CN214590546U - 一种用于智能断路器的多模组合取电供能模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于智能断路器的多模组合取电供能模块，包括接触取电模块和CT取电模块，增加超级电容储能供电模块；所述接触取电模块接至断路器的变压器二次侧，CT取电模块接至断路器的变压器一次侧，超级电容储能供电模块连接接触取电模块和CT取电模块，在断路器正常工作状态下实现超级电容充电蓄能，在缺相或断相的故障状态下通过超级电容放电模式驱动开关电源以实现断路器正常运行。本实用新型的技术方案中，增加以超级电容为介质的储能供电模组，可以确保断路器在一次侧断相、缺相等突发状况发生时，仍有足够的能量驱动脱扣器脱扣动作跳闸，避免故障的扩大化，提高了断路器运行的可靠性。

Description

一种用于智能断路器的多模组合取电供能模块

技术领域

本实用新型涉及取电供能技术领域，具体涉及一种用于智能断路器的多模组合取电供能模块。

背景技术

低压断路器是应用于低压配电系统中的主要电器设备，正常负荷下可接通或断开供电线路，当供电线路中发生故障时，可自动跳闸，起到保护线路和电气设备的作用，防止事故范围进一步扩大。

目前常规的断路器是通过电压信号或电流信号感应获得工作电源，正常状态是通过电压信号的转换获取工作电压，故障情况下可通过故障电流转换取得工作电源。

现有技术中，以图1某品牌塑壳断路器为例，该塑壳断路器包括主接线端子1、带手柄操作机构2、ETU电子脱扣单元3、旋转触头系统4、灭弧栅片5、脱扣线圈6、电流互感器7，利用图1中电流互感器7上的铜排来进行相电的连接，将一次侧相电压信号引入断路器内置变压器，通过变压器进行转换之后，输出低电压给控制电路部分，实现正常工作状态下的电压取能。这样只要断路器一次侧保证供电，即可确保断路器控制部分电源供电的持续性与可靠性。但是当一次侧相电出现断相、缺相等故障时，控制部分电源无法实现工作电压的正常输出。

同时，现有技术中部分类型的断路器采用安装在铜排上的电流互感器进行CT感应取电，依靠专门的电源管理芯片，实现电流信号转换为系统工作电压信号，但是受限于安装空间和互感器线圈绕组数，CT感应取能的功率有限，需要一次侧电流大于一定阈值，才能保证断路器各个部件的正常运行。

鉴于上述现有技术中两种常规的取能方式都存在有一定的问题，需要提出一种多模组合的取电供能方式，以确保智能断路器供电的可靠性。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于智能断路器的多模组合取电供能模块，以解决现有技术中两种常规取能方式存在的技术缺陷。本实用新型提出的新型多模组合的取电供能方式，增加以超级电容为介质的储能供电模组，通过超级电容储能供电、CT取能供电和接触感应取电的多种取能模式的并列运行，可以确保智能断路器供电的可靠性。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案。

本实用新型提供一种用于智能断路器的多模组合取电供能模块，包括接触取电模块和CT取电模块，还包括超级电容储能供电模块；所述接触取电模块接至断路器的变压器二次侧，所述CT取电模块接至断路器的变压器一次侧；所述超级电容储能供电模块连接接触取电模块和CT取电模块，在断路器正常工作状态下实现超级电容充电蓄能，在缺相或断相的故障状态下通过超级电容放电模式驱动开关电源以实现断路器正常运行。

优选的是，所述接触取电模块包括AC/DC开关电源、第一二极管D1、第二二极管D2、第四二极管D4，第二二极管D2与第四二极管D4串联再与第一二极管D1并联连接AC/DC开关电源，AC220V相电压通过铜牌母线引入至AC/DC开关电源，经AC/DC转换后输出12V直流电压。

在上述任一技术方案中优选的是，所述AC220V相电压输入端连接过零检测电路。

在上述任一技术方案中优选的是，所述CT取电模块包括三组集成有取能线圈和计量线圈的双线圈穿心式互感器、第三二极管D3，第三二极管D3并联连接三组双线圈穿心式互感器、取能芯片的Shunt Boost整流控制器，ABC三相电压通过穿心式互感器输出电流Ia、Ib和Ic，经取能芯片的Shunt Boost整流控制器后输出12V直流电压。

