伏发电产业的发展，对其内设有的低压直流系统实施精准的短路保护成为一大难题。具体来说，由于光伏发电系统中采用的光伏发电组件的伏安特性极具非线性特征，其输出端在短路时的电流与短路之前的正常工作电流相差无几，因而无法依据光伏发电组件输出端的电流变化来判断外部短路故障，也就是说，若采用目前已有的过电流保护来对光伏发电系统中的低压直流系统实施短路保护，则无法准确有效地切除短路故障，存在很大安全隐患。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种低压直流系统短路保护电路，该电路为低压直流系统提供了差电流保护、过电流保护以及低阻抗保护(即低电压保护)三种短路保护措施，其中的低阻抗保护特别适用于光伏发电系统中的低压直流系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种低压直流系统短路保护电路，其特征在于：它包括正极短路保护电路、负极短路保护电路，正极侧电流取样电阻的一端与低压直流系统的正极输出端、该正极短路保护电路的电流取样端连接，该正极侧电流取样电阻的另一端依次经由正极侧电压取样电阻、公共电阻、负极侧电压取样电阻与该低压直流系统的负极输出端连接，该正极侧电流取样电阻与该正极侧电压取样电阻的公共端作为负载正极端，该正极侧电压取样电阻与该公共电阻的公共端与该正极短路保护电路的电压取样端连接，该正极短路保护电路的同步信号输出端与该负极短路保护电路的同步信号输入端连接，该负极侧电压取样电阻与该公共电阻的公共端与该负极短路保护电路的电压取样端连接，该低压直流系统的负极输出端经由负极侧电流取样电阻与该负极短路保护电路的电流取样端连接且该负极短路保护电路的电流取样端同时作为负载负极端，该负极短路保护电路的同步信号输出端与该正极短路保护电路的同步信号输入端连接，该正极短路保护电路、该负极短路保护电路的跳闸信号输出端分别与该低压直流系统中相应的跳闸线圈连接，其中：该正极短路保护电路、该负极短路保护电路同时具有差电流保护子电路和/或低阻抗保护子电路。

在实际应用中，各个所述跳闸线圈为同一跳闸线圈或不同的跳闸线圈。

在实际设计中，对于所述正极短路保护电路：

所述差电流保护子电路包括电流幅值比较器，该电流幅值比较器的一个输入端与所述正极短路保护电路的电流取样端连接而另一个输入端与锯齿波信号发生器的输出端连接，该锯齿波信号发生器的脉冲信号输入端与锁相环时钟脉冲信号发生器的输出端连接，该锁相环时钟脉冲信号发生器的同步控制输入端与所述负极短路保护电路的同步信号输出端连接，电流差比较器的两个输入端分别与该电流幅值比较器的输出端、所述正极短路保护电路的同步信号输入端连接，该电流差比较器的输出端依次经由差电流保护判定电路、时间继电器、差电流保护启动电路与相应所述跳闸线圈连接，

所述低阻抗保护子电路包括电压幅值比较器，该电压幅值比较器的一个输入端经由反相器与所述正极短路保护电路的电压取样端连接而另一个输入端与该锯齿波信号发生器的输出端连接，电流方向鉴别器的一个输入端与所述正极短路保护电路的电流取样端连接而另一个输入端接比较基准电压，该电流方向鉴别器、该电压幅值比较器的输出端分别与电流方向开关的相应信号接收端连接，该电流方向开关的信号输出端依次经由低阻抗保护判定电路、时间继电器、低阻抗保护启动电路与相应所述跳闸线圈连接；

对于所述负极短路保护电路：

所述差电流保护子电路包括电流幅值比较器，该电流幅值比较器的一个输入端与所述负极短路保护电路的电流取样端连接而另一个输入端与锯齿波信号发生器的输出端连接，该锯齿波信号发生器的脉冲信号输入端与锁相环时钟脉冲信号发生器的输出端连接，该锁相环时钟脉冲信号发生器的同步控制输入端与所述正极短路保护电路的同步信号输出端连接，电流差比较器的两个输入端分别与该电流幅值比较器的输出端、所述负极短路保护电路的同步信号输入端连接，该电流差比较器的输出端依次经由差电流保护判定电路、时间继电器、差电流保护启动电路与相应所述跳闸线圈连接，

所述低阻抗保护子电路包括电压幅值比较器，该电压幅值比较器的一个输入端与所述负极短路保护电路的电压取样端连接而另一个输入端与该锯齿波信号发生器的输出端连接，电流方向鉴别器的一个输入端与所述负极短路保护电路的电流取样端连接而另一个输入端接比较基准电压，该电流方向鉴别器、该电压幅值比较器的输出端分别与电流方向开关的相应信号接收端连接，该电流方向开关的信号输出端依次经由低阻抗保护判定电路、时间继电器、低阻抗保护启动电路与相应所述跳闸线圈连接。

较佳地，在实际设计中，所述正极短路保护电路的同步信号输出端经由光电耦合器与所述负极短路保护电路的同步信号输入端连接；所述负极短路保护电路的同步信号输出端经由光电耦合器与所述正极短路保护电路的同步信号输入端连接。

