CN206595693U - 一种智能型塑料外壳式断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及断路器技术领域，尤其为一种智能型塑料外壳式断路器，包括CPU模块、采集模块、电源模块、通信模块、参数存储模块及参数设定模块，所述电源模块通过电流互感器感应三相供电线路而获得感应电流，再连接电源控制电路控制电容周期性充或放电，所述CPU模块通过采集模块对电网信号的采样频率实现对电网数据的采集，CPU模块可通过所述的通信模块实现与上位机的联网通信，并通过参数设定模块和通信模块可对CPU模块系统参数进行修改，并调用存储模块存储参数。本实用新型能实现各种故障报警、断路器在线监测，实现遥测、遥信和遥控功能，更适合于低压配、用电网的信息交换，实现电网的可靠、安全、经济、高效运行。

Description

一种智能型塑料外壳式断路器

技术领域

本实用新型涉及断路器技术领域，具体为一种智能型塑料外壳式断路器。

背景技术

为了适应电网容量的不断增大，低压配电与控制系统日益复杂化，对低压电器产品的性能与结构提出了更高的要求。要打造智能电网，必定离不开作为电网基础的低压配电系统与低压电器元件的智能化，而其起控制与保护作用的核心器件是断路器，因此塑壳断路器的智能化自然成了低压电器产业发展的趋势。

虽然国内断路器行业已经历经了几十年的发展，其生产、工艺水平较之刚开始已经有了翻天覆地的变化，但仍存在功能单一，测量误差大，保护特性误差也较大，用户又不能调节、不能联网和远距离控制等问题，且放眼世界，中国厂家的断路器水平在国际仍处于落后地位，国内高端市场长期被国外企业独霸，因此，研发、生产智能的低压断路器势在必行，以达到多功能、小型化、高分断、附件模块化、智能化、可通信、支持现场总线的目的，更有效的保障低压配电网系统的安全可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种智能型塑料外壳式断路器，以解决上述背景技术中提出的问题。所述智能型塑料外壳式断路器具有对小信号通过十倍放大通道进行放大采样，大信号直接通过一倍采样通道进行采样，提高了采样精度及CPU模块根据自生电压值的大小来调节PWM波形的占空比，对MOS_G导通进行控制，实现对小电流延长充电时间、大电流限制充电时间，有效防止电压过高对芯片的损害，延长了设备寿命，降低了电源成本特点。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种智能型塑料外壳式断路器，包括CPU模块、采集模块、电源模块、通信模块、参数存储模块及参数设定模块，所述电源模块通过电流互感器感应三相供电线路而获得感应电流，再连接电源控制电路控制电容周期性充或放电，从而获得输出电压；所述CPU模块通过采集模块对电网信号的采样频率实现对电网数据的采集；CPU模块根据对采集到的电网数据逻辑计算后，输出逻辑电平信号通过执行电路连接电气辅助装置或保护附件；CPU模块可通过所述的通信模块实现与上位机的联网通信，并通过参数设定模块和通信模块可对CPU模块系统参数进行修改，并调用存储模块存储参数。

优选的，所述采集模块包括四个电流互感器、低通滤波器、电压跟随器、10倍电压放大器及 CPU-A/D口，四个电流互感器分别采样 A、B、C、N 四相上的电流，其二次侧电流信号分别整流后并联后转换为电压信号，分别通过电压跟随器、10倍电压放大器输入CPU-A/D口。

优选的，所述电源模块包括电源自生模块和吸收控制模块；所述感应电流经过全桥整流模块整流后，其正极输出端连接电源模块为CPU模块、电气辅助装置或保护附件供电；所述全桥整流模块与电源自生模块之间连接有用于泄放大电流的吸收控制模块，并由CPU模块来控制输入。

