CN213958826U - 一种一二次深度融合的集成型智能开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种一二次深度融合的集成型智能开关，属于智能开关技术领域，包括断路器开关本体，断路器开关本体内置有传感器模块，断路器开关本体上安装有FTU控制器，FTU控制器包括微处理器、电源供电模块，电源供电模块的电源采集端连接断路器开关本体上的三相电极，电源供电模块的供电端分别连接微处理器；电源供电模块包括三个陶瓷电容和三个电压变换器，各陶瓷电容一端连接断路器开关本体上的一个电极，陶瓷电容的另一端连接电压变换器原边，电压变换器副边供电连接微处理器。本实用新型通过在开关本体内置电源供电模块为FTU控制器进行供电，节省生产成本，具有较高的经济效益。

Description

一种一二次深度融合的集成型智能开关

技术领域

本实用新型属于智能开关技术领域，具体涉及一种一二次深度融合的集成型智能开关。

背景技术

目前，一二次融合的柱上开关通常由开关本体、FTU测控终端、PT传感器这三部分，它们相互独立、分别安装，三者之间用航空插头连接起来，组成一体化智能柱上开关。例如，公告号为CN208985904U的中国实用新型专利，公开了一种一二次融合户外SF6断路器，此类型的开关产品大都配置外置的、独立的电磁式电压互感器，用于测量母线上两相之间的的线电压(一般为AB和BC)，并设置单独的供电绕组给控制器(即FTU测控终端)供电，目前控制器从母线上取能的方式主要有利用电流互感器(CT)或电容分压器从母线上取能，母线电流取能供电方式是利用电磁感应原理，通过取能线圈从高压母线或线路上感应交流电压，然后经过整流、滤波、稳压后为高压侧电子电路供电。因此，现有控制器的供电方式的设备成本较高。

并且，现有开关的三相电流互感器采用电磁式电流互感器和零序电流互感器，需要设置防开路装置，以避免互感器开路，进一步提升了设备成本。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种一二次深度融合的集成型智能开关，用于解决现有智能柱上开关由于单独为控制器设置供电设备导致成本较高的问题。

基于上述目的，一种一二次深度融合的集成型智能开关的技术方案如下：

包括断路器开关本体，断路器开关本体内置有传感器模块，断路器开关本体上安装有FTU控制器，传感器模块包括三相电容式互感器及零序电压传感器，三相电流互感器和零序电流互感器；

FTU控制器包括微处理器、电源供电模块、模数转换电路、电压及电流采样电路、隔离电路和驱动电路，其中，电源供电模块的电源采集端连接断路器开关本体上的三相电极，电源供电模块的供电端分别连接微处理器，用于从断路器开关本体上的三相电极处取电，为微处理器提供工作电源；

所述的电源供电模块包括三个陶瓷电容和三个电压变换器，每个陶瓷电容的一端连接断路器开关本体上的一个电极，每个陶瓷电容的另一端连接电压变换器的原边，电压变换器的副边用于供电连接微处理器；

所述的微处理器通过模数转换电路连接电压及电流采样电路，电压及电流采样电路连接所述传感器模块；所述的微处理器通过隔离电路连接所述驱动电路，用于驱动断路器分合闸。

上述技术方案的有益效果是：

本实用新型的集成型智能开关，通过在开关本体内置电源供电模块(高压陶瓷电容C和电压变换器T)为FTU控制器进行供电，代替了原有外置式电压互感器，防止了电磁谐振的产生。并且，相对现有单独为控制器设置供电设备的供电方式，本实用新型不需单独为控制器设置供电设备，集成化程度高，在一定程度上节省了生产成本，具有较高的经济效益。

进一步的，为了解决传感器模块的供电问题，所述电源供电模块的供电端还供电连接所述传感器模块，用于从断路器开关本体上的三相电极处取电，为传感器模块提供工作电源。

进一步的，为了实现对传感器模块输出电压电流信号的采样，所述的电压及电流采样电路包括三个相电压采样电路、一个零序电压采样电路、三个相电流采样电路和一个零序电流采样电路，其中，三个相电压采样电路的采集端分别对应连接三相电容式互感器的输出端，三个相电压采样电路的输出端连接所述模数转换电路；零序电压采样电路的采集端对应连接零序电压传感器的输出端，零序电压采样电路的输出端连接所述模数转换电路；

