CN2216718Y

CN2216718Y - 智能脱扣器

Info

Publication number: CN2216718Y
Application number: CN 95208582
Authority: CN
Inventors: 张磊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-04-22
Filing date: 1995-04-22
Publication date: 1996-01-03
Anticipated expiration: 2005-04-22

Abstract

本实用新型涉及低压电器继电保护的控制装置——智能脱扣器。由相电流保护电路、地故障保护电路、微机装置和脱扣控制部件组成。相电流及地故障保护电路在微机装置的协调控制下，通过对负载电流信号的采样、处理、程控放大、程控滤波和模数变换后，由微机装置作分析计算，并按用户要求的保护特性给出准确的脱扣信号。具有可靠性高、精度高、调节功能多等特点。可取代热磁脱扣器与多种断路器配套使用。

Description

智能脱扣器

本实用新型涉及一种配电装置，更确切地说是涉及开关柜中的脱扣器。

低压电器领域中广泛使用的开关柜，主要包括断路器及其控制部件一脱扣器。传统脱扣器为热磁式，其主要缺点是：保护特性不完整，用户选择余地小；用户不可调整保护特性，不能适应变化负载对保护的要求；保护特性受环境温度影响较大；保护动作时间精度较低；存在热惯性及机械惯性，返回特性不好等。

例如出厂的带传统热磁脱扣器的断路器，其额定保护电流是确定的，当实际用户负载远低于该额定值时，只能另行更换断路器，否则便不能可靠保护用电负载，同时因其延时特性也基本固定，因而保护功能也确定，如作配电保护的断路器就不能作为电机保护断路器。

目前，对低压电器的保护要求已越来越高，传统脱扣器已不能满足现代工业的要求，为使保护特性趋于完善，使用户可对开关柜的保护特性进行大范围的调整及提高保护电流及动作时间的准确度，有必要研制一种微机控制的智能脱扣器。

本实用新型的目的是设计一种智能脱扣器，即一种多功能微机继电保护装置，能为用户提供国际公认的理想的三段保护特性(长延时，短延时和瞬动)及接地故障保护特性，用户可根据各自用电器的特点自行调节及选择适合的保护电流及保护延时时间，该种智能脱扣器可与几乎所有的断路器配套使用，使普通断路器变为智能断路器，以最佳保护状态保护用电器。

本实用新型的智能脱扣器，采用先进的模拟电路、数字电路及单片机电路，对负载电流信号进行准确而可靠的采样、处理、程控放大、程控滤波、分析计算，最后按用户要求的保护特性给出可进行理论计算的准确的脱扣信号。

本实用新型的智能脱扣器，由相电流保护电路、地故障电流保护电路、微机装置和脱扣控制电路组成；相电流保护电路包括输出相电流IX并将IX转换为相信号的相电流采样电路、有源滤波器、第一自检/工作状态选择开关、程控放大器和第一模数变换器；地故障保护电路包括地故障电流采样电路、低通滤波器、放大器、第二自检/工作状态选择开关、有源全波整流器和第二模数变换器；微机装置包括由单片机、程序存储器、输入输出接口电路及总线组成的单片机电路，由显示接口电路和显示器构成的显示电路，由指示接口电路和发光管构成的脱扣状态指示器，由指令输入键和指令输入接口构成的用户指令输入电路和模拟电路控制信号接口电路，其特征在于：

所述相电流保护电路中的相电流采样电路与脱扣器地电位间还接有开关电源，相电流采样电路输出与有源滤波器输入间还接有电位参考点变换器，开关电源输出接脱扣器稳压电源输入端，程控放大器与第一模数变换器间还接有第一程控滤波器，还包括一程控比较器，位于程控放大器输入端与单片机电路中断端间；

所述地故障电流采样电路的有源全波整流器与第二模数变换器间还接有第二程控滤波器；

所述的模拟电路控制信号接口电路输出端分别连接程控比较器的基准电压控制端、第一、第二程控滤波器的滤波控制信号端、第一、第二自检/工作状态选择开关控制端，程控放大器增益控制信号端和脱扣控制电路的脱扣控制信号端，模拟电路控制信号接口电路输入端接微机装置总线。

