CN209730790U - 内嵌式智能断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种内嵌式智能断路器，包括壳体、断路器模块、继电器模块和MCU模块，断路器模块、继电器模块、MCU模块设于壳体的内部；MCU模块对内嵌式智能断路器的工作状态进行监测，当线路异常时，断路器模块负责线路异常（短路、过载等）的自动分断线路保护，必须现场排除故障，通过手柄合闸后才使智能断路器转入线路正常；当线路正常时，继电器模块负责根据MCU模块的指令分断或者接通线路，保证使用安全性。本实用新型将断路器的功能与继电器的功能通过MCU模块组合集成到壳体内，无需额外增加空间即可实现既有断路器与智能断路器的直接互换；利用继电器模块进行远程或定时分闸/合闸操作，可以实现频繁动作，动作时间更快速。

Description

内嵌式智能断路器

技术领域

本实用新型涉及智能断路器技术领域，尤其涉及一种内嵌式智能断路器。

背景技术

目前的断路器正在朝着智能化和网络化发展，智能化是指断路器在线路异常时具有短路、过载自动分断保护外，还要具有漏电预警（蓝、黄、橙、红）和漏电超设定值自动分断保护、线缆温度预警（蓝、黄、橙、红）和线缆温度超设定值自动分断保护，在线路正常情况下具有远程操作分闸/合闸能力，实时监测电压、电流、谐波、频率、功率、电度等电力参数，具有与人通信（公用网络）和与物通信（现场总线）的连网能力。

普通断路器有1P（一极或单极）、2P（两极或双极）、3P（三极）、4P（四极）几种形式，其中1P、2P、3P、4P指的是断路器的极数，电相序的排序是A、B、C、N，其中A、B、C指三相电的火线，N指三相四线的零线，每一极的宽度为18mm或27mm。生产生活中常见的断路器一般为1P断路器或2P断路器，1P断路器可接任意一相火线，2P断路器可接任意一相火线和一零线。

目前智能断路器的实现形式为外扩式和内嵌式两种，外扩式智能断路器是根据智能化需求围绕普通断路器，以增加附件的形式来实现，如：实现断路器的分闸/合闸（俗称：重合闸断路器）就是普通断路器+电动操作机构（简称：电操）来实现，也就是在普通断路器的基础上在左边或右边增加电操，电操宽度最小为1P，即：nP重合闸断路器的宽度为（n+1）P（nP断路器+1P电操），其中n=1、2、3、4。然而既有楼宇配电箱中以nP断路器形式存在，因此外扩式智能断路器替换既有配电箱中的普通断路器需要更换既有的配电箱，更换既有配电箱牵涉到嵌入式配电箱墙体开孔及对原有装潢局部破坏的问题，这对产品推广应用造成瓶颈，因此急需有能直接替换既有配电箱中的断路器的内嵌式智能断路器。

同时，采用普通断路器+电操结构的智能断路器的使用中存在如下缺陷：

1、分闸/合闸次数有限：电操是模拟人对断路器手柄进行分闸/合闸操作，而断路器的分闸/合闸次数在4000-6000次，主要用于不频繁动作的场合，不适宜应用于较频繁的分闸/合闸控制场景，如：空调、热水器、照明灯等；

2、电机运转噪声大：电操采用电机执行分闸/合闸操作，不仅分闸/合闸的执行时间长，为2-3s，而且电机运转噪声大；

3、重合闸断路器产品本身不支持联网；

4、不具备电力参数采集、漏电监测、线缆温度监测功能。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种内嵌式智能断路器，将断路器的功能与继电器的功能通过MCU模块组合集成到壳体内，无需额外增加空间即可实现既有断路器与智能断路器的直接互换，降低施工难度；在线路异常时由断路器模块实现短路、过载的自动分断线路保护，在线路正常时由继电器模块执行分闸/合闸动作，保障使用安全。

为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种内嵌式智能断路器，包括壳体、断路器模块、继电器模块和MCU模块，所述MCU模块与所述断路器模块、所述继电器模块连接，所述断路器模块、所述继电器模块、所述MCU模块设于所述壳体的内部。