在实际设计中，除了具有差电流保护子电路和/或低阻抗保护子电路外，所述正极短路保护电路、所述负极短路保护电路还可同时具有过电流保护子电路。

在实际设计中，对于所述正极短路保护电路：所述过电流保护子电路包括过电流保护判定电路，该过电流保护判定电路的输入端与所述正极短路保护电路的所述电流幅值比较器的输出端连接，该过电流保护判定电路的输出端依次经由时间继电器、过电流保护启动电路与相应所述跳闸线圈连接；

对于所述负极短路保护电路：所述过电流保护子电路包括过电流保护判定电路，该过电流保护判定电路的输入端与所述负极短路保护电路的所述电流幅值比较器的输出端连接，该过电流保护判定电路的输出端依次经由时间继电器、过电流保护启动电路与相应所述跳闸线圈连接。

本实用新型除了由上述具有同步时序特点的模拟与逻辑混合电路构成外，还可以采用单片机与模拟、逻辑电路混合构成，具体实现为：

所述正极短路保护电路中的所述锁相环时钟脉冲信号发生器、所述电流差比较器、所述差电流保护判定电路、所述单稳态触发器、所述过电流判定用定时器、所述过电流保护判定电路、所述电流方向鉴别器、所述低阻抗判定用定时器、所述电流方向开关、所述低阻抗保护判定电路、所有所述时间继电器由一个单片机替代；所述负极短路保护电路中的所述锁相环时钟脉冲信号发生器、所述电流差比较器、所述差电流保护判定电路、所述单稳态触发器、所述过电流判定用定时器、所述过电流保护判定电路、所述电流方向鉴别器、所述低阻抗判定用定时器、所述电流方向开关、所述低阻抗保护判定电路、所有所述时间继电器由一个单片机替代。

本实用新型的优点是：

本实用新型依据低压直流系统的电路结构特征及短路故障的电路特征，为低压直流系统提供了差电流保护、过电流保护以及低阻抗保护(即低电压保护)三种短路保护措施且这三种短路保护可视实际需要选择启用，其中的低阻抗保护特别适用于光伏发电系统中的低压直流系统，本实用新型实现的短路故障判断准确、可靠，能以最快速度切除电气短路故障，将故障危害限制在最低范围。

当本实用新型应用于光伏发电系统中的低压直流系统中时，本实用新型可对光伏发电系统中的光伏发电组件的回路及外部短路故障解决已有过电流保护存在的保护灵敏性不足的问题，对区内、区外以及区内外异地接地短路故障提供可靠且具有选择性的保护。

附图说明

图1是本实用新型的组成框图。

图2是本实用新型一较佳实施例的电路图。

图3是本实用新型另一较佳实施例的电路图。

具体实施方式

本实用新型低压直流系统短路保护电路用于对低压直流系统进行短路保护，该低压直流系统为电气工程领域中常用的熟知供电系统，包括基本的供电电器设备，故其具体构成不在这里详述。

如图1，本实用新型连接在低压直流系统的正极输出端X1与负极输出端X3之间，如图，本实用新型低压直流系统短路保护电路包括正极短路保护电路100、负极短路保护电路200，正极侧电流取样电阻301的一端与低压直流系统的正极输出端X1、该正极短路保护电路100的电流取样端连接，该正极侧电流取样电阻301(即图2中所示R1)的另一端依次经由正极侧电压取样电阻302(即图2中所示R2)、公共电阻305(即图2中所示R5)、负极侧电压取样电阻304(即图2中所示R4)与该低压直流系统的负极输出端X3连接，该低压直流系统的负极输出端X3作为该负极短路保护电路200的局部参考地(如图2中所示G2)，该正极侧电流取样电阻301与该正极侧电压取样电阻302的公共端作为负载正极端X2且作为该正极短路保护电路100的局部参考地(如图2中所示G1)，该正极侧电压取样电阻302与该公共电阻305的公共端与该正极短路保护电路100的电压取样端连接，该正极短路保护电路100的同步信号输出端与该负极短路保护电路200的同步信号输入端连接，该负极侧电压取样电阻304与该公共电阻305的公共端与该负极短路保护电路200的电压取样端连接，该低压直流系统的负极输出端X3经由负极侧电流取样电阻303(即图2中所示R3)与该负极短路保护电路200的电流取样端连接且该负极短路保护电路200的电流取样端同时作为负载负极端X4，负载正极端X2与负载负极端X4之间用来连接负载，该负极短路保护电路200的同步信号输出端与该正极短路保护电路100的同步信号输入端连接，该正极短路保护电路100、该负极短路保护电路200的跳闸信号输出端分别与该低压直流系统中相应的跳闸线圈连接，其中：该正极短路保护电路100、该负极短路保护电路200同时具有差电流保护子电路和/或低阻抗保护子电路，换句话说，该正极短路保护电路100、该负极短路保护电路200可一起设有差电流保护子电路，或者一起设有低阻抗保护子电路，或者一起设有差电流保护子电路以及低阻抗保护子电路。