在上述任一技术方案中优选的是，所述超级电容储能供电模块包括多只单体10F/2.7V超级电容、芯片Buck调节器，多只单体10F/2.7V超级电容串联连接得到C＝2F、电压13.5V的超级电容组，超级电容组通过第一二极管D1、第四二极管D4、第二二极管D2连接芯片Buck调节器。

在上述任一技术方案中优选的是，所述超级电容组与第一二极管D1之间设置一个电阻，超级电容组正极连接电阻一端，电阻另一端连接第一二极管D1负极。

在上述任一技术方案中优选的是，所述芯片Buck调节器的输入电压范围为+5V到+12V。

在上述任一技术方案中优选的是，所述第一二极管D1、第四二极管D4和第二二极管D2串联连接超级电容组和芯片Buck调节器，接触取电模块的通过AC/DC开关电源输出的12V直流电压，经第一二极管D1、第四二极管D4、第二二极管D2的单向导通，12V直流电压分别传输至超级电容组和芯片Buck调节器。

在上述任一技术方案中优选的是，所述CT取电模块的通过取能芯片的ShuntBoost整流控制器输出的12V直流电压，与接触取电模块的通过AC/DC开关电源输出的12V直流电压并联后传输至芯片Buck调节器。

在上述任一技术方案中优选的是，所述断路器的后端控制电路通过接触取电模块或CT取电模块获得转化输入电压3.3V。

与现有技术相比，本实用新型的上述技术方案具有如下有益效果：

增加以超级电容为介质的储能供电模组，确保断路器在一次侧断相、缺相等突发状况发生时，仍有足够的能量驱动脱扣器脱扣动作跳闸，避免故障的扩大化；超级电容储能供电、CT取能供电和接触感应取电等三种供电方式的有效融合，避免了断路器单一取能模式的隐患，提高了断路器运行的可靠性；多种取能模式的并列运行，可均摊断路器运行中单个取能通路上产生的功耗，有利于降低控制模块的工作温升，延长控制模块的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本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本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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中塑壳断路器组成部分的分解图；

图2为按照本实用新型的用于智能断路器的多模组合取电供能模块的一优选实施例的三种控制模式总体框图；

图3为按照本实用新型的用于智能断路器的多模组合取电供能模块的图2所示实施例的接触取电模块电路图；

图4为按照本实用新型的用于智能断路器的多模组合取电供能模块的图2所示实施例的CT取电模块电路图；

图5、图6为按照本实用新型的用于智能断路器的多模组合取电供能模块图2所示实施例的取能后输出3.3V至后端控制电路的电路图；

图7为按照本实用新型的用于智能断路器的多模组合取电供能模块的图2所示实施例的超级电容的充放电电路图；

图8为按照本实用新型的用于智能断路器的多模组合取电供能模块的图2所示实施例的断路器故障时超级电容放电驱动开关电源的电路图。

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。

为了克服断路器在现有技术中存在的供电可靠性不足的问题，本实用新型实施例提出一种用于智能断路器的多模组合取电供能模块，在常规取能方式的基础上，增加以超级电容为介质的储能供电模组，通过超级电容储能供电、CT取能供电和接触感应取电的多种取能模式的并列运行，来确保智能断路器供电的可靠性。