所述MCU模块对所述内嵌式智能断路器的工作状态进行监测，当所述内嵌式智能断路器线路异常时，所述断路器模块负责线路异常的自动分断线路保护，线路异常分断保护状态下必须现场排除故障，人工通过断路器手柄合闸后才使所述内嵌式智能断路器由线路异常转入线路正常；当所述内嵌式智能断路器线路正常时，所述继电器模块负责根据所述MCU模块的指令进行分断或者接通线路。

优选地，所述壳体有1P、2P、3P和4P四种形式。

优选地，所述MCU模块包括开关电源和控制模块，所述开关电源与所述控制模块连接，所述控制模块监测所述内嵌式智能断路器的工作状态、实现所述内嵌式智能断路器的远程通信、在所述内嵌式智能断路器线路过载时传输指令使所述断路器模块进行自动分断线路保护、在所述内嵌式智能断路器线路正常时传输远程分闸/合闸指令或定时分闸/合闸指令使所述继电器模块分断或者接通线路。

优选地，所述MCU模块还包括计量模块、EMC模块、电压调理电路、电流调理电路和485电路，所述计量模块与所述控制模块连接，用于对用户设备的用电情况进行计量和数据处理；所述EMC模块与所述控制模块连接，用于提高所述内嵌式智能断路器的抗雷击和浪涌能力；所述电压调理电路、所述电流调理电路分别与所述控制模块连接，所述电压调理电路用于将所述内嵌式智能断路器的模拟电压信号转换成与所述MCU模块匹配的信号并通过所述MCU模块的模数转换单元转换为电压数值，所述电流调理电路用于将所述内嵌式智能断路器的模拟电流信号转换成与所述MCU模块匹配的信号并通过所述MCU模块的所述模数转换单元转换为电流数值；所述485电路与所述控制模块连接，用于将所述内嵌式智能断路器通过现场485总线与其他智能设备连接。

优选地，所述断路器模块包括导电模块、灭弧模块、闭合/分断动作模块和磁力脱扣模块，所述导电模块、所述磁力脱扣模块串联在所述内嵌式智能断路器的线路中，所述闭合/分断动作模块与所述磁力脱扣模块连接，当所述内嵌式智能断路器的线路中出现短路故障时，所述磁力脱扣模块推动所述闭合/分断动作模块执行分断动作，完成所述导电模块分断；当所述MCU模块监测到所述内嵌式智能断路器的线路中出现过载异常时，所述MCU模块控制所述磁力脱扣模块推动所述闭合/分断动作模块执行分断动作，完成所述导电模块分断；在线路异常所述导电模块自动分断线路后，所述导电模块的再次闭合需要人工现场排除故障且人工通过断路器手柄合闸，之后线路才能接通恢复正常。

优选地，所述继电器模块采用磁保持继电器。

优选地，所述继电器模块包括电磁系统和接触系统，所述电磁系统包括永久磁铁、线圈、衔铁、铁芯和安装板，所述永久磁铁设于所述安装板上，所述铁芯呈U形，所述永久磁铁设于所述铁芯的U形开口处，所述线圈套设于所述铁芯上，所述衔铁设于所述永久磁铁的两侧，所述铁芯与所述衔铁、所述永久磁钢组成环形结构；所述接触系统包括静簧架、静触头、动簧架、动触头和推动片，所述静触头、所述动触头分别与所述内嵌式智能断路器的线路连接，所述静触头设于所述静簧架上，所述动触头设于所述动簧架上，所述静触头与所述动触头相对设置，所述动簧架通过所述推动片与所述永久磁铁连接。

优选地，在所述内嵌式智能断路器线路正常的情况下，所述继电器模块根据所述MCU模块的指令进行分断或者接通线路：当所述MCU模块接收到远程分闸或定时分闸指令时，控制所述继电器模块的所述动触头与所述静触头分开，实现所述内嵌式智能断路器的分闸操作；当所述MCU模块接收到远程合闸或定时合闸指令时，控制所述继电器模块的所述动触头与所述静触头闭合，实现所述内嵌式智能断路器的合闸操作。

优选地，所述内嵌式智能断路器应用于交流电路中或直流电路中。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

（1）将断路器的功能与继电器的功能通过MCU模块组合集成到壳体内，壳体的外形与既有断路器的外壳相同，无需额外增加空间即可实现既有断路器与智能断路器的直接互换，降低了施工难度；