三个相电流采样电路的采集端分别对应连接三相电流互感器的输出端，三个相电流采样电路的输出端连接所述模数转换电路；零序电流采样电路的采集端连接零序电流互感器的输出端，零序电流采样电路的输出端连接所述模数转换电路。

进一步的，为了实现三相电压、电流及零序电压、电流的采集，所述三相电容式互感器及零序电压传感器包括三个互感器，每个互感器的原边并联在陶瓷电容C2两端，陶瓷电容C2经过与陶瓷电容C1串联后，连接到断路器开关本体的对应相电极上，每个互感器的副边分为两组，一组副边绕组作为三相电容式互感器的输出端，用于连接电压及电流采样电路中的相电压采样电路；另一组副边绕组作为零序电压传感器的输出端，用于连接电压及电流采样电路中的零序电压采样电路。

进一步的，为了避免传感器开路，所述三相电流互感器采用线圈式低功耗电流互感器，每相线圈均内置有对应的采样电阻。

进一步的，为了提高电源质量，所述电压变换器的副边连接有三相不控整流器的交流端，三相不控整流器的整流端依次连接有电容滤波电路、线性稳压电路，线性稳压电路的输出端供电连接微处理器的电源接口。

进一步的，为了提高相电流和零序电流的稳定采集，相电流采样电路和零序电流采样电路结构相同，均包括前后两级放大电路，前级放大电路的输入端连接三相电流互感器的输出端，前级放大电路的输出端连接后级放大电路的输入端，后级放大电路的输出端连接所述模数转换电路。

附图说明

图1是本实用新型一种集成型智能开关的主拓扑电路图；

图2是本实用新型的电源供电模块的具体电路图；

图3是本实用新型的一种相电压采样电路图；

图4是本实用新型的一种相电流采样电路图；

图5是本实用新型的一种隔离电路图；

图6是本实用新型的一种驱动电路图；

图7是本实用新型的电压变换器与微处理器之间的连接电路图；

图8是本实用新型的电容滤波电路以及线性稳压电源电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。

本实施例提出一种一二次深度融合的集成型智能开关，包括断路器开关本体，断路器开关本体内置有传感器模块，断路器开关本体上可拆卸式安装有FTU控制器，开关的主拓扑电路如图1所示，传感器模块包括三相电容式互感器及零序电压传感器，三相电流互感器和零序电流互感器。

FTU控制器包括微处理器(图1中采用基于ARM结构的STM32f103单片机)、电源供电模块、模数转换电路、电压及电流采样电路、隔离电路和驱动电路，其中，电源供电模块的电源采集端连接断路器开关本体上的三相电极，电源供电模块的供电端分别连接微处理器和传感器模块，用于从断路器开关本体上的三相电极处取电，并为微处理器和传感器模块提供工作电源。

电压及电流采样电路采集连接传感器模块，且电压及电流采样电路输出连接模数转换电路，模数转换电路的输出端连接微处理器，电压及电流采样电路用于采集传感器模块输出的三相电压、零序电压、三相电流及零序电流，并经过模拟信号到数字信号的转换，最终将电压、电流的采集信息以数字形式发送至微处理器。

具体的，电压及电流采样电路包括三个相电压采样电路、一个零序电压采样电路、三个相电流采样电路和一个零序电流采样电路，其中，三个相电压采样电路的采集端分别对应连接三相电容式互感器的输出端，三个相电压采样电路的输出端连接模数转换电路；零序电压采样电路的采集端对应连接零序电压传感器的输出端，零序电压采样电路的输出端连接模数转换电路。

类似的，三个相电流采样电路的采集端分别对应连接三相电流互感器的输出端，三个相电流采样电路的输出端连接模数转换电路；零序电流采样电路的采集端连接零序电流互感器的输出端，零序电流采样电路的输出端连接模数转换电路。

图1中，微处理器还通过隔离电路控制连接驱动电路，隔离电路的原边连接微处理器的控制端，隔离电路的副边连接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端用于控制断路器开关的分合闸。