优选的，所述电气辅助装置或保护附件供电为带剩余电流动作保护的断路器、带分励脱扣的断路器或带欠压脱扣的断路器。

优选的，所述电源自生模块包括四个互感器B1-B4并叠加成全桥整流模块，当电路进行采样时，要使整流模块正极端接地，保证采样的基准电压为地，当采样电路用于自生电源时，要使整流模块正负极间处于开路状态，用于产生供电电压。

优选的，所述吸收控制模块包括MOS_G输入端、芯片Q17、芯片U5及电压检测器U6，通信辅助电源和电路自生电源通过稳压二极管D9连接芯片U5及电压检测器U6，所述MOS_G输入端由CPU直接输出控制，所述芯片U5的输出与芯片Q17连接，控制芯片Q17的导通与关闭，实现电路采样模式与自生电源模式的切换。

优选的，所述CPU模块的工作电源是通过稳压芯片U4对接入的通信辅助电源或电路自生电源进行转换稳压控制后获得的。

优选的，所述参数设定模块包括6个编码开关，每个所述编码开关的位选开关对应CPU模块的一个引脚。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1）CPU模块控制采集模块对电网信号的采样频率来实现电网参量的采集；通过对PWM输出占空比的控制来实现吸收控制模块对自生电压大小的调节；模块根据采集模块采集到的电网数据输出逻辑电平信号来控制脱扣模块动作，实现对电网的保护；

2）采集模块用来采集电网信息：电网数据经过互感器直接进入控制器采样端，对小信号通过十倍放大通道进行放大采样，大信号直接通过一倍采样通道进行采样，以提高采样精度；电流信号经过全桥整流模块整流后，从负极输出进入采集模块，采集模块根据控制电路给的采样频率对电流信号进行周期性的采集，经逻辑计算后，得到电网有效电参量数据；

3）电源模块包括电源自生模块和吸收控制模块：电网中的电流经电流互感器后的感应电流，经过全桥整流模块整流后，其正极输出端连接电源模块为控制器模块和脱扣模块供电；全桥整流模块与电压生成模块之间连接有用于泄放大电流的吸收控制模块，由CPU模块来控制输入，实现对自生电压大小的调节，既能满足对断路器的供电，又能防止电压过大对设备的损害；

4）还包括参数存储模块、通信模块、参数设定模块，参数存储模块连接控制器模块，用于存储采集模块采集的电网数据；参数设定模块连接至控制器模块，用于设定保护特性值；通信模块连接控制器模块，实现对断路器的遥控和采集数据的上传联网。

附图说明

图1为本实用新型系统结构框图示意图；

图2为本实用新型电源模块转换结构框图；

图3为本实用新型电源自生模块电路原理图；

图4为本实用新型吸收控制模块电路原理图；

图5为本实用新型电源模块转换电路原理图；

图6为本实用新型CPU模块信号采集原理框图；

图7为本实用新型采集模块电路原理图；

图8为本实用新型参数设定模块原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-8，本实用新型提供一种技术方案：

一种智能型塑料外壳式断路器，包括CPU模块、采集模块、电源模块、通信模块、参数存储模块及参数设定模块，电源模块通过电流互感器感应三相供电线路而获得感应电流，再连接电源控制电路控制电容周期性充或放电，从而获得输出电压；CPU模块通过采集模块对电网信号的采样频率实现对电网数据的采集；CPU模块根据对采集到的电网数据逻辑计算后，输出逻辑电平信号通过执行电路连接电气辅助装置或保护附件；CPU模块可通过的通信模块实现与上位机的联网通信，并通过参数设定模块和通信模块可对CPU模块系统参数进行修改，并调用存储模块存储参数，采集模块包括四个电流互感器、低通滤波器、电压跟随器、10倍电压放大器及 CPU-A/D口，四个电流互感器分别采样 A、B、C、N 四相上的电流，其二次侧电流信号分别整流后并联后转换为电压信号，分别通过电压跟随器、10倍电压放大器输入CPU-A/D口，电源模块包括电源自生模块和吸收控制模块；感应电流经过全桥整流模块整流后，其正极输出端连接电源模块为CPU模块、电气辅助装置或保护附件供电；全桥整流模块与电源自生模块之间连接有用于泄放大电流的吸收控制模块，并由CPU模块来控制输入，电气辅助装置或保护附件供电为带剩余电流动作保护的断路器、带分励脱扣的断路器或带欠压脱扣的断路器，电源自生模块包括四个互感器B1-B4并叠加成全桥整流模块，吸收控制模块包括MOS_G输入端、芯片Q17、芯片U5及电压检测器U6，通信辅助电源和电路自生电源通过稳压二极管D9连接芯片U5及电压检测器U6，CPU模块的工作电源是通过稳压芯片U4获得的，参数设定模块包括6个编码开关，每个编码开关的位选开关对应CPU模块的一个引脚。