在实际设计中，如图1，较佳地，正极短路保护电路100的同步信号输出端经由光电耦合器306与负极短路保护电路200的同步信号输入端连接，负极短路保护电路200的同步信号输出端经由光电耦合器307与正极短路保护电路100的同步信号输入端连接。

本实用新型为低压直流系统提供了三种短路保护措施，除了上述差电流保护子电路实现的差电流保护以及上述低阻抗保护子电路实现的低阻抗保护(也称为低电压保护)外，还有过电流保护子电路实现的过电流保护，也就是说，在该正极短路保护电路100、该负极短路保护电路200同时具有差电流保护子电路和/或低阻抗保护子电路的基础上，该正极短路保护电路100、负极短路保护电路200还可同时具有过电流保护子电路。

如图1，对于正极短路保护电路100：

差电流保护子电路包括电流幅值比较器104，该电流幅值比较器104的一个输入端(负输入端)与正极短路保护电路100的电流取样端连接，用于接收低压直流系统正极输出端X1处经由正极侧电流取样电阻301采集的电流取样信号，而电流幅值比较器104的另一个输入端(正输入端)与锯齿波信号发生器103的输出端连接，该锯齿波信号发生器103的脉冲信号输入端与锁相环时钟脉冲信号发生器101的输出端连接，该锁相环时钟脉冲信号发生器101的同步控制输入端与负极短路保护电路200的同步信号输出端连接，用于接收负极短路保护电路200输出的同步电流信号，正负基准电压源102为该锯齿波信号发生器103提供一正一负两个基准电压信号(其中一个基准电压信号可由另一个基准电压信号经过运算放大器输出或者经由分压电阻分割产生)，该正负基准电压源102的中间接点与局部参考地G1连接，电流差比较器105的两个输入端分别与该电流幅值比较器104的输出端、正极短路保护电路100的同步信号输入端连接，分别用于接收该电流幅值比较器104输出的电流幅值比较结果信号、负极短路保护电路200输出的同步电流信号，该电流差比较器105的输出端依次经由差电流保护判定电路107、时间继电器108、差电流保护启动电路109与相应跳闸线圈401的接线端连接。

过电流保护子电路包括过电流保护判定电路111，该过电流保护判定电路111的输入端与正极短路保护电路100的电流幅值比较器104的输出端连接，该过电流保护判定电路111的输出端依次经由时间继电器112、过电流保护启动电路113与相应跳闸线圈402的接线端连接。

低阻抗保护子电路包括电压幅值比较器115，该电压幅值比较器115的一个输入端(负输入端)经由反相器121与正极短路保护电路100的电压取样端连接，用于接收低压直流系统正极输出端X1处经由正极侧电压取样电阻302采集的电压取样信号，而电压幅值比较器115的另一个输入端(正输入端)与该锯齿波信号发生器103的输出端连接，电流方向鉴别器114的一个输入端与正极短路保护电路100的电流取样端连接而另一个输入端接比较基准电压(如图2中所示V0⁺)，该电流方向鉴别器114、该电压幅值比较器115的输出端分别与电流方向开关117的相应信号接收端连接，该电流方向开关117的信号输出端依次经由低阻抗保护判定电路118、时间继电器119、低阻抗保护启动电路120与相应跳闸线圈403的接线端连接。

如图1，对于负极短路保护电路200：

差电流保护子电路包括电流幅值比较器204，该电流幅值比较器204的一个输入端(负输入端)与负极短路保护电路200的电流取样端连接，用于接收低压直流系统负极输出端X3处经由负极侧电流取样电阻303采集的电流取样信号，而电流幅值比较器204的另一个输入端(正输入端)与锯齿波信号发生器203的输出端连接，该锯齿波信号发生器203的脉冲信号输入端与锁相环时钟脉冲信号发生器201的输出端连接，该锁相环时钟脉冲信号发生器201的同步控制输入端与正极短路保护电路100的同步信号输出端连接，用于接收正极短路保护电路100输出的同步电流信号，正负基准电压源202为该锯齿波信号发生器203提供一正一负两个基准电压信号(其中一个基准电压信号可由另一个基准电压信号经过运算放大器输出或者经由分压电阻分割产生)，该正负基准电压源202的中间接点与局部参考地G2连接，电流差比较器205的两个输入端分别与该电流幅值比较器204的输出端、负极短路保护电路200的同步信号输入端连接，分别用于接收该电流幅值比较器204输出的电流幅值比较结果信号、正极短路保护电路100输出的同步电流信号，该电流差比较器205的输出端依次经由差电流保护判定电路207、时间继电器208、差电流保护启动电路209与相应跳闸线圈404的接线端连接。

过电流保护子电路包括过电流保护判定电路211，该过电流保护判定电路211的输入端与负极短路保护电路200的电流幅值比较器204的输出端连接，该过电流保护判定电路211的输出端依次经由时间继电器212、过电流保护启动电路213与相应跳闸线圈405的接线端连接。