上述电源供电模块的具体电路如图2所示，其中电源模块包括三个高压陶瓷电容C和三个电压变换器T，每个高压陶瓷电容C的一端连接断路器开关本体上的一个电极(R、S或T)，高压陶瓷电容C的另一端连接电压变换器T的原边，电压变换器T的副边用于供电连接微处理器。

上述传感器模块的具体电路如图2所示，其中，三相电容式互感器及零序电压传感器包括三个互感器T1，每个互感器T1的原边并联在陶瓷电容C2两端，陶瓷电容C2经过与陶瓷电容C1串联后，连接到断路器开关本体的对应相电极上，互感器T1的副边分为两组，一组副边绕组(V_A1,V_N)作为三相电容式互感器的输出端，用于连接相电压采样电路；另一组副边绕组(V₀,V₁)作为零序电压传感器的输出端，用于连接零序电压采样电路。

图2中，三相电流互感器3CT为线圈式低功耗电流互感器(LPCT，Low powercurrent tansformor)，每相线圈均内置有对应的采样电阻R_{sh_a}、R_{sh_b}、R_{sh_c}，三相电流互感器3CT通过采样电阻输出对应电流i_pa、i_pb、i_pc，输出端连接相电流采样电路；零序电流互感器ZCT的输出端(k,l)连接零序电路采样电路。

本实施例中，一种相电压采样电路如图3所示，该电路包括隔离器U3和放大器U4，隔离器U3的输入端(V_A1,V_N)用于连接三相电容式互感器的输出端，隔离器U3的输出端经过稳压电容C9连接放大器U4的输入端，放大器U4的输出端V_AIN用于连接模数转换电路，经过模数转换电路将电压信号发送至微处理器。

图3中，隔离器U3为差分隔离放大器，作用是将输入信号进行隔离放大，隔离强电与弱电连接，并且放大倍数为8倍，型号采用AMC1200BDWVR；放大器U4起到模拟信号的放大作用，型号采用OPA320AIDBVR。本实施例中，零序电压采样电路也采用如图3所示的电路。

本实施例中，一种相电流采样电路如图4所示，包括由U7和U6B构成的两级放大电路，前级放电路中，放大器U7的输入端I_A连接三相电流互感器3CT的输出端，放大器U7的输出端连接后级放大电路，即放大器U6B的输入端，放大器U6B的输出端IA用于连接模数转换电路，经过模数转换电路将电流信号发送至微处理器。(放大器U7的作用是将输入0～5V电压交流电压进行比例缩小至0～3V范围内，后级放大器U6B为电压跟随器，作用是增强后级的带负载能力以及实现电压隔离。

本实施例中，微处理器输出的控制信号要经过隔离电路进行隔离放大，一种隔离电路如图5所示，采用隔离模块P1，型号为ISO7240CDWR，隔离模块P1的输入端PA1、PB1、PC1用于连接微处理器，隔离模块P1的输出端PA2、PB2、PC2用于连接驱动电路，进行信号驱动。

其中，隔离模块P1的输出端PA2连接的驱动电路如图6所示，该驱动电路包括驱动模块U8，型号采用IR2110STRPBF，驱动模块U8的输入端PA2连接隔离模块P1的输出端PA2，驱动模块U8的输出端(G1,S1)连接电子开关，因为电路中的开关是大电压和强电流，所以电路中开关为IGBT模块，该模块的栅极与驱动电路的输出端G1相连，该模块的发射极与驱动电路的输出端S1连接并且与后级电路相连，集电极与前级电路相连。

本实施例中，一种电压变换器T与微处理器之间的连接电路如图7所示，电源变压器(即电压变换器T)连接三相不控整流器的交流端，三相不控整流器的整流端连接有电容滤波电路、线性稳压电路，如图8所示，其中电容滤波电路包括滤波电容C1，线性稳压电路由稳压管VDz、运算放大器A、晶体管VT以及四个电阻R0、R1、R2、R3构成，其中，滤波电容C1的容值为500uF，晶体管的型号采用BCX38B，四个电阻阻值依次为2kΩ、560Ω、510Ω、910欧姆，该线性稳压电路的输出端(输出电压为U_dc2)供电连接微处理器的电源接口。

