CN212751773U - 一种无线通信型漏电温度保护智能断路器 - Google Patents
一种无线通信型漏电温度保护智能断路器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开一种无线通信型漏电温度保护智能断路器,主要由低压微型断路器、主控制器模块、计量模块、开关电源模块、脱扣模块和无线通信模块等几部分组成。不仅实现了测量的高精度、保护准确、故障检测可靠等要求,还能通过物联网技术实现数据与远程终端的对接,大大提高了产品的精准测量和远程遥控的空间距离。本装置具有测量、无线通讯等功能,能够完成电参量测量、采集及传输,可直接用于变电站自动化,配电自动化智能建筑、企业内部的电能测量、管理及考核中,可作为电力仪表的替代产品,且比一般的表计精度高,稳定性好,抗干扰能力强。
Description
技术领域
本实用新型属于智能断路器技术领域,具体涉及一种无线通信型漏电温度保护智能断路器。
背景技术
当前电网容量不断增大,低压配电与控制系统也日益复杂化精细化,国家致力打造智能电网,必定离不开基础的低压配电元件的智能化和可通信,因此低压断路器的智能化和可通信已经成为行业发展趋势。
低压微型断路器有组装方便灵活,尺寸模块化,标准导轨安装等优点,带漏电保护功能的断路器还能有效防止人身触电、电气火灾及电气设备损坏,因此在低压电网中有很广泛的应用。但目前带漏电的微型断路器通常体积较大,只具备漏电流保护,不具备监测和参数修改功能;或只具备漏电保护,不具备电压、电流等参数的测量和监测功能,不具备通信上传功能;或只支持简单的有线通信功能,不具备无线通信和自组网功能;或精度等级不高,产品质量参差不齐。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决上述现有技术上存在的问题,提供一种无线通信型漏电温度保护智能断路器,本装置既可以准确测量线路中的电压、电流、漏电流、温度等参数,还具备电压、电流、漏电、温度等保护功能,并可以通过低功率无线通信接入物联网,使测量数据、保护类型上传云平台系统,既保障了低压配、用电网的安全可靠运行,又节省了人力安装及维护成本。
为实现上述目的,本实用新型采用如下技术方案:一种无线通信型漏电温度保护智能断路器,包括计量模块和主控制器模块,计量模块的信号输出端与主控制器模块连接,
所述计量模块包括电压采样单元、电流采样单元、漏电流采样单元和计量芯片;
所述电流采样单元中,线路中电流信号经过电阻分压,进入计量芯片,由计量芯片计算出精确的电流值,用于电流通信上传;电流信号I1经过电阻R13、R14的分流与分压,电流信号I2经过电阻R11、R12的分流与分压,形成电位压差I1_CPU与I2_CPU,接入计量芯片的采样端口;
所述漏电流采样单元中,线路中的剩余电流信号经过零序电流互感器转换成小电流,再经过电阻分压,进入计量芯片,由计量芯片计算出精确的漏电流值,用于漏电流的保护和漏电流通信上传;漏电流信号Z1经过电阻R15、R16的分流与分压,漏电流信号Z2经过电阻R21、R18的分流与分压,形成电位压差Z1_CPU与Z2_CPU,接入计量芯片的采样端口;
所述电压采样单元中,线路中的电压信号由电阻分压换成可供计量芯片采集的信号,进入计量芯片,进行电压的测量;电压信号经过电阻R7、R5、R4、R6、R8、R12、R14、R13、R4、R8的分流与分压,形成电位压差VP与VN,接入计量芯片的采样端口;
所述计量芯片用于测量线路中的电压、电流和漏电流;并将计算得到的电量值发送给主控制器模块。
进一步改进本方案,所述电压采样单元、电流采样单元和漏电流采样单元输出端口均采用差分输入方式与计量芯片进行信号传递。
进一步改进本方案,所述计量芯片检测到电压信号异常时,主控制器模块会根据电压保护逻辑,实现电压的过压、欠压保护功能;