（2）继电器模块的机械寿命为10万次，远高于既有断路器的6000次，继电器模块的动作时间为20-50ms，远快于既有断路器的1-3s，利用继电器模块替代断路器手柄进行分闸/合闸操作，可以实现频繁动作，动作时间更快速，具有更高的可靠性，延长了智能断路器的使用寿命，拓宽了智能断路器的应用场景，还避免了手柄分闸/合闸过程中产生的噪音；

（3）内嵌式智能断路器在线路异常时由断路器模块实现短路（磁力脱扣）、过载（MCU模块控制脱扣）的自动分断线路保护，线路分断保护情况下必须现场排除故障，人工通过断路器手柄合闸后才使内嵌式智能断路器由线路异常转入线路正常；在线路正常时由继电器模块执行远程或定时分闸/合闸动作，保证内嵌式智能断路器的使用安全性；

（4）内嵌式智能断路器可以应用于交流电路中或直流电路中，选择交流断路器模块与交流继电器模块应用于交流电环境；选择直流断路器模块与直流继电器模块应用于直流电环境，即：交流内嵌式智能断路器和直流内嵌式智能断路器。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的内嵌式智能断路器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1的内嵌式智能断路器中MCU模块的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1的内嵌式智能断路器中断路器模块的结构示意图；

图4为本实用新型实施例1的内嵌式智能断路器中继电器模块的结构示意图。

具体实施方式

为使对本实用新型的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

请结合参见图1至图4，图1为本实用新型实施例1的内嵌式智能断路器的结构示意图；图2为本实用新型实施例1的内嵌式智能断路器中MCU模块的结构示意图；图3为本实用新型实施例1的内嵌式智能断路器中断路器模块的结构示意图；图4为本实用新型实施例1的内嵌式智能断路器中继电器模块的结构示意图。

本实用新型实施例1的一种内嵌式智能断路器，包括壳体100、断路器模块200、继电器模块300和MCU模块400，MCU模块400与断路器模块200、继电器模块300连接，断路器模块200、继电器模块300、MCU模块400设于壳体的内部。

MCU，即Microcontroller Unit，微控制单元，又称单片微型计算机(Single ChipMicrocomputer )或者单片机，是把中央处理器(Central Process Unit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART（通用异步收发传输器）、PLC（可编程逻辑控制器）、DMA（(Direct Memory Access，直接内存存取)）等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

本实用新型的内嵌式智能断路器中，利用MCU模块400将断路器的功能与继电器的功能组合集成到壳体100内，无需额外增加空间即可实现既有断路器与智能断路器的直接互换，降低施工难度。MCU模块400对内嵌式智能断路器的工作状态进行监测，当内嵌式智能断路器线路异常时，断路器模块200负责线路异常（如短路、过载）的自动分断线路保护，线路异常分断保护状态下必须现场排除故障，人工通过断路器手柄合闸后才使内嵌式智能断路器由线路异常转入线路正常；当内嵌式智能断路器线路正常时，继电器模块300负责根据MCU模块400的指令进行分断或者接通线路。

优选地，壳体100有1P、2P、3P和4P四种形式，1P壳体与既有1P断路器的外壳相似，2P壳体与既有2P断路器的外壳相似，3P壳体与既有3P断路器的外壳相似，4P壳体与既有4P断路器的外壳相似，从而无需额外增加空间即可实现既有断路器与智能断路器的直接互换，降低了施工难度。

优选地，MCU模块400包括开关电源401和控制模块402，开关电源401用于给内嵌式智能断路器供电，开关电源401与控制模块402连接，控制模块402监测内嵌式智能断路器的工作状态、实现内嵌式智能断路器的远程通信、在内嵌式智能断路器线路过载时传输指令使断路器模块200进行自动分断线路保护、在内嵌式智能断路器线路正常时传输远程分闸/合闸指令或定时分闸/合闸指令使继电器模块300分断或者接通线路；在与用户设备的远程通信过程中，控制模块402将内嵌式智能断路器的电力参数、线缆温度、工作状态等数据实时传输到用户设备上，方便用户了解内嵌式智能断路器的情况，使得智能断路器具有电力参数采集、漏电监测、线缆温度监测功能。

优选地，MCU模块400还包括计量模块403、EMC模块404、电压调理电路405、电流调理电路406和485电路407，计量模块403与控制模块402连接，用于对用户设备的用电情况进行计量和数据处理；EMC（Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性）模块404与控制模块402连接，用于提高内嵌式智能断路器的抗雷击和浪涌能力；