所述的开关电源由电阻RX、二极管D、脉冲调制器、开关管结电荷泄放电路、滤波储能电路、采样电路和开关管构成，RX一端接采样电流IX，RX另一端并接D正端和开关管一端，D负端接滤波储能电路输入端，滤波储能电路输出端接采样电路输入端并输出开关电源，采样电路输出端接脉冲调制器输入端，脉冲调制器输出端串接开关管结电荷泄放电路后连接开关管控制端，开关管另一端接地。

所述的电位参考点变换器包括电阻RX、连接于RX一端与地间的电阻分压器、连接于RX另一端与地间的电阻分压器和由运放器A₁、A₂、A₃连接构成的差动输入放大器，差动输入放大器两输入端分别连接两电阻分压点，差动输入放大器输出端输出以智能脱扣器公共零电位为参考点的采样电压信号。

所述的第一、第二程控滤波器包括将输入的交流信号切割成矩形块且分别与第一、第二模数变换器变换同步的信号切割器、对来自模拟电路控制接口电路的滤波控制信号作电平转换的电平转换器和用于提高信号切割输出负载能力的跟随器，电平转换器输出同步切割控制信号接信号切割器。

所述模拟电路控制信号接口电路是一数据锁存器。

本实用新型由微机装置向程控比较器提供可编程的基准电压与有源滤波器输出的相电流采样电压作比较，比较结果送微机装置的中断请求端，提供一路以硬件为主、用于特大电流状态下的快速保护(瞬动保护)，同时，单片机电路判断由相电流保护电路及地故障保护电路的A/D变换器输出的相电流及地故障电流，经执行短延时数学模型或长延时数学模型后提供另一路以软件为主的相电流、地故障电流保护，因此本智能脱扣器可由用户对出厂后的额定保护电流值进行大范围的准确调整，可任意选择保护特性曲线，使同一台断路器可同时满足配电保护、电动机保护、发电机保护及机车辅助过流保护等。

下面结合实施例附图进一步说明本实用新型的技术：

图1是智能脱扣器原理框图；

图2是图1中开关电源原理框图；

图3是图2中开关电源的实施电路图；

图4是图1中电位参考点变换器实施电路图；

图5是图1中程控滤波器原理框图；

图6是图5中程控滤波器实施电路图；

图7是图1中模拟电路控制信号接口电路图；

图8是图1中脱扣控制电路图；

图9是智能脱扣器工作程序流程图。

参见图1，图中100为断路器，200为负载，其余部分构成智能脱扣器。

相电流保护电路包括：由相电流互感器L₁、L₂、L₃和三相全波整流电路1构成的相电流采样电路，开关电源2，电位参考点变换器3，有源滤波器7，基准电压源8，自检/工作状态选择电子开关K₁，程控放大器9，程控比较器12，第一程控滤波器10和第一A/D变换器11。

地故障电流保护电路包括：由地电流互感器L₄和电阻R组成的地故障电流采样电路，低通滤波器13，放大器14，自检/工作状态选择电子开关K₂，有源全波整流器16，第二程控滤波器17，第二A/D变换器18和基准电压源15。

微机装置包括单片机电路21、用户指令输入键28、用户指令输入接口27、显示接口22、八段荧光数码管25，驱动器23、指示发光管24，串行通讯接口20，总线29和对模拟电路的控制信号接口电路26。模拟信号控制信号接口电路26向脱扣控制接口电路39输送脱扣控制信号C₁，向K₁、K₂送开关状态选择控制信号C₆，向程控放大器9送增益量控制信号C₅，向程控比较器12送比较基准电压控制信号C₂、C₃、C₄和向第一、第二程控滤波器10、17送切割同步控制信号C₇。

图中39为脱扣控制接口电路，是智能脱扣器的执行部件，控制断路器100的工作。

图中44为电压源，取断路器100入端的三相电压经变压整流滤波后稳压输出，作为断路器100分断后无开关电源电能输出时的应用电源。 45为稳压电源，46为蓄电池。蓄电池46为电压源44、开关电源2均失去电能后的备用电源。多路输出的稳压电源45对E₀作再行稳压，输出脱和器模拟电路部分及数字电路部分所需的工作电压E₁(8V)、E₂(-6V)、E₃(5V)，图中二极管D₁、D₂、D₃用于实现三套电源的并联连接。

相电流互感器L₁、L₂、L₃将动力相线A、B、C的电流按一定变比转换为相应的二次电流，送三相全波整流电路1，输出相应的相电流IX，经RX形成采样电压ΔV，经开关电源2形成稳压电源，只要动力线A、B、C一相上有0.42倍以上的额定电流，开关电源2即可提供整机使用的稳压电源。