漏电流采样单元检测到剩余电流异常时,主控制器模块根据剩余电流保护逻辑,实现剩余电流保护。
进一步改进本方案,所述主控制器模块包括主控芯片,计量芯片的第10引脚、第11引脚连接主控芯片,主控芯片根据互感器参数对计量芯片进行校准,计量芯片计算得到的电量值发送给主控芯片,计量芯片的OSCI引脚和OSCO引脚并联有晶振电路,晶振电路,用于为计量芯片工作提供基准频率;晶振电路包括电容C41、电容C42和晶振Y2,晶振Y2的第一端与电容C41、计量芯片的OSCI引脚连接,晶振Y2的第二端与电容C42、计量芯片的OSCO引脚连接,电容C41第二端和电容C42的第二端共接于地。
进一步改进本方案,所述计量芯片的第3引脚V3P为电压正向信号输入端,第4引脚V3N为电压负向信号输入端,第5引脚V1P为电流正向信号输入端,第6引脚V1N为电流负向信号输入端。
进一步改进本方案,所述智能断路器还包括开关电源模块,用于输出双路隔离电源,分别供电机驱动、主控制器模块和RS485通信使用,电源采样经半波整流,D2为整流二极管,电阻R3、电容C5、二极管D4构成RCD吸收电路,电容C9提供开关电源控制芯片U3供电电源,电阻R6和R11构成电压反馈电阻,确定主回路输出电压,输出电压经低压差线性稳压器LDO稳压后,供主控制器模块及RS485通信使用,6V电源供电机使用。
进一步改进本方案,所述智能断路器还包括脱扣模块,所述脱扣模块,电源为开关输出端L、N,当电压处于合闸状态,且发生故障TRIP为高电平时,可控硅导通,使脱扣线圈接通220V,脱扣线圈内的弹簧弹出,顶跳开关,此时输出端没有电压,可控硅断开。
进一步改进本方案,所述无线通信模块采用ESP-07S型号WiFi无线模组芯片,WiFi无线模组芯片的第15、16引脚连接主控芯片,主控芯片通过UART串口对无线通信模块发送AT控制指令及通信数据,电容C7为微功率无线通信模块稳压电容器,电阻R1、电阻R2和电阻R4为模块功能引脚上拉电阻。
进一步改进本方案,还包括信号采集模块,所述信号采集模块包括温度采集单元,温度采集单元的信号输出端与主控制器模块连接。
进一步改进本方案,还包括按键模块,当按键S1没有按下时,KEY1检测为高电平,当按键S1按下时,KEY1检测为低电平,单片机通过检测KEY1电平,从而实现按键的检测。
有益效果
本装置具有测量、无线通讯等功能,能够完成电参量测量、采集及传输,可直接用于变电站自动化,配电自动化智能建筑、企业内部的电能测量、管理及考核中,可作为电力仪表的替代产品,且比一般的表计精度高,稳定性好,抗干扰能力强。本装置可灵活选择保护类型,并可对各保护类型的参数进行灵活修改与设置。可应用于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,可以准确的切断电路。
本装置通过改进不仅实现了测量的高精度、保护准确、故障检测可靠等要求,还能通过物联网技术实现数据与远程终端的对接,大大提高了产品的精准测量和远程遥控的空间距离。
附图说明
为了更清楚地说明实用新型实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是实用新型的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型智能断路器的模块原理图;
图2为本实用新型中电压采样单元的电路图;
图3为本实用新型中电流采样单元的电路图;
图4为本实用新型中漏电流采样单元的电路图;
图5为本实用新型中计量芯片模块的电路图;
图6为本实用新型中脱扣模块电路图;
图7为本实用新型中信号采集模块电路图;
图8为本实用新型中无线通信模块电路图;
图9为本实用新型中开关电源模块电路图;
图10为本实用新型中主控制器模块电路图;