低阻抗保护子电路包括电压幅值比较器215，该电压幅值比较器215的一个输入端(负输入端)与负极短路保护电路200的电压取样端连接，用于接收低压直流系统负极输出端X3处经由负极侧电压取样电阻304采集的电压取样信号，而电压幅值比较器215的另一个输入端(正输入端)与该锯齿波信号发生器203的输出端连接，电流方向鉴别器214的一个输入端与负极短路保护电路200的电流取样端连接而另一个输入端接比较基准电压(如图2中所示V0⁺)，该电流方向鉴别器214、该电压幅值比较器215的输出端分别与电流方向开关217的相应信号接收端连接，该电流方向开关217的信号输出端依次经由低阻抗保护判定电路218、时间继电器219、低阻抗保护启动电路220与相应跳闸线圈406的接线端连接。

如图2，较佳地，在正极短路保护电路100中：电流差比较器105可包括异或非门U1；差电流保护判定电路107包括D触发器U2，该D触发器U2的输入端经反相器(此处或非门U3作为反相器)与该异或非门U1的输出端连接，该D触发器U2的时钟端经由单稳态触发器106与该异或非门U1的输出端连接；电流方向开关117包括与门U7；低阻抗保护判定电路118包括D触发器U8，该D触发器U8的输入端与该与门U7的输出端连接，该D触发器U8的时钟端经由低阻抗判定用定时器116与锁相环时钟脉冲信号发生器101的输出端连接；过电流保护判定电路111包括D触发器U5，该D触发器U5的输入端经反相器(此处或非门U4作为反相器)与电流幅值比较器104的输出端连接，该D触发器U5的时钟端经由过电流判定用定时器110与锁相环时钟脉冲信号发生器101的输出端连接；差电流保护启动电路109包括中间继电器K1，过电流保护启动电路113包括中间继电器K2，低阻抗保护启动电路120包括中间继电器K3。

同理，较佳地，在负极短路保护电路200中：电流差比较器205包括异或非门；差电流保护判定电路207包括D触发器，该D触发器的输入端经反相器与该异或非门的输出端连接，该D触发器的时钟端经由单稳态触发器206与该异或非门的输出端连接；电流方向开关217包括与门；低阻抗保护判定电路218包括D触发器，该D触发器的输入端与该与门的输出端连接，该D触发器的时钟端经由低阻抗判定用定时器216与锁相环时钟脉冲信号发生器201的输出端连接；过电流保护判定电路211包括D触发器，该D触发器的输入端经反相器与电流幅值比较器204的输出端连接，该D触发器的时钟端经由过电流判定用定时器210与锁相环时钟脉冲信号发生器201的输出端连接；差电流保护启动电路209、过电流保护启动电路213、低阻抗保护启动电路220均包括中间继电器。

在本实用新型中，锁相环时钟脉冲信号发生器101和201、正负基准电压源102和202(如采用TL431)、锯齿波信号发生器103和203、电流幅值比较器104和204、电流方向鉴别器114和214、电压幅值比较器115和215等均为本领域的熟知电子器件，故其具体构成不在这里详述。

需要说明的是，在本实用新型中，除了因取样点电压信号的极性相反，正极短路保护电路100比负极短路保护电路200多了一个反相器121之外，正极短路保护电路100与负极短路保护电路200的内部电路组成相同，它们的工作原理也基本相同，故图2和图3中未示出负极短路保护电路200的内部电路构造。

在实际应用中，如图1，各个跳闸线圈401～406可为同一跳闸线圈或不同的跳闸线圈。跳闸线圈可为脱扣器等保护器件上的跳闸线圈。

优选地，可在本实用新型相应位置处设置选择开关，选择开关可以选用保护压板来实现，根据实际需要来对正极短路保护电路100、负极短路保护电路200的差电流保护、过电流保护、低阻抗保护功能进行独立开启或关闭控制，当然，正极短路保护电路100、负极短路保护电路200开启的功能应同步一致。例如，以正极短路保护电路100为例说明，如图2所示，图2中设置了选择开关S1、S2和S3，分别用来控制差电流保护功能、过电流保护功能、低阻抗保护功能的开启与关闭，在图2中，当选择开关S1接通高电平时，开启差电流保护功能，反之，当选择开关S1接通低电平时，关闭差电流保护功能，同理，当选择开关S2接通高电平时，开启过电流保护功能，反之，当选择开关S2接通低电平时，关闭过电流保护功能，当选择开关S3接通高电平时，开启低阻抗保护功能，反之，当选择开关S3接通低电平时，关闭低阻抗保护功能。

下面主要以正极短路保护电路100为例，来说明本实用新型实现的差电流保护功能、过电流保护功能、低阻抗保护功能的实现原理。

如图2，锁相环时钟脉冲信号发生器101若接收到对方(负极短路保护电路200)发来的同步电流信号，则仅在同步电流信号的下降沿起同步作用(同步于下降沿)。锁相环时钟脉冲信号发生器101向锯齿波信号发生器103输出时钟脉冲信号，使得锯齿波信号发生器103在每一时钟脉冲的上升沿触发输出一个锯齿波，锯齿波的下顶点与负基准电压对应，上顶点与正基准电压对应。