CPU模块使用互感器的自生电源供电，当三相电流大于 0.2In ，或单相电流大于0.3In 时控制器足以能够正常工作。整个断路器的工作电源由四个互感器器提供，互感器二次输出经过整流桥整流，全桥整流模块由 B1-B4 四个叠加工作，符合电路原理中的叠加定理。单个互感器输出的电流经过全桥整流后为 DC 30mA 时要求控制器足以能够正常工作；静态功耗控制在 150mW 左右，即自生电源的容量≥150mW。电路在进行采样时，全桥整流模块B1-B4的正极端要接地，保证采样的基准电压为地，这样采样值才能准确；但当采集模块用于自生电源时，全桥整流模块的整流桥正负极见要处于开路状态，相当于变压器，才能产生供电电压。

全桥整流模块正极端由开路产生的电压在转换为断路器的工作电压前，由用于泄放大电流的吸收控制模块来调节电压的大小。当VCC电压值高于电路期望值时，D9左端的电压为（VCC-12）V（D9为12V稳压二极管），当2的电压值高于U5的工作电压Vcc（导通电压1.65~5.5V），而未达到U6的工作电压（4.18~4.62V）时，芯片U5的输出取决于CPU控制的MOS_G管的状态（SN74LVC1G32（C32K）），此时将MOS_G管置于高电平，则芯片U5输出端Y的有效电压值等于Vcc，达到了MOS_G管 Q17的导通电压（0.7~1.4V），Q17导通，端口4为高电平，整流桥堆（MB10S）导通，直接与地相连，切断了电源自生方式，采集模块的电路不再给电路提供自生电压，电路中的VCC自然不会再升高。同理，当VCC低于我们期望值时，同样可以控制MOS_G管输出低电平，Y输出低电平，Q17不工作，MB10S不导通，自生电源电路开始产生自生电压，给系统供电，给电容CE1充电来提高VCC的值。综上，该电路使得电路中的电压不会随着输入电流的增大而一直增大，可有效控制断路器芯片因电压过大而损坏。

CPU模块工作电压为 DC3.3V；+3.3V的电源由稳压芯片U4转换而成，稳压芯片U4的有效转换电压范围为4.5~24V，只要将VCC电压控制在小于24V，都能将输出电压稳定在3.3V，但转换电压过高会造成稳压芯片U4发热影响寿命，所以将转换电压控制在15V左右即可。PA0口直接进入CPU模块的采样芯片，根据采集到的PA0点的电压值，可计算出VCC1的电压值为（112/12*PA0）V，进而推出此时VCC的电压值。采用逆推法，当VCC值不等于所希望的理论值时，CPU模块输出控制信号，控制MOS_G管的导通或关闭来实现输入电流对供电电容的充/放电。

采集模块由电流互感器、低通滤波器、电压跟随器、10 倍电压放大器和 CPU-A/D口组成，分别采样 A、B、C、N 四相上的电流。采样时 MOS_G管端口在 CPU 的控制下置高，四个 MB10S端与地导通，保证采样时的采样基准电压为地，这样采样值才能准确，每次要开始采样前，都必须保证MB10S端与地导通，及要调整好MOS_G管输出高电平时与采样开始时的时间差关系。