图11为本实用新型中按键模块电路图;
图中标记:1、主控制器模块,2、计量模块,3、开关电源模块,4、脱扣模块,5、无线通信模块,6、信号采集模块,7、按键模块。
具体实施方式
为了使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。
如图所示:本实施例提供一种无线通信型漏电温度保护智能断路器,主要由低压微型断路器、主控制器模块1、计量模块2、开关电源模块3、脱扣模块4和无线通信模块5等几部分组成。不仅实现了测量的高精度、保护准确、故障检测可靠等要求,还能通过物联网技术实现数据与远程终端的对接,大大提高了产品的精准测量和远程遥控的空间距离。本方案不仅融合了低压线路的保护功能,同时具有电压、电流、漏电流和开关温度测量等功能,且可以和上级塑壳断路器实现自组网,并能通过物联网无线通信实现数据直接与云平台对接,对开关的远程控制与维护,管理更精准、维护更简单。
相比于传统的微型断路器,本产品设计出新型加长的结构,可以添加电流和漏电流互感器,且可以放置线路板,采集、计算电压、电流、漏电流等电参量和温度等。内置计量芯片,在有限的空间内,放置计量芯片,可以使电参量的计算精度更高,控制和保护更准确。
智能断路器包括计量模块2和主控制器模块1,计量模块2的信号输出端与主控制器模块连接,使用传感器以及计量芯片对电参量进行测量。所述计量芯片用于测量线路中的电压、电流和漏电流;并计算得到的电量值发送给主控制器模块1。所述电压采样单元、电流采样单元和漏电流采样单元输出端口均采用差分输入方式与计量芯片进行信号传递。
采用带 UART 通讯接口的高精度单相多功能计量芯片ATT7059S,工作电压DC5V,Y2为6Mhz,温度系数20ppm,保证系统在高低温环境下的工作采样精度,Y2与C41、C42形成晶振电路,为计量芯片工作提供基准频率。第3引脚V3P为电压正向信号输入端,第4引脚V3N为电压负向信号输入端,第5引脚V1P为电流正向信号输入端,第6引脚V1N为电流负向信号输入端。11、12引脚为UART串口连接主控芯片,主控芯片根据互感器参数对计量芯片进行校准,计算得到的电量值发送给主控芯片。
计量芯片检测到电压信号异常时,主控制器模块1会根据电压保护逻辑,实现电压的过压、欠压保护功能;漏电流采样单元检测到剩余电流异常时,主控制器模块1根据剩余电流保护逻辑,实现剩余电流保护。
所述计量模块2包括电压采样单元、电流采样单元、漏电流采样单元和计量芯片;
电流采样单元中,电流信号经过电阻分压,进入计量芯片,由计量芯片计算出精确的电流值,用于电流通信上传;电流信号I1经过电阻R13、R14的分流与分压,I2经过电阻R11、R12的分流与分压,形成电位压差I1_CPU与I2_CPU,接入计量芯片的采样端口;
漏电流采样单元中,线路中的剩余电流信号经过零序电流互感器转换成小电流,再经过电阻分压,进入计量芯片,由计量芯片计算出精确的漏电流值,用于漏电流的保护和漏电流通信上传;漏电流信号Z1经过电阻R15、R16的分流与分压,漏电流信号Z2经过电阻R21、R18的分流与分压,形成电位压差Z1_CPU与Z2_CPU,接入计量芯片的采样端口;
电压采样单元中,线路中的电压信号由电阻分压换成可供计量芯片采集的信号,进入计量芯片,进行电压的测量;电压信号经过电阻R7、R5、R4、R6、R8、R12、R14、R13、R4、R8的分流与分压形成电位压差VP与VN,电位压差VP与VN接入计量芯片的采样端口;
断路器的工作流程为:线路中的电压信号由电阻分压换成可供计量芯片采集的信号,送到计量模块2,计量模块2采用专用的数字处理芯片,精确计算出电压值,用于电压保护及通信上传;线路中的电流信号经过电流互感器转换成小电流,再经过电阻分压,进入计量模块2,由计量芯片计算出精确的电流值,用于电流通信上传;线路中的剩余电流信号经过零序电流互感器转换成小电流,再经过电阻分压,进入计量模块2,由计量芯片计算出精确的漏电流值,用于漏电流的保护和漏电流通信上传。