在锁相环时钟脉冲信号发生器101向锯齿波信号发生器103输出时钟脉冲信号的同时，其也向过电流判定用定时器110输送时钟脉冲信号(即过电流判定用定时器110与锯齿波信号发生器103同步工作)，过电流判定用定时器110对每一时钟脉冲的上升沿触发输出一个上升沿延时的脉冲。

电流幅值比较器104的正、负输入端分别接收锯齿波信号发生器103输出的周期性锯齿波信号、经由正极侧电流取样电阻301采集的电流取样信号，然后对其两者之间进行幅值比较，输出以脉冲宽度为特征的电流幅值比较结果信号(锯齿波信号大于电流取样信号时，电流幅值比较器104输出高电平，即电流幅值比较结果信号中以高电平变位输出)。然后，该电流幅值比较结果信号分三路。

第一路作为同步电流信号经光电耦合器U9光电隔离后向负极短路保护电路200输出。

第二路向D触发器U5输送，当开启过电流保护功能(选择开关S2接高电平)时，该电流幅值比较结果信号经或非门U4反相后送入D触发器U5的输入端(D端)，根据整定电流对过电流判定用定时器110的延时时间进行设定，并将过电流判定用定时器110输出的延时脉冲信号作为D触发器U5的时钟信号，于是，D触发器U5基于接收的延时脉冲信号对电流幅值比较结果信号的反相信号中的脉冲宽度实现测量，并将测量结果输出。当流经电流取样电阻R1的电流持续大于整定电流时，D触发器U5持续输出高电平而驱动时间继电器112，经过时间继电器112进行时间限定后，即流经正极侧电流取样电阻R1的电流持续大于整定电流的时间达到时间继电器112的限定时间后，向中间继电器K2的线圈输送高电平，于是线圈得电，过电流跳闸，实现过电流保护。当流经正极侧电流取样电阻R1的电流低于整定电流后，在延时时间到达之前，D触发器U5的输出已为低电平“0”，从而该中间继电器K2的线圈立刻失电，停止过电流保护。该过电流保护对于光伏发电组件与正、负极输出端X1、X3之间一点短路或者两点异地接地短路的(反方向)电流超限有可靠的过流保护作用，而对于区外的短路故障，由于没有足够的故障电流流经，因而过电流保护不起作用。

第三路向异或非门U1的一端输送，该异或非门U1的另一端接收负极短路保护电路200发来的同步电流信号(负极短路保护电路200输出的电流幅值比较结果信号)，于是异或非门U1对正、负极短路保护电路100、200分别输出的电流幅值比较结果信号进行比较，若两者的脉冲宽度一样，即流经正极侧电流取样电阻R1的电流与流经负极侧电流取样电阻R3的电流一样，则输出低电平，否则输出高电平。当开启差电流保护功能(选择开关S1接高电平)时，该异或非门U1输出的电平信号经或非门U3反相后送入D触发器U2的输入端(D端)，同时异或非门U1输出的电平信号也输送给单稳态触发器106，单稳态触发器106的负逻辑输出端输出的脉冲信号作为D触发器U2的时钟信号。通过对单稳态触发器106输出的脉冲信号的宽度进行设定(如设定脉冲信号宽度为被测电流的容许测量误差与可靠性系数乘积)，使D触发器U2基于接收到单稳态触发器106输出的脉冲信号，对脉冲宽度差值进行测量(即对正、负极短路保护电路100、200分别输出的电流幅值比较结果信号中的脉冲宽度差值进行测量)，并将测量结果输出。正常情况下，流经正极侧电流取样电阻R1的电流与流经负极侧电流取样电阻R3的电流是一样的，在单稳态触发器106输出脉冲信号结束之前，D触发器U2的输出已为低电平“0”，从而该中间继电器K1的线圈为失电状态，不进行差电流保护。当脉冲宽度差值持续大于设定差异阈值(即在单稳态触发器106输出脉冲信号结束的时刻，D触发器U2仍然接收高电平，差异仍然存在)时，D触发器U2持续输出高电平而驱动时间继电器108，经过时间继电器108进行时间限定后，即脉冲宽度差值持续大于设定差异阈值的时间达到时间继电器108的限定时间后，向中间继电器K1的线圈输送高电平，于是线圈得电，差电流跳闸，实现差电流保护。当经差电流保护后恢复正常时，D触发器U2又输出低电平“0”，于是差电流保护停止。在差电流保护中，两个光电耦合器U9、U10起到了将正负极短路保护连接在一起同步工作的作用。该差电流保护可对正、负极输出端X1、X3中任一点构成的两点异地接地故障起到差电流保护作用，对因任何原因造成的正、负极输出端X1、X3之间电流不平衡而发生的短路故障均有效，对极小的故障电流具有极高的灵敏性。