电压调理电路405、电流调理电路406分别与控制模块402连接，电压调理电路405用于将内嵌式智能断路器的模拟电压信号转换成与MCU模块400匹配的信号并通过MCU模块400的模数转换单元407转换为电压数值，电流调理电路406用于将内嵌式智能断路器的模拟电流信号转换成与MCU模块400匹配的信号并通过MCU模块400的模数转换单元407转换为电流数值，MCU模块400对电压数值和电流数值进行分析处理，当MCU模块400监测到内嵌式智能断路器线路过载时，控制断路器模块200进行自动分断保护，从而保障使用安全；485电路408与控制模块402连接，用于将内嵌式智能断路器通过现场485总线与其他智能设备连接，实现物与物的信息互通。

优选地，断路器模块200包括导电模块201、灭弧模块202、闭合/分断动作模块203和磁力脱扣模块204，导电模块201、磁力脱扣模块204串联在内嵌式智能断路器的线路中，闭合/分断动作模块203与磁力脱扣模块204连接，当内嵌式智能断路器的线路中出现短路故障时，磁力脱扣模块204推动闭合/分断动作模块203执行分断动作，完成导电模块201分断；当MCU模块400监测到内嵌式智能断路器的线路中出现过载异常时，MCU模块400控制磁力脱扣模块204推动闭合/分断动作模块203执行分断动作，完成导电模块201分断；在线路异常导电模块201自动分断线路后，导电模块201的再次闭合需要人工现场排除故障且人工通过断路器手柄合闸，之后线路才能接通恢复正常。

本实用新型的内嵌式智能断路器在线路短路时由断路器模块200进行磁力脱扣的自动分断线路保护，在线路过载时实现MCU模块400指令控制脱扣的自动分断线路保护，线路分断保护情况下必须现场排除故障，人工通过断路器手柄合闸后才使内嵌式智能断路器由线路异常转入线路正常，从而保障了内嵌式智能断路器的使用安全性。

优选地，继电器模块300采用磁保持继电器。进一步的，请参见图4，继电器模块300包括电磁系统310和接触系统320，电磁系统310包括永久磁铁311、线圈312、衔铁313、铁芯314和安装板315，永久磁铁311设于安装板315上，铁芯314呈U形，永久磁铁311设于铁芯314的U形开口处，线圈312套设于铁芯314上，衔铁313设于永久磁铁311的两侧，铁芯314与衔铁313、永久磁铁311组成环形结构；同时，安装板315的两端还安装有纯铁板316，用于防外磁场干扰。接触系统320包括静簧架321、静触头322、动簧架323、动触头324和推动片325，静触头322、动触头324分别与内嵌式智能断路器的线路连接，静触头322设于静簧架321上，动触头324设于动簧架323上，静触头322与动触头324相对设置，动簧架323通过推动片325与永久磁铁311连接。当电磁系统310通电（即线圈312通电）后，根据右手螺旋定则，线圈312中的电流导致铁芯314中产生磁场，（线圈312通正向电与通反向电时，铁芯314中产生的磁场会相反），根据同性相斥、异性相吸的规则，永久磁铁311会向左或向右运动，从而通过推动片325带动动簧架323向左或向右运动，实现动触头324与静触头322的分断和闭合，进而控制内嵌式智能断路器的线路的通断。

在内嵌式智能断路器线路正常的情况下，继电器模块300根据MCU模块400的指令进行分断或者接通线路：当MCU模块400接收到远程分闸或定时分闸指令时，控制继电器模块300的动触头324与静触头322分开，实现内嵌式智能断路器的分闸操作；当MCU模块400接收到远程合闸或定时合闸指令时，控制继电器模块300的动触头324与静触头322闭合，实现内嵌式智能断路器的合闸操作。

继电器模块300的机械寿命为10万次，远高于既有断路器的6000次，继电器模块300的动作时间为20-50ms，远快于既有断路器的1-3s，利用继电器模块300替代断路器手柄进行远程或定时分闸/合闸操作，可以实现频繁动作，动作时间更快速，具有更高的可靠性，延长了智能断路器的使用寿命，拓宽了智能断路器的应用场景，还避免了手柄分闸/合闸过程中产生的噪音。