当计量芯片检测到电压信号异常时,CPU会根据电压保护逻辑,实现电压的过压、欠压保护功能;当检测到剩余电流异常时,CPU同样根据剩余电流保护逻辑,实现剩余电流保护。所述计量芯片用于测量线路中的电压、电流和漏电流;并将计算得到的电量值发送给主控制器模块1。计量模块电路由计量芯片、电流互感器、 电阻、电容等元器件组成,分别测量电压、电流和漏电流。线路中的电流、漏电流经过电流互感器转换成二次端电流接入,电流信号经过电阻分压,进入计量芯片,进行电流和漏电流的测量;线路中的电压,经过电阻分压,进入计量芯片,进行电压的测量。
主控制器模块1包括主控芯片,负责整个系统的协调,处理各个模块传输过来的数据,是整个系统中最为核心的部分。计量芯片的第10引脚、第11引脚连接主控芯片,主控芯片根据互感器参数对计量芯片进行校准,计量芯片计算得到的电量值发送给主控芯片,计量芯片的OSCI引脚和OSCO引脚并联有晶振电路,晶振电路,用于为计量芯片工作提供基准频率;晶振电路包括电容C41、电容C42和晶振Y2,晶振Y2的第一端与电容C41、计量芯片的OSCI引脚连接,晶振Y2的第二端与电容C42、计量芯片的OSCO引脚连接,电容C41第二端和电容C42的第二端共接于地。主控制器模块1包括主控芯片,主控芯片能满足软件要求的处理速度和存储空间,64KB Flash、2KB RAM的G80F923芯片,32.768KHz芯片外部晶振。处理最小外围电路,单片机需进行一路电压、一路电流、一路漏电流的采样计算,两路内部电压的ADC计算和一路温度的计算,按键试跳、开关状态检测、脱扣器跳闸、LED指示灯,和无线通信。
智能断路器还包括开关电源模块3,用于输出双路隔离电源,为整个系统的工作提供电源。分别供电机驱动、主控制器模块1和RS485通信使用,电源采样经半波整流,D2为整流二极管,电阻R3、电容C5、二极管D4构成RCD吸收电路,电容C9提供开关电源控制芯片U3供电电源,电阻R6和R11构成电压反馈电阻,确定主回路输出电压,输出经低压差线性稳压器LDO稳压后,供主控制器模块1及RS485通信使用,6V电源供电机使用。
开关电源模块电路中,RX1为压敏电阻,作为开关电源输入过电压保护器件。PTC1为热敏电阻,作为电源过流保护器件。电源采样半波整流,D2为整流二极管。R3、C5、D4构成RCD吸收电路。U3为开关电源控制芯片,C9提供芯片供电电源,R6、R11构成电压反馈电阻,确定主回路输出电压。输出经LDO稳压后供主控及RS485通信使用,6V供电机使用。该部分电路,提供了控制器所需工作电源,通过非隔离的开关电源,完成了电压的转换。
脱扣模块4,用于执行机械动作和漏电脱扣等。脱扣模块回路,电源为开关输出端L、N,当电压处于合闸状态,且发生故障TRIP为高电平时,可控硅导通,使脱扣线圈接通220V,脱扣线圈内的弹簧弹出,顶跳开关,此时输出端没有电压,可控硅断开。脱扣模块电路,当跳闸信号产生时,CPU驱动脱扣器回路内的可控硅导通,使脱扣线圈弹开,脱扣器推动开关触头断开,开关跳闸。
断路器通过物联网无线通信技术,将数据上传到物联网云平台,可实时查看当前电参量、闸位变化记录,设置保护功能的开启/关闭、保护参数的查看/修改,并可以通过云平台实现对开关的远程控制。此部分主要采用蓝牙通信的方式来实现数据的无线传输,以对设备进行控制。
所述无线通信模块5采用ESP-07S型号WiFi无线模组芯片,WiFi无线模组芯片的第15、16引脚连接主控芯片,主控芯片通过UART串口对无线通信模块5发送AT控制指令及通信数据,电容C7为微功率无线通信模块的稳压电容器,电阻R1、电阻R2和电阻R4为模块功能引脚上拉电阻。