以图1的三种控制模式总体框图为例，说明用于智能断路器的多模组合取电供能模块的电路结构特点、工作原理和实现形式。

本实施例所述的用于智能断路器的多模组合取电供能模块，包括接触取电模块、CT取电模块、超级电容储能供电模块。本实施例中，接触取电模块包括AC/DC开关电源、第一二极管D1、第二二极管D2、第四二极管D4，第二二极管D2与第四二极管D4串联再与第一二极管D1并联连接AC/DC开关电源，AC220V相电压通过铜牌母线引入至AC/DC开关电源，经AC/DC转换后输出12V直流电压；CT取电模块包括三组集成有取能线圈和计量线圈的双线圈穿心式互感器、第三二极管D3，第三二极管D3并联连接三组双线圈穿心式互感器、取能芯片的Shunt Boost整流控制器，ABC三相电压通过穿心式互感器输出电流Ia、Ib和Ic，经取能芯片的Shunt Boost整流控制器后输出12V直流电压；超级电容储能供电模块包括多只单体10F/2.7V超级电容、芯片Buck调节器，多只单体10F/2.7V超级电容串联连接得到C＝2F、电压13.5V的超级电容组，超级电容组通过第一二极管D1、第四二极管D4、第二二极管D2连接芯片Buck调节器。第一二极管D1、第四二极管D4和第二二极管D2串联连接超级电容组和芯片Buck调节器，接触取电模块的通过AC/DC开关电源输出的12V直流电压，经第一二极管D1、第四二极管D4、第二二极管D2的单向导通，12V直流电压分别传输至超级电容组和芯片Buck调节器。CT取电模块的通过取能芯片的Shunt Boost整流控制器输出的12V直流电压，与接触取电模块的通过AC/DC开关电源输出的12V直流电压并联后传输至芯片Buck调节器。本实施例所述技术方案，将接触取电模块接至断路器的变压器二次侧，将CT取电模块接至断路器的变压器一次侧，增设的超级电容储能供电模块连接接触取电模块和CT取电模块，在断路器正常工作状态下实现超级电容充电蓄能，在缺相或断相的故障状态下通过超级电容放电模式驱动开关电源以实现断路器正常运行。

本实施例中，AC220V相电压输入端连接过零检测电路。

本实施例中，超级电容组与第一二极管D1之间设置一个电阻，超级电容组正极连接电阻一端，电阻另一端连接第一二极管D1负极。

本实施例中，芯片Buck调节器的输入电压范围为+5V到+12V。

本实施例中，断路器的后端控制电路通过接触取电模块或CT取电模块获得转化输入电压3.3V。

本实施例所述的用于智能断路器的多模组合取电供能模块，在融合了传统的二次侧变压器接触取电和一次侧CT取电两种技术的基础上，同时采用了超级电容介质的储能模式充放电路设计，通过在一次侧、二次侧以及超级电容端三种模式下进行取能与蓄能，确保断路器在遇到突发故障失电时，依然有足够的后备储存能量支撑驱动脱扣器脱扣跳闸。

二次侧接触取电模式如图2的三种控制模式总体框图所示，220V相电压通过铜牌母线引入开关电源，经过AC/DC转化后输出12V电压。利用二极管的单向导通性，这里面的12V一部分给超级电容进行充电，另一部分传输给芯片Buck调节器。

一次侧CT取电模式利用双线圈，同一个线圈集成了取能和计量两种功能，在A、B、C三相一次侧上通过穿心式互感器输出Ia、Ib和Ic，利用取能芯片的Shunt Boost整流控制器后输出12V，与开关电源输出的12V并联后提供给芯片Buck调节器。

超级电容组采用超级电容作为后备电源。选用多只单体10F/2.7V的超级电容进行串联，得到C＝2F、电压13.5V的超级电容组。芯片Buck调节器输入电压范围在+5V到+12V范围内。

以断电后控制部分工作功率0.5W为例，超级电容组释放的能量Q₁：

其中V_max＝12V，V_min＝8V，C＝2F。

断电后控制部分工作所需能量Q₂：

Q₂＝P*T＝0.5*T

带入数据：

经计算，T＝160s，在此时间内足够控制部分电路完成发送脱口命令以及错误上报等操作。

由此得出，当一次侧相电出现缺相、断相故障无法提供220V相电压同时取能线圈无法采集到电流时，贮能作为后备电源的超级电容组回路能够维持控制部分工作120秒以上。

图3示意为通过母线铜牌导电件，将一次侧主回路的相电A相和N相，引入定制变压器，实现输入220V市电输出12V的功能，为后端控制电路所需的3.3V提供二次能量输入。

图4为采用CT取电的方式，利用三个安置在铜牌母线上的取能线圈将三相交流电引入整流芯片，通过互感器的合适变比来确保整流后得到预设的直流电压，为控制电路所需的3.3V提供转化输入。

图5、图6为利用三个取能线圈经过感应取能、整流后得到的直流电VIN，输入给取能芯片Buck调节器后输出3.3V给后端控制电路。

图7为超级电容的充放电电路。利用传统铜牌母线接触变压器取电和CT取电两种方式转化成的12V电能对5个串联的超级电容进行充电。当外部一次侧的相电为断路器正常输电时，超级电容得以充足电能。当一次侧出现缺相或者断相等故障时，超级电容则能够以VCAP信道对外进行输出。