本实用新型的内嵌式智能断路器在线路异常时利用断路器模块200进行短路、过载的自动分断线路保护，必须现场排除故障，通过手柄合闸后才使智能断路器由线路异常转入线路正常；当线路正常时，继电器模块300根据MCU模块400的指令进行分断或者接通线路，具有短路、过载自动分断保护功能，具有远程控制分闸、合闸功能，具有高可靠性和使用安全性。本实用新型的内嵌式智能断路器可以应用于交流电路中或直流电路中，选择交流断路器模块与交流继电器模块应用于交流电环境；选择直流断路器模块与直流继电器模块应用于直流电环境，即：交流内嵌式智能断路器和直流内嵌式智能断路器。

综上所述，本实用新型的内嵌式智能断路器将断路器的功能与继电器的功能通过MCU模块400组合集成到壳体100内，壳体100的外形与既有断路器的外壳相同，无需额外增加空间即可实现既有断路器与智能断路器的直接互换，降低了施工难度；继电器模块300的机械寿命为10万次，远高于既有断路器的6000次，继电器模块300的动作时间为20-50ms，远快于既有断路器的1-3s，利用继电器模块300替代断路器手柄进行分闸/合闸操作，可以实现频繁动作，动作时间更快速，延长了智能断路器的使用寿命，拓宽了智能断路器的应用场景，还避免了手柄分闸/合闸过程中产生的噪音；内嵌式智能断路器在线路异常时由断路器模块200实现短路（磁力脱扣）、过载（MCU模块400控制脱扣）的自动分断线路保护，线路分断保护情况下必须现场排除故障，人工通过断路器手柄合闸后才使内嵌式智能断路器由线路异常转入线路正常；在线路正常时由继电器模块300执行远程或定时分闸/合闸动作，保证内嵌式智能断路器的使用安全性。

本实用新型已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本实用新型的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本实用新型的范围。相反地，在不脱离本实用新型的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本实用新型的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种内嵌式智能断路器，其特征在于：包括壳体、断路器模块、继电器模块和MCU模块，所述MCU模块与所述断路器模块、所述继电器模块连接，所述断路器模块、所述继电器模块、所述MCU模块设于所述壳体的内部。

2.如权利要求1所述的内嵌式智能断路器，其特征在于：所述壳体有1P、2P、3P和4P四种形式。

3.如权利要求1所述的内嵌式智能断路器，其特征在于：所述MCU模块包括开关电源和控制模块，所述开关电源与所述控制模块连接。

4.如权利要求3所述的内嵌式智能断路器，其特征在于：所述MCU模块还包括计量模块、EMC模块、电压调理电路、电流调理电路和485电路，所述计量模块与所述控制模块连接，用于对用户设备的用电情况进行计量和数据处理；所述EMC模块与所述控制模块连接，用于提高所述内嵌式智能断路器的抗雷击和浪涌能力；所述电压调理电路、所述电流调理电路分别与所述控制模块连接；所述485电路与所述控制模块连接，用于将所述内嵌式智能断路器通过现场485总线与其他智能设备连接。

5.如权利要求1所述的内嵌式智能断路器，其特征在于：所述断路器模块包括导电模块、灭弧模块、闭合/分断动作模块和磁力脱扣模块，所述导电模块、所述磁力脱扣模块串联在所述内嵌式智能断路器的线路中，所述闭合/分断动作模块与所述磁力脱扣模块连接。

6.如权利要求1所述的内嵌式智能断路器，其特征在于：所述继电器模块采用磁保持继电器。

7.如权利要求6所述的内嵌式智能断路器，其特征在于：所述继电器模块包括电磁系统和接触系统，所述电磁系统包括永久磁铁、线圈、衔铁、铁芯和安装板，所述永久磁铁设于所述安装板上，所述铁芯呈U形，所述永久磁铁设于所述铁芯的U形开口处，所述线圈套设于所述铁芯上，所述衔铁设于所述永久磁铁的两侧，所述铁芯与所述衔铁、所述永久磁铁组成环形结构；所述接触系统包括静簧架、静触头、动簧架、动触头和推动片，所述静触头、所述动触头分别与所述内嵌式智能断路器的线路连接，所述静触头设于所述静簧架上，所述动触头设于所述动簧架上，所述静触头与所述动触头相对设置，所述动簧架通过所述推动片与所述永久磁铁连接。