信号采集模块6包括温度采集单元,温度采集单元的信号输出端与主控制器模块1连接。温度采样电路由NTC温度传感器,电容电阻等元器件组成。R1为NTC温度传感器。当环境温度上升时NTC阻值下降,对应的采样电压ADC2下降,进而AD采样值下降,即每对应一个温度值,就对应一个AD采样值,这样便能得到一个温度值与采样值的对应表。这些采样得到的数据传输给单片机进行进一步的处理和显示。温度采集单元包括温度传感器R1、若干电容和若干电阻,当环境温度上升时R1阻值下降,进而采样电压ADC2下降,对应的AD采样值下降。断路器内的温度,通过温度传感器对温度进行采集,转换为AD信号,进入单片机,通过算法计算出温度值,并对温度进行保护和通信上传。
温度热敏电阻R1和一个5.1K的电阻进行分压,电压为3.3V。热敏电阻型号:MF58-103F-3950,25摄氏度时阻值15K欧,电阻与温度计算公式:B=[(Ta*Tb)/(Tb-Ta)]*ln(Ra/Rb),B为热敏指数,Rb为Tb温度时对应的阻值,Ra为Ta温度时对应的阻值,T为开尔文温度,T=t+273.15。
温度采集单元包括温度传感器R1,电阻R5、电容C2,所述温度传感器R1的第一端与+3.3V电源连接,温度传感器R1的第二端分别连接电容C2的第一端、电阻R5的第一端和采样电压ADC2端口,电容C2的第二端和电阻R5的第二端共接于地。
按键、指示灯输入:对控制器状态和参数配置进行显示和操作。按键模块7,用于当按键S1没有按下时,KEY1检测为高电平,当按键S1按下时,KEY1检测为低电平,单片机通过检测KEY1电平,从而实现按键的检测。
微型断路器本体:通过断路器内的双金和瞬时脱扣线圈,实现断路器的电流保护。
本设计所研制的基于无线通信的智能漏电微型断路器集保护、计量、物联网通信功能于一体,必将有很广阔的应用前景。此外,此智能断路器采用环保材料,可大大减少对环境的污染;而且断路器采用电子控制,不仅集成了保护、测量、物联网通信功能,且体积小,尺寸模块化,标准导轨安装,节省了材料、能源和人力维护成本。
本装置可灵活选择保护类型,并可对各保护类型的参数进行灵活修改与设置。可应用于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,可以准确的切断电路。本装置具有测量、无线通讯等功能,能够完成电参量测量、采集及传输,可直接用于变电站自动化,配电自动化智能建筑、企业内部的电能测量、管理及考核中,可作为电力仪表的替代产品,且比一般的表计精度高,稳定性好,抗干扰能力强。
以上所述,仅是本实用新型的较佳实施例而已,并非对本实用新型作任何形式上的限制,虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用新型技术方案内容,依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种无线通信型漏电温度保护智能断路器,包括计量模块和主控制器模块,计量模块的信号输出端与主控制器模块连接,其特征在于:
所述计量模块包括电压采样单元、电流采样单元、漏电流采样单元和计量芯片;
所述电流采样单元中,线路中的电流信号经过电阻分压,进入计量芯片,由计量芯片计算出精确的电流值,用于电流通信上传;电流信号I1经过电阻R13、R14的分流与分压,电流信号I2经过电阻R11、R12的分流与分压,形成电位压差I1_CPU与I2_CPU,接入计量芯片的采样端口;
所述漏电流采样单元中,线路中的剩余电流信号经过零序电流互感器转换成小电流,再经过电阻分压,进入计量芯片,由计量芯片计算出精确的漏电流值,用于漏电流的保护和漏电流通信上传;漏电流信号Z1经过电阻R15、R16的分流与分压,漏电流信号Z2经过电阻R21、R18的分流与分压,形成电位压差Z1_CPU与Z2_CPU,接入计量芯片的采样端口;