在锁相环时钟脉冲信号发生器101向锯齿波信号发生器103输出时钟脉冲信号的同时，其也向低阻抗判定用定时器116输送时钟脉冲信号(即低阻抗判定用定时器116与锯齿波信号发生器103同步工作)，低阻抗判定用定时器116对每一时钟脉冲的上升沿触发输出一个上升沿延时的脉冲。电流方向鉴别器114检测流经正极侧电流取样电阻R1的电流方向。在本实用新型中，设定图2中箭头所示方向为正常工作电流方向。那么，当开启低阻抗(低电压)保护功能(选择开关S3接高电平)时且当实际电流方向与设定的正常工作电流方向一致时(电流方向鉴别器114向与门U7输送高电平)，低阻抗保护功能才可以使用，否则低阻抗保护功能无法使用。电压幅值比较器115的正、负输入端分别接收锯齿波信号发生器103输出的周期性锯齿波信号、经由正极侧电压取样电阻302采集的电压取样信号进行反相后得到的信号，然后对其两者之间进行幅值比较，输出以脉冲宽度为特征的电压幅值比较结果信号(锯齿波信号大于电压取样信号时，电压幅值比较器115输出高电平，即电压幅值比较结果信号中以高电平变位输出)。当低阻抗保护功能可以使用时，电压幅值比较结果信号便会送入D触发器U8的输入端(D端)。

根据整定电压对低阻抗判定用定时器116的延时时间进行设定，并将低阻抗判定用定时器116输出的延时脉冲信号作为D触发器U8的时钟信号，于是，D触发器U8基于接收的延时脉冲信号对电压幅值比较结果信号中的脉冲宽度实现测量，并将测量结果输出。当电压取样电阻R2上的电压持续低于整定电压时，D触发器U8持续输出高电平而驱动时间继电器119，经过时间继电器119进行时间限定后，即正极侧电压取样电阻R2上的电压持续低于整定电压的时间达到时间继电器119的限定时间后，向中间继电器K3的线圈输送高电平，于是线圈得电，低阻抗跳闸，实现低阻抗保护。当正极侧电压取样电阻R2上的电压大于整定电压后，或者实际电流方向与设定的正常工作电流方向反向时发生短路故障，或者选择开关S3接低电平时，在延时时间到达之前，D触发器U8的输出已为低电平“0”，此时该中间继电器K3的线圈为失电，低阻抗保护停止。该低阻抗保护特别适用于光伏发电系统中的低压直流系统。在实际中可以发现，光伏发电系统中的光伏发电组件作为电源时在短路前后其供给的电流几乎不变，而正、负极输出端X1、X3处的电压却随着外部阻抗的降低表现为电压的显著降低，因此，本实用新型利用了这个电压显著降低的特点，来对光伏发电系统的低压直流系统实现低电压保护，用于切除任何情况下引起的正、负极输出端X1、X3处电压降低的短路故障。

负极短路保护电路200的差电流保护功能、过电流保护功能、低阻抗保护功能的实现原理与正极短路保护电路100基本相同，故不再在这里赘述。

在实际设计中，本实用新型除了由上述具有同步时序特点的模拟与逻辑混合电路构成外，还可以采用单片机与模拟、逻辑电路混合构成。如图3，从图3与图2的比较可以看出，正极短路保护电路100中的锁相环时钟脉冲信号发生器101、电流差比较器105、差电流保护判定电路107、单稳态触发器106、过电流判定用定时器110、过电流保护判定电路111、电流方向鉴别器114、低阻抗判定用定时器116、电流方向开关117、低阻抗保护判定电路118、时间继电器108、112、119可由单片机U0替代。同理，负极短路保护电路200中的锁相环时钟脉冲信号发生器201、电流差比较器205、差电流保护判定电路207、单稳态触发器206、过电流判定用定时器210、过电流保护判定电路211、电流方向鉴别器214、低阻抗判定用定时器216、电流方向开关217、低阻抗保护判定电路218、时间继电器208、212、219可由一个单片机来替代。在实际中，单片机选择可发挥其替代器件所具功能的单片机即可。另外，在实际中，可以设置选择开关S1～S3并将它们与单片机连接，或者采用软件模拟的保护压板来实现选择开关的功能。

图3示出了由单片机与模拟、逻辑电路混合构成的本实用新型。在实际实施中，以正极短路保护电路100为例，单片机U0可按照下面的步骤来运行，以实现各种短路保护功能。

步骤一：经由选择开关S1～S3关闭所有短路保护功能，单片机U0上电且关闭其所有输出并进行初始化(初始化数据存储器、片内定时器及其匹配器、A/D转换器及系统状态)，开启所有DI、AI口的采样中断功能；

步骤二：滚动检查所有DI口接收的采样数据，若连续3次接收的采样数据一致，则进入步骤三，否则重复步骤二；

步骤三：经由选择开关S2、S3开启过电流和低电压保护功能，同时启动锯齿波信号发生器103；

步骤四：若单片机U0设定的时钟脉冲的前沿到达，则接收DI口和AI口的采样数据，并按照保护逻辑进行计算处理(对电压和电流执行除法运算，提供基于故障测距的距离保护)，实现阶梯、多段时限的过电流和低电压保护，否则，等待；