由于相电流采样电阻RX与开关电源2串联，因而ΔV无确定的对地参考点，不便对ΔV作放大及处理，故设计电位参考点变换器3将ΔV变换为以本机地电位为参考点的电压V₅。

有源滤波器7对电压信号V₅作有源低通滤波，滤除高频干扰信号，输出电压信号V₇，当电子开关K₁打向基准电源8一侧时为脱扣器自检状态，当电子开关K₁打向7一侧时为工作状态。

程控放大器9对V₇(或V₈)进行放大，程控放大器9的电压放大倍数则受微机装置的控制，由单片机电路21在判别ΔV的大小后，通过模拟电路控制信号接口电路26给出适当的增益量控制信号C₅，以确定9的放大倍数。

当用户通过指令输入键28向脱扣器发出自检指令后，K₁、K₂在微机装置的控制下，将基准电压V₈，V₁₅分别送程控放大器9和有源全波整流器16，脱扣器进入对程控放大器9、有源全波整流器16、第一、第二程控滤波器10、17、第一、第二A/D变换器11、18、程控比较器12及微机装置和脱扣控制接口电路26、39的自动检测。

第一程控滤波器10在微机装置控制下对放大后的电压Vi作程控滤波，完成对高频干扰信号强有力的滤波，输出最有利于A/D变换器11工作的模拟电压信号V₀。

模数变换器11为八位逐次逼近式A/D变换器，输出相应的数字信号经总线29的数据总线送单片机电路21，并在每一转换周期结束时向单片机电路21发出请求接收数据的信号G₁。

程控比较器12接收由模拟电路控制信号接口电路26的三条控制线C₂、C₃、C₄信号，形成四个基准电压。可由用户通过指令输入键28分别设定为8倍、10倍、20倍额定电流，对应四种瞬动保护状态。当V₇高于预选的基准电压时，程控比较器即输出低电平至单片机电路的中断请求端INT，快速进入瞬动服务程序。

零序互感器L4采样地故障电流，经电阻R变为相应的电压信号，并经低通滤波器13、放大器14输出与地故障电流对应的电压V₁₄，有源全波整流器16对V₁₄作全波整流，第二程控滤波器17及第二模数变换器18的结构分别同10及11，A/D变换器18在输出地故障电流数字信号时，向单片机电路21发出请求接收数据的信号G₈。

单片机电路21以单片机8031为核心部件设计，还包括有程序存储器、输入输出接口电路、接口器件的片选器及总线，均为传统设计技术，不再赘述。

显示接口22可由锁存译码驱动器组成，其数据输入端接单片机电路的数据总线，当需要显示时，由单片机电路21给出片选信号同时送出显示数据，由荧光数码管25显示锁存于22输出端的显示数据。

故障状态显示驱动器23接收单片机电路P₁口输出的电平，经驱动后送发光二极管组24。

当单片机电路21向用户指令输入接口27送来有效的片选信号，27将指令输入键28(拔码开关)锁存的用户指令代码经总线29送入单片机电路的P₀口，送入预定的存储单元中。

串行通讯接口10完成脱扣器与外都微机的通讯联络。

模拟电路控制信号接口电路26实现微机装置对模拟电路各种控制信号的输出及锁存，进行实时控制并控制脱扣控制接口电路39，脱扣控制接口电路39产生断路器100脱扣所需要的控制。

参见图2，开关电源2主要包括电阻RX、脉冲调制器201、开关管结电荷泄放电路202、开关管203、滤波储能电路204和采样电路205。206、207分别为开关管入，出端的过压保护电路，Rf为负载电阻。

采样电流IX经RX后分为两路IX₁、IX₂，当开关管203全导通时，IX₁近似为IX，开关电源输出电压VE由滤波储能电路204提供，VE呈下降趋势；当开关管203全截止时，IX₂近似为IX，IX为负载提供电能，同时滤波储能电路204开始储能，VE呈上升趋势，当VE上升时，采样电路205输出的采样电压也升高，并改变脉冲调制器201输出脉冲的占空比，使开关管203增加导通时间、缩短截止时间，从而使VE降低。

反之，当VE呈下降趋势时，采样电压也降低，脉冲调制器201输出脉冲占空比的变化使增加开关管的截止时间、缩短导通时间，从而提升VE。由于这种反馈控制速度很快，因而几乎反映不出VE的变化，十分稳定。