所述电压采样单元中,线路中的电压信号由电阻分压换成可供计量芯片采集的信号,进入计量芯片,进行电压的测量;电压信号经过电阻R7、R5、R4、R6、R8、R12、R14、R13、R4、R8的分流与分压,形成电位压差VP与VN,接入计量芯片的采样端口;
所述计量芯片用于测量线路中的电压、电流和漏电流;并将计算得到的电量值发送给主控制器模块。
2.如权利要求1所述的一种无线通信型漏电温度保护智能断路器,其特征在于:电压采样单元、电流采样单元和漏电流采样单元输出端口均采用差分输入方式与计量芯片进行信号传递。
3.如权利要求1所述的一种无线通信型漏电温度保护智能断路器,其特征在于:所述计量芯片检测到电压信号异常时,主控制器模块会根据电压保护逻辑,实现电压的过压、欠压保护功能;
漏电流采样单元检测到剩余电流异常时,主控制器模块根据剩余电流保护逻辑,实现剩余电流保护。
4.如权利要求2所述的一种无线通信型漏电温度保护智能断路器,其特征在于:所述主控制器模块包括主控芯片,计量芯片的第10引脚、第11引脚连接主控芯片,主控芯片根据互感器参数对计量芯片进行校准,计量芯片计算得到的电量值发送给主控芯片,计量芯片的OSCI引脚和OSCO引脚并联有晶振电路,晶振电路,用于为计量芯片工作提供基准频率;晶振电路包括电容C41、电容C42和晶振Y2,晶振Y2的第一端与电容C41、计量芯片的OSCI引脚连接,晶振Y2的第二端与电容C42、计量芯片的OSCO引脚连接,电容C41第二端和电容C42的第二端共接于地。
5.如权利要求4所述的一种无线通信型漏电温度保护智能断路器,其特征在于:所述计量芯片的第3引脚V3P为电压正向信号输入端,第4引脚V3N为电压负向信号输入端,第5引脚V1P为电流正向信号输入端,第6引脚V1N为电流负向信号输入端。
6.如权利要求5所述的一种无线通信型漏电温度保护智能断路器,其特征在于:智能断路器还包括开关电源模块,用于输出双路隔离电源,分别供电机驱动、主控制器模块和RS485通信使用,电源采样经半波整流,D2为整流二极管,电阻R3、电容C5、二极管D4构成RCD吸收电路,电容C9提供开关电源控制芯片U3供电电源,电阻R6和R11构成电压反馈电阻,确定主回路输出电压,输出电压经低压差线性稳压器LDO稳压后,供主控制器模块和RS485通信使用,6V电源供电机使用。
7.如权利要求6所述的一种无线通信型漏电温度保护智能断路器,其特征在于:智能断路器还包括脱扣模块,所述脱扣模块,电源为开关输出端L、N,当电压处于合闸状态,且发生故障TRIP为高电平时,可控硅导通,使脱扣线圈接通220V,脱扣线圈内的弹簧弹出,顶跳开关,此时输出端没有电压,可控硅断开。
8.如权利要求7所述的一种无线通信型漏电温度保护智能断路器,其特征在于:还包括无线通信模块,所述无线通信模块采用ESP-07S型号WiFi无线模组芯片,WiFi无线模组芯片的第15、16引脚连接主控芯片,主控芯片通过UART串口对无线通信模块发送AT控制指令及通信数据,电容C7为微功率无线通信模块稳压电容器,电阻R1、电阻R2和电阻R4为模块功能引脚上拉电阻。
9.如权利要求8所述的一种无线通信型漏电温度保护智能断路器,其特征在于:还包括信号采集模块,所述信号采集模块包括温度采集单元,温度采集单元的信号输出端与主控制器模块连接。
10.如权利要求9所述的一种无线通信型漏电温度保护智能断路器,其特征在于:还包括按键模块,当按键S1没有按下时,KEY1检测为高电平,当按键S1按下时,KEY1检测为低电平,单片机通过检测KEY1电平,从而实现按键的检测。
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