步骤五：检查负极短路保护电路200发来的同步电流信号，若存在同步电流信号，则经由选择开关S1开启差电流保护功能，进入步骤六，否则，跳至步骤七；

步骤六：单片机U0对锁相环时钟脉冲信号进行同步处理并输出，接收DI口和AI口的采样数据，并按照保护逻辑进行计算处理，实现差电流保护；

步骤七：单片机U0向各中间继电器K1～K3输出保护逻辑计算结果；

步骤八：计算此时取样点的电流和电压；

步骤九：在所有软件模拟的D触发器的输出处于“0”状态时，依据网络端口的请求任务，处理高级任务；

步骤十：若时钟脉冲前沿到达或者无请求任务，则跳至步骤四，由此执行循环处理。

从上述描述过程可以看出，锯齿波信号发生器103分别与电流幅值比较器104、电压幅值比较器115一起提供了快速的电流、电压测量功能，两个光电耦合器U9、U10提供了将正负极短路保护连接在一起同步工作的功能，而单片机U0通过内部建立的多套动作定值和多个时间继电器，提供了阶梯、多段时限的差电流、过电流和低电压保护功能。

本实用新型的优点是：

本实用新型依据低压直流系统的电路结构特征及短路故障的电路特征，为低压直流系统提供了差电流保护、过电流保护以及低阻抗保护(即低电压保护)三种短路保护措施且这三种短路保护可视实际需要选择启用，其中的低阻抗保护特别适用于光伏发电系统中的低压直流系统，本实用新型实现的短路故障判断准确、可靠，能以最快速度切除电气短路故障，将故障危害限制在最低范围。

当本实用新型应用于光伏发电系统中的低压直流系统中时，本实用新型可对光伏发电系统中的光伏发电组件的回路及外部短路故障解决已有过电流保护存在的保护灵敏性不足的问题，对区内、区外以及区内外异地接地短路故障提供可靠且具有选择性的保护。

以上所述是本实用新型的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，任何基于本实用新型技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本实用新型保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低压直流系统短路保护电路，其特征在于：它包括正极短路保护电路、负极短路保护电路，正极侧电流取样电阻的一端与低压直流系统的正极输出端、该正极短路保护电路的电流取样端连接，该正极侧电流取样电阻的另一端依次经由正极侧电压取样电阻、公共电阻、负极侧电压取样电阻与该低压直流系统的负极输出端连接，该正极侧电流取样电阻与该正极侧电压取样电阻的公共端作为负载正极端，该正极侧电压取样电阻与该公共电阻的公共端与该正极短路保护电路的电压取样端连接，该正极短路保护电路的同步信号输出端与该负极短路保护电路的同步信号输入端连接，该负极侧电压取样电阻与该公共电阻的公共端与该负极短路保护电路的电压取样端连接，该低压直流系统的负极输出端经由负极侧电流取样电阻与该负极短路保护电路的电流取样端连接且该负极短路保护电路的电流取样端同时作为负载负极端，该负极短路保护电路的同步信号输出端与该正极短路保护电路的同步信号输入端连接，该正极短路保护电路、该负极短路保护电路的跳闸信号输出端分别与该低压直流系统中相应的跳闸线圈连接，其中：该正极短路保护电路、该负极短路保护电路同时具有差电流保护子电路和/或低阻抗保护子电路。

2.如权利要求1所述的低压直流系统短路保护电路，其特征在于：

对于所述正极短路保护电路：

所述差电流保护子电路包括电流幅值比较器，该电流幅值比较器的一个输入端与所述正极短路保护电路的电流取样端连接而另一个输入端与锯齿波信号发生器的输出端连接，该锯齿波信号发生器的脉冲信号输入端与锁相环时钟脉冲信号发生器的输出端连接，该锁相环时钟脉冲信号发生器的同步控制输入端与所述负极短路保护电路的同步信号输出端连接，电流差比较器的两个输入端分别与该电流幅值比较器的输出端、所述正极短路保护电路的同步信号输入端连接，该电流差比较器的输出端依次经由差电流保护判定电路、时间继电器、差电流保护启动电路与相应所述跳闸线圈连接，

所述低阻抗保护子电路包括电压幅值比较器，该电压幅值比较器的一个输入端经由反相器与所述正极短路保护电路的电压取样端连接而另一个输入端与该锯齿波信号发生器的输出端连接，电流方向鉴别器的一个输入端与所述正极短路保护电路的电流取样端连接而另一个输入端接比较基准电压，该电流方向鉴别器、该电压幅值比较器的输出端分别与电流方向开关的相应信号接收端连接，该电流方向开关的信号输出端依次经由低阻抗保护判定电路、时间继电器、低阻抗保护启动电路与相应所述跳闸线圈连接；

对于所述负极短路保护电路：

所述差电流保护子电路包括电流幅值比较器，该电流幅值比较器的一个输入端与所述负极短路保护电路的电流取样端连接而另一个输入端与锯齿波信号发生器的输出端连接，该锯齿波信号发生器的脉冲信号输入端与锁相环时钟脉冲信号发生器的输出端连接，该锁相环时钟脉冲信号发生器的同步控制输入端与所述正极短路保护电路的同步信号输出端连接，电流差比较器的两个输入端分别与该电流幅值比较器的输出端、所述负极短路保护电路的同步信号输入端连接，该电流差比较器的输出端依次经由差电流保护判定电路、时间继电器、差电流保护启动电路与相应所述跳闸线圈连接，