四个互感器的二次侧电流信号分别进行整流后并联在一起。电流经过整个电路后分别流进各相的检测电阻2.0Ω，转换为电压信号。该信号相对于参考地为负电位，然后经过反相电压负反馈电路后转换为 0~3.3V 模拟电压信号，输入CPU模块 A/D 口。

参数设定由6个（旋钮）编码开关来完成，每个编码开关的位选开关对应CPU模块的一个引脚，由CPU模块直接输出高低电平来控制选定。其使用功能分别为：Ir1调整（设定过载故障电流值）、t1调整（设定过载故障动作延时时间）、Ir2调整（设定短路短延时故障电流值）、t2调整（设定短路短延时故障动作延时时间）、Ir3调整（设定短路瞬时故障电流值）、Ip调整（设定预报警电流值）。旋钮编码开关为“8421”BCD编码，共10个编码位置（1-10）。

CPU模块控制采集模块对电网信号的采样频率来实现电网参量的采集；通过对PWM输出占空比的控制来实现吸收控制模块对自生电压大小的调节；模块根据采集模块采集到的电网数据输出逻辑电平信号来控制脱扣模块动作，实现对电网的保护。

采集模块用来采集电网信息：电网数据经过互感器直接进入控制器采样端，对小信号通过十倍放大通道进行放大采样，大信号直接通过一倍采样通道进行采样，以提高采样精度；电流信号经过全桥整流模块整流后，从负极输出进入采集模块，采集模块根据控制电路给的采样频率对电流信号进行周期性的采集，经逻辑计算后，得到电网有效电参量数据。

电源模块包括电源自生模块和吸收控制模块：电网中的电流经电流互感器后的感应电流，经过全桥整流模块整流后，其正极输出端连接电源模块为控制器模块和脱扣模块供电；全桥整流模块与电压生成模块之间连接有用于泄放大电流的吸收控制模块，由CPU模块来控制输入，实现对自生电压大小的调节，既能满足对断路器的供电，又能防止电压过大对设备的损害。

还包括参数存储模块、通信模块、参数设定模块，参数存储模块连接控制器模块，用于存储采集模块采集的电网数据；参数设定模块连接至控制器模块，用于设定保护特性值；通信模块连接控制器模块，实现对断路器的遥控和采集数据的上传联网。

本发明采用分段采样技术可同时精确测量大信号和小信号，小信号通过十倍放大通道进行放大采样，能够提高其采样精度；大信号直接通过一倍采样通道进行采样，保证采样范围在额定值以内，能够可靠采样。电流采样回路使用全波整流，互感器产生的电流既可以给断路器自身工作供电，又可以采用平均值计算的方法计算电流的有效值，简化了电路的同时也简化了电流算法。供电电源为互感器自生电源，可以随负载电流的增大自动开始工作，当负载电流很大时又能自动调节自生电压的大小，避免因电压过大对断路器内部器件造成损害，是一种理想的供电方式。同时，提供了通信接口，支持现场总线，可以实现各种故障报警、断路器在线监测，实现遥测、遥信和遥控功能，更适合于低压配、用电网的信息交换，实现电网的可靠、安全、经济、高效运行。

本装置可灵活选择保护类型，并可对各种保护类型的参数进行灵活修改与设置。可将装置配置为具有过载长延时、短路瞬时的两段保护特性的非选择型断路器，应用与配电线路或系统末端，直接连接用电设备，在短路或接地故障发生时，可以尽快甚至瞬间切断电路；可将装置配置为具有过载长延时、短路短延时和短路瞬时的三段保护特性的断路器，用于树干式或混合式配电方式的系统保护中。