图8融合了铜牌母线接触变压器取电得到的12V以及5个超级电容放电时输出的VCAP两种方式并联输入给开关电源芯片，确保在一次侧相电压缺相或断相等故障导致变压器没有12V输出时，超级电容依然能够通过放电确保有电能驱动开关电源。

本实施例所述的用于智能断路器的多模组合取电供能模块，增加以超级电容为介质的储能供电模组，能确保断路器在一次侧断相、缺相等突发状况发生时，仍有足够的能量驱动脱扣器脱扣动作跳闸，避免故障的扩大化；超级电容储能供电、CT取能供电和接触感应取电等三种供电方式的有效融合，避免了断路器单一取能模式的隐患，提高了断路器运行的可靠性；多种取能模式的并列运行，可均摊断路器运行中单个取能通路上产生的功耗，有利于降低控制模块的工作温升，延长控制模块的使用寿命；多模组合取能方式能在供电线路失电情况下，满足智能断路器运行时间不小于120s。

以上所述仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非是对本实用新型的范围进行限定；以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围；在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的任何修改、等同替换、改进等，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于智能断路器的多模组合取电供能模块，包括接触取电模块和CT取电模块，其特征在于：还包括超级电容储能供电模块；所述接触取电模块接至断路器的变压器二次侧，所述CT取电模块接至断路器的变压器一次侧；所述超级电容储能供电模块连接接触取电模块和CT取电模块，在断路器正常工作状态下实现超级电容充电蓄能，在缺相或断相的故障状态下通过超级电容放电模式驱动开关电源以实现断路器正常运行。

2.如权利要求1所述的用于智能断路器的多模组合取电供能模块，其特征在于：所述接触取电模块包括AC/DC开关电源、第一二极管D1、第二二极管D2、第四二极管D4，第二二极管D2与第四二极管D4串联再与第一二极管D1并联连接AC/DC开关电源，AC220V相电压通过铜牌母线引入至AC/DC开关电源，经AC/DC转换后输出12V直流电压。

3.如权利要求2所述的用于智能断路器的多模组合取电供能模块，其特征在于：所述AC220V相电压连接过零检测电路。

4.如权利要求1所述的用于智能断路器的多模组合取电供能模块，其特征在于：所述CT取电模块包括三组集成有取能线圈和计量线圈的双线圈穿心式互感器、第三二极管D3，第三二极管D3并联连接三组双线圈穿心式互感器、取能芯片的Shunt Boost整流控制器，ABC三相电压通过穿心式互感器输出电流Ia、Ib和Ic，经取能芯片的Shunt Boost整流控制器后输出12V直流电压。

5.如权利要求1所述的用于智能断路器的多模组合取电供能模块，其特征在于：所述超级电容储能供电模块包括多只单体10F/2.7V超级电容、芯片Buck调节器，多只单体10F/2.7V超级电容串联连接得到C＝2F、电压13.5V的超级电容组，超级电容组通过第一二极管D1、第四二极管D4、第二二极管D2连接芯片Buck调节器。

6.如权利要求5所述的用于智能断路器的多模组合取电供能模块，其特征在于：所述超级电容组与第一二极管D1之间设置一个电阻，超级电容组正极连接电阻一端，电阻另一端连接第一二极管D1负极。

7.如权利要求5所述的用于智能断路器的多模组合取电供能模块，其特征在于：所述芯片Buck调节器的输入电压范围为+5V到+12V。

8.如权利要求2所述的用于智能断路器的多模组合取电供能模块，其特征在于：所述第一二极管D1、第四二极管D4和第二二极管D2串联连接超级电容组和芯片Buck调节器，接触取电模块的通过AC/DC开关电源输出的12V直流电压，经第一二极管D1、第四二极管D4、第二二极管D2的单向导通，12V直流电压分别传输至超级电容组和芯片Buck调节器。

9.如权利要求2、4、5任一项所述的用于智能断路器的多模组合取电供能模块，其特征在于：所述CT取电模块的通过取能芯片的Shunt Boost整流控制器输出的12V直流电压，与接触取电模块的通过AC/DC开关电源输出的12V直流电压并联后传输至芯片Buck调节器。

10.如权利要求9所述的用于智能断路器的多模组合取电供能模块，其特征在于：所述断路器的后端控制电路通过接触取电模块或CT取电模块获得转化输入电压3.3V。

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