所述低阻抗保护子电路包括电压幅值比较器，该电压幅值比较器的一个输入端与所述负极短路保护电路的电压取样端连接而另一个输入端与该锯齿波信号发生器的输出端连接，电流方向鉴别器的一个输入端与所述负极短路保护电路的电流取样端连接而另一个输入端接比较基准电压，该电流方向鉴别器、该电压幅值比较器的输出端分别与电流方向开关的相应信号接收端连接，该电流方向开关的信号输出端依次经由低阻抗保护判定电路、时间继电器、低阻抗保护启动电路与相应所述跳闸线圈连接。

3.如权利要求1或2所述的低压直流系统短路保护电路，其特征在于：

所述正极短路保护电路的同步信号输出端经由光电耦合器与所述负极短路保护电路的同步信号输入端连接；所述负极短路保护电路的同步信号输出端经由光电耦合器与所述正极短路保护电路的同步信号输入端连接。

4.如权利要求2所述的低压直流系统短路保护电路，其特征在于：

所述正极短路保护电路、所述负极短路保护电路同时具有过电流保护子电路。

5.如权利要求4所述的低压直流系统短路保护电路，其特征在于：

对于所述正极短路保护电路：

所述过电流保护子电路包括过电流保护判定电路，该过电流保护判定电路的输入端与所述正极短路保护电路的所述电流幅值比较器的输出端连接，该过电流保护判定电路的输出端依次经由时间继电器、过电流保护启动电路与相应所述跳闸线圈连接；

对于所述负极短路保护电路：

所述过电流保护子电路包括过电流保护判定电路，该过电流保护判定电路的输入端与所述负极短路保护电路的所述电流幅值比较器的输出端连接，该过电流保护判定电路的输出端依次经由时间继电器、过电流保护启动电路与相应所述跳闸线圈连接。

6.如权利要求2所述的低压直流系统短路保护电路，其特征在于：

在所述正极短路保护电路中：所述电流差比较器包括异或非门；所述差电流保护判定电路包括D触发器，该D触发器的输入端经反相器与该异或非门的输出端连接，该D触发器的时钟端经由单稳态触发器与该异或非门的输出端连接；所述电流方向开关包括与门；所述低阻抗保护判定电路包括D触发器，该D触发器的输入端与该与门的输出端连接，该D触发器的时钟端经由所述低阻抗判定用定时器与所述锁相环时钟脉冲信号发生器的输出端连接；所述差电流保护启动电路、所述低阻抗保护启动电路均包括中间继电器；

在所述负极短路保护电路中：所述电流差比较器包括异或非门；所述差电流保护判定电路包括D触发器，该D触发器的输入端经反相器与该异或非门的输出端连接，该D触发器的时钟端经由单稳态触发器与该异或非门的输出端连接；所述电流方向开关包括与门；所述低阻抗保护判定电路包括D触发器，该D触发器的输入端与该与门的输出端连接，该D触发器的时钟端经由所述低阻抗判定用定时器与所述锁相环时钟脉冲信号发生器的输出端连接；所述差电流保护启动电路、所述低阻抗保护启动电路均包括中间继电器。

7.如权利要求5所述的低压直流系统短路保护电路，其特征在于：

在所述正极短路保护电路中：所述过电流保护判定电路包括D触发器，该D触发器的输入端经反相器与所述电流幅值比较器的输出端连接，该D触发器的时钟端经由所述过电流判定用定时器与所述锁相环时钟脉冲信号发生器的输出端连接；所述过电流保护启动电路包括中间继电器；

在所述负极短路保护电路中：所述过电流保护判定电路包括D触发器，该D触发器的输入端经反相器与所述电流幅值比较器的输出端连接，该D触发器的时钟端经由所述过电流判定用定时器与所述锁相环时钟脉冲信号发生器的输出端连接；所述过电流保护启动电路包括中间继电器。

8.如权利要求5所述的低压直流系统短路保护电路，其特征在于：

所述正极短路保护电路中的所述锁相环时钟脉冲信号发生器、所述电流差比较器、所述差电流保护判定电路、所述单稳态触发器、所述过电流判定用定时器、所述过电流保护判定电路、所述电流方向鉴别器、所述低阻抗判定用定时器、所述电流方向开关、所述低阻抗保护判定电路、所有所述时间继电器由一个单片机替代；

所述负极短路保护电路中的所述锁相环时钟脉冲信号发生器、所述电流差比较器、所述差电流保护判定电路、所述单稳态触发器、所述过电流判定用定时器、所述过电流保护判定电路、所述电流方向鉴别器、所述低阻抗判定用定时器、所述电流方向开关、所述低阻抗保护判定电路、所有所述时间继电器由一个单片机替代。

9.如权利要求1所述的低压直流系统短路保护电路，其特征在于：

各个所述跳闸线圈为同一跳闸线圈或不同的跳闸线圈。