在使用本装置时，首先要先计算被保护设施的最大短路电流。在短路保护中，要注意在负荷变化后及时调整保护的整定值，防止因为整定值过小而频繁跳闸，影响供电质量。或者整定值过大，使线路和设备得不到有效保护；在过载延时保护中，要充分考虑用电设备的额定电流，以及允许长时间通过的电流，过载有个热量积累的过程，保护动作要有选择性，对于短时过电流，保护但不动作，在过载一定时间范围内，保护动作，切断电源。

本装置还可与一些电气辅助装置和保护附件拼装在一起，扩展使用范围，比如组成带剩余电流动作保护的断路器、带分励脱扣的断路器、带欠压脱扣的断路器等等。 其中带剩余电流动作保护的断路器最为常见。它可使电子式漏电器体积更小、精度更高，并提高其灵敏度和抗干扰性。

在使用过程中，通过通信模块可以支持现场总线，实现各种故障报警、断路器在线监测，实现遥测、遥信和遥控功能，更适合于低压配、用电网的信息交换，实现电网的可靠、安全、经济、高效运行。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种智能型塑料外壳式断路器，包括CPU模块、采集模块、电源模块、通信模块、参数存储模块及参数设定模块，其特征在于：所述电源模块通过电流互感器感应三相供电线路而获得感应电流，再连接电源控制电路控制电容周期性充或放电，从而获得输出电压；所述CPU模块通过采集模块对电网信号的采样频率进行控制，实现对电网数据的采集；CPU模块根据对采集到的电网数据逻辑计算后输出逻辑电平信号，通过执行电路连接电气辅助装置或保护附件，实现保护动作；CPU模块可通过所述的通信模块实现与上位机的联网通信，并通过参数设定模块和通信模块对CPU模块系统参数进行调整，并调用存储模块存储参数。

2.根据权利要求1所述的一种智能型塑料外壳式断路器，其特征在于：所述采集模块包括四个电流互感器、低通滤波器、电压跟随器、10倍电压放大器及 CPU-A/D口，四个电流互感器分别采样 A、B、C、N 四相上的电流，其二次侧电流信号分别整流后并联转换为电压信号，分别通过电压跟随器、10倍电压放大器输入CPU-A/D口。

3.根据权利要求1所述的一种智能型塑料外壳式断路器，其特征在于：所述电源模块包括电源自生模块和吸收控制模块；所述感应电流经过全桥整流模块整流后，其正极输出端连接电源模块为CPU模块、电气辅助装置或保护附件供电；所述全桥整流模块与电源自生模块之间连接有用于泄放大电流的吸收控制模块，并由CPU模块来控制输入。

4.根据权利要求1或3所述的一种智能型塑料外壳式断路器，其特征在于：所述电气辅助装置或保护附件供电为带剩余电流动作保护的断路器、带分励脱扣的断路器或带欠压脱扣的断路器。

5.根据权利要求3所述的一种智能型塑料外壳式断路器，其特征在于：所述电源自生模块包括四个互感器B1-B4并叠加成全桥整流模块，当电路进行采样时，要使整流模块正极端接地，保证采样的基准电压为地，当采样电路用于自生电源时，要使整流模块正负极间处于开路状态，用于产生供电电压。

6.根据权利要求3所述的一种智能型塑料外壳式断路器，其特征在于：所述吸收控制模块包括MOS_G输入控制端、芯片Q17、芯片U5及电压检测器U6，通信辅助电源和电路自生电源通过稳压二极管D9连接芯片U5及电压检测器U6，所述MOS_G输入端由CPU直接输出控制，所述芯片U5的输出与芯片Q17连接，控制芯片Q17的导通与关闭，实现电路采样模式与自生电源模式的切换。

7.根据权利要求1所述的一种智能型塑料外壳式断路器，其特征在于：所述CPU模块的工作电源是通过稳压芯片U4对接入的通信辅助电源或电路自生电源进行转换稳压控制后获得的。

8.根据权利要求1所述的一种智能型塑料外壳式断路器，其特征在于：所述参数设定模块包括6个编码开关，每个所述编码开关的位选开关对应CPU模块的一个引脚。