参见图3，为图2原理的一种实施电路。脉冲调制器采用集成片1₁(ICL494)，可依据其模拟电压输入脚15所输入的采样电压，经误差放大、脉宽调制，改变其调制输出脚10的脉冲占空比。D₁₆与T₁组成开关管结电荷泄放电路202，当1₁的10脚输出“1”时，D₁₆导通，开关管T₂因G极为高电平而导通，当1₁的10脚输出“0”时，T₁导通，开关管T₂因G极为低电平而截止，同时由于T₁的Ce结饱和导通电阻很小而快速泄放积累在T₂G极的电荷，可有效提高T₂的开关速度，降低开关管自身功耗和提高开关电源的稳压特性。

T₂截止时，电流源IX经RX、D₁₇一方面向储能元件L₃、L₄、L₅、C₁₁、C₁₂充电，另一方面向负载供电(VE)。而T₂导通时几乎全部能量均被T₂短路，脱扣器所需电能则由储能元件提供，VE下降。

并接在VE与地间的分压电阻R₁₆、R₁₇构成采样电路205，经R₁₁向脉冲调制器提供VE的监测采样电压。图中稳压二极管W₁、W₂分别为开关管T₂提供过压保护。

本开关电源电路的特点是在将电流源转换成稳压源时，对IX的大范围变化有很强的适应能力。

参见图4，电位参考点变换器3用于将没有参考点的待测电压信号转换为以脱扣器公共零电位为参考点的电压信号。

由于ΔV没有确切的参考点，不便于后级对ΔV进行放大及处理，经本电路处理后输出V₅。V₅的参考点为脱扣器的公共零电位点。分压电阻R₁₂、R₁₃形成V₂的分压V₃，分压电阻R₁₅、R₁₄形成V₁的分压V₄，运算放大器A₁、A₂、A₃接成高共模抑制比的差动输入放大器，当R₁₂＝R₁₅，R₁₃＝R₁₄时，V₅＝V₄－V₃＝K(V₁－V₂)＝K·ΔV。V₅与采样电压ΔV间仅差系数K，实现了电位参考点的转换。

参见图5，程控滤波器10(17)由信号切割器101、电平转换器102和跟随器103组成。信号切割器101的作用是将输入的交流信号Vi切割成若干矩形块V₀，在切割过程中一方面有效地对信号进行滤波，另一方面使矩形块的时间宽度与A/D变换器每个转换周期的时间宽度相等且同步，即A/D变换器在每个转换周期输入的信号均为稳定的直流信号，可有效提高A/D变换器的转换精度及转换速度。

电平转换器102对来自控制信号接口电路的C₇信号进行电平转换，使满足信号切割器101所需的控制电平。跟随器103输出V₀接A/D变换器11(18)，用于提高信号切割器的输出负载能力。

参见图6，信号切割器采用集成片IC₄(MCL001)，1脚输入Vi，切割后信号V₀由5脚输出，经接成跟随器的运算放大器IC₁跟随送A/D变换器。 IC₄的3、7脚分别为负、正电源E₂、E₁的输入端，2、6脚为同步切割控制信号输入端，两脚的逻辑电平相反且与A/D变换器转换的起始时刻同步。运放器IC₂、IC₃接成电压比较器，当C₇电位大于基准电位时IC₂输出“0”，IC₃输出“1”，当C₇电平小于基准电位时，IC₂输出“1”，IC₃输出“0”。

A/D变换器向单片机输出转换结束信号(G₁、G₃)后，单片机电路向模拟电路控制信号接口电路21发出相应的控制信号，再由该电路输出C₇信号控制程控滤波器10(17)的工作，实现程控滤波器与A/D变换器工作同步(可参见图1)。

参见图7，模拟电路控制信号接口电路采用锁存器IC₆(74HC373)，输入接单片机P_o口，当片选端11脚接到单片机电路送出的片选信号CS后，IC₆将P₀口送来的数据锁存在其输出端。锁存器IC₆输出如前所述的脱扣控制信号C₁、自检/工作状态选择开关信号C₅、程控放大器的增益控制信号C₅、程控比较器的比较电压控制信号C₂、C₃、C₄和程控滤波器的同步控制信号C₇，另外还向由三极管T、扬声器Y构成的音响报警电路发出报警控制信号。