本实用新型的集成型智能开关具有以下特点：

(1)通过在开关本体内置电源供电模块(高压陶瓷电容C和电压变换器T)为控制器进行供电，代替原有外置式电磁电压互感器，防止了电磁谐振的产生，并且，相对现有单独为控制器设置供电设备的供电方式，在一定程度上节省了生产成本。

(2)采用了基于LPCT的三相电流互感器和零序电流互感器，线圈内置精密采样电阻，不存在CT开路高压风险，进一步实现了智能开关的深度融合一体化。

(3)智能开关控制器于开关本体设计为可拆卸式，在地面通过操动杆即可完成更换，大大提高检修效率。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种一二次深度融合的集成型智能开关，其特征在于，包括断路器开关本体，断路器开关本体内置有传感器模块，断路器开关本体上安装有FTU控制器，传感器模块包括三相电容式互感器及零序电压传感器，三相电流互感器和零序电流互感器；

FTU控制器包括微处理器、电源供电模块、模数转换电路、电压及电流采样电路、隔离电路和驱动电路，其中，电源供电模块的电源采集端连接断路器开关本体上的三相电极，电源供电模块的供电端分别连接微处理器，用于从断路器开关本体上的三相电极处取电，为微处理器提供工作电源；

所述的电源供电模块包括三个陶瓷电容和三个电压变换器，每个陶瓷电容的一端连接断路器开关本体上的一个电极，每个陶瓷电容的另一端连接电压变换器的原边，电压变换器的副边用于供电连接微处理器；

所述的微处理器通过模数转换电路连接电压及电流采样电路，电压及电流采样电路连接所述传感器模块；所述的微处理器通过隔离电路连接所述驱动电路，用于驱动断路器分合闸。

2.根据权利要求1所述的一二次深度融合的集成型智能开关，其特征在于，所述电源供电模块的供电端还供电连接所述传感器模块，用于从断路器开关本体上的三相电极处取电，为传感器模块提供工作电源。

3.根据权利要求1所述的一二次深度融合的集成型智能开关，其特征在于，所述的电压及电流采样电路包括三个相电压采样电路、一个零序电压采样电路、三个相电流采样电路和一个零序电流采样电路，其中，三个相电压采样电路的采集端分别对应连接三相电容式互感器的输出端，三个相电压采样电路的输出端连接所述模数转换电路；零序电压采样电路的采集端对应连接零序电压传感器的输出端，零序电压采样电路的输出端连接所述模数转换电路；

三个相电流采样电路的采集端分别对应连接三相电流互感器的输出端，三个相电流采样电路的输出端连接所述模数转换电路；零序电流采样电路的采集端连接零序电流互感器的输出端，零序电流采样电路的输出端连接所述模数转换电路。

4.根据权利要求1或2或3所述的一二次深度融合的集成型智能开关，其特征在于，所述三相电容式互感器及零序电压传感器包括三个互感器，每个互感器的原边并联在陶瓷电容C2两端，陶瓷电容C2经过与陶瓷电容C1串联后，连接到断路器开关本体的对应相电极上，每个互感器的副边分为两组，一组副边绕组作为三相电容式互感器的输出端，用于连接电压及电流采样电路中的相电压采样电路；另一组副边绕组作为零序电压传感器的输出端，用于连接电压及电流采样电路中的零序电压采样电路。

5.根据权利要求1或2或3所述的一二次深度融合的集成型智能开关，其特征在于，所述三相电流互感器采用线圈式低功耗电流互感器，每相线圈均内置有对应的采样电阻。

6.根据权利要求1所述的一二次深度融合的集成型智能开关，其特征在于，所述电压变换器的副边连接有三相不控整流器的交流端，三相不控整流器的整流端依次连接有电容滤波电路、线性稳压电路，线性稳压电路的输出端供电连接微处理器的电源接口。

7.根据权利要求3所述的一二次深度融合的集成型智能开关，其特征在于，相电流采样电路和零序电流采样电路结构相同，均包括前后两级放大电路，前级放大电路的输入端连接三相电流互感器的输出端，前级放大电路的输出端连接后级放大电路的输入端，后级放大电路的输出端连接所述模数转换电路。

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