参见图8，脱扣控制接口电路包括电压比较器I91、I92和快速继电器J。不脱扣时C₁为低电平，I91输出低电平，D₃₁、T₄截止，J不动作，断路器100处于不分断位置。脱扣时C₁为高电平，I91输出高电平，D₃₁、T₄导通，J动作，断路器100分断。

由I92及其外围元件构成的比较器组成电源电压欠压保护电路，当E₀低于一定值时，I92输出高电平，D₂₄、T₄导通，J动作，断路器100分断。

参见图9，图中各框意义为：900-启动，901-复位各控制口，902-输入用户指令，903-是自检状态吗？907-作相电流试验吗？908-地故障试验，909-作长延时试验吗？910-执行短延时试验程序，911-执行长延时试验程序，912-启动第一、第二A/D变换器同时向程控滤波器发出同步控制信号，913-检测相电流、地故障电流，914-给出增益控制信号C₅，915-相故障保护，917-达到瞬动值了吗？918-给出软件瞬动控制信号，919-作瞬动指示，926-达到短延时值了吗？927-达到长延时值了吗？928-长延时积分，929-延时时间到了吗？930-驱动脱扣C₁，931-指示脱扣类别，932-执行短延时数学模型，933-延时积分，934-延时时间到了吗？935-驱动脱扣C₁，936-指示脱扣类别，916-地故障保护，920-达到地故障始动值了吗？921-地故障延时，922-延时积分，923-延时时间到了吗？924-驱动脱扣，925-指示脱扣类别。

本实用新型智能脱扣器的特点是：可靠性高，同时备有电流源、电压源及备用电源，可确保供电不间断，采用软硬件多重滤波及数字滤波，抗电磁干扰能力强；精度高，采用软硬件双重数字滤波信噪比高，整机由微机控制及定时，动作准确；调节功能多，可由用户调整断路器的额定动作电流及保护特性曲线，相电流及地故障保护具有理想三段保护特性，可由用户随时自选相电流保护特性曲线，可为用户提供10500条相电流保护特性曲线、35条地故障保护特性曲线，脱扣器的多种调节功能使脱扣器可与多种断路器配套使用。

Claims

1、一种智能脱扣器，由相电流保护电路，地故障电流保护电路、微机装置和脱扣控制电路组成；相电流保护电路包括输出相电流IX并将IX转换为相信号的相电流采样电路、有源滤波器、第一自检/工作状态选择开关、程控放大器和第一模数变换器；地故障保护电路包括地故障电流采样电路、低通滤波器、放大器、第二自检/工作状态选择开关、有源全波整流器和第二模数变换器；微机装置包括由单片机、程序存储器、输入输出接口电路及总线组成的单片机电路，由显示接口电路和显示器构成的显示电路，由指示接口电路和发光管构成的脱扣状态指示器，由指令输入键和指令输入接口构成的用户指令输入电路和模拟电路控制信号接口电路，其特征在于：

2、根据权利要求1所述的智能脱扣器，其特征在于：所述的开关电源由电阻RX、二极管D、脉冲调制器、开关管结电荷泄放电路、滤波储能电路、采样电路和开关管构成，RX一端接采样电流IX，RX另一端并接D正端和开关管一端，D负端接滤波储能电路输入端，滤波储能电路输出端接采样电路输入端并输出开关电源，采样电路输出端接脉冲调制器输入端，脉冲调制器输出端串接开关管结电荷泄放电路后连接开关管控制端，开关管另一端接地。

3、根据权利要求1所述的智能脱扣器，其特征在于：所述的电位参考点变换器包括电阻RX、连接于RX一端与地间的电阻分压器、连接于RX另一端与地间的电阻分压器和由运放器A₁、A₂、A₃连接构成的差动输入放大器，差动输入放大器两输入端分别连接两电阻分压点，差动输入放大器输出端输出以智能脱扣器公共零电位为参考点的采样电压信号。

4、根据权利要求1所述的智能脱扣器，其特征在于：所述的第一、第二程控滤波器包括将输入的交流信号切割成矩形块且分别与第一、第二模数变换器变换同步的信号切割器、对来自模拟电路控制接口电路的滤波控制信号作电平转换的电平转换器和用于提高信号切割输出负载能力的跟随器，电平转换器输出同步切割控制信号接信号切割器。

5、根据权利要求1所述的智能脱扣器，其特征在于：所述模拟电路控制信号接口电路是一数据锁存器。