CN101615778A - 智能脱扣器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用自生电源电路供电的智能脱扣器，包括：电流互感器、与电流互感器相连的电流检测调理单元、与电流检测调理单元相连的中央控制单元、与中央控制单元相连的脱扣驱动电路、与脱扣驱动电路的脱扣执行单元。中央控制单元的参数控制输入端连接有整定值输入单元，中央控制单元的通讯数据端连接有用于连接上位机的串行通信接口。工作时，单片机对由电流互感器经电流检测调理单元处理后的电压信号进行AD转换；并根据采样值进行逻辑运算和处理，运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑电平信号，这些信号经脱扣驱动电路后送入脱扣执行单元中的磁通变换器，使断路器跳闸，切断电路。

Description

智能脱扣器

技术领域

本发明涉及一种智能脱扣器。

背景技术

塑壳式断路器是低压配电线路及电动机控制和保护中的一种重要的电器开关。当线路中发生短路、过流和欠压等故障时，它可以自动切断电路，对线路及设备起到保护作用。传统的断路器为了得到不同的保护特性，要配置不同的脱扣器。随着用电***的规模和等级不断扩大，传统的脱扣器越来越难满足***的可靠性、准确性和实时性的要求。而且对于断路器而言，主要承受故障电流的电动力冲击和热冲击，即断路器的动稳定性和热稳定性。传统的断路器采用热继电器构成过载保护，电磁快速脱扣器作为短路保护构成长延时、瞬动两段特性，实现保护功能一体化困难。

对于智能化脱扣器硬件的供电***，智能化电气开关的电路可以有三种供电方式：专用电源供电、蓄电池供电和电流互感器供电，后者也称为自供电。这三种供电方式可以单独使用，也可以配合使用，形成冗余供电***。前两种供电方式在技术上与一般的微机应用***没有什么区别。电流互感器供电是断路器所特有的一种供电方式，单独使用时可以省去其他供电电路，而且可以随着电网的接通自动开始工作，是一种理想的供电方式。但电流互感器供电有以下几个问题需要妥善处理：

1)、由于电源能量来源于电流互感器，因此电网电路中电流较小时不足以供电。2)、当电网电路的电流缓慢上升时，自供电电源的电压也是缓慢上升的，不利于智能控制电路的正常工作。3)、由于电流互感器输入电流范围很大，导致供电电路部分元器件发热严重，影响***正常工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用电流互感器供电的智能脱扣器，以在电网电路中电流较小时仍能正常工作。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种智能脱扣器，包括：电流互感器、与电流互感器的感生电流输出端相连的电流检测调理单元、与电流检测调理单元的信号输出端相连的中央控制单元、与中央控制单元的脱扣控制信号输出端相连的脱扣驱动电路、与脱扣驱动电路的输出端相连的脱扣执行单元。所述电流互感器还连接有自生电源电路，自生电源电路的电源输出端经低电平检测单元与中央控制单元相连；自生电源电路包括与电流互感器的电流输出端串连的滤波电路和整流电路，整流电路的正极经稳压电路与中央控制单元的电源端和低电平检测单元的电源端相连。

低电平检测单元包括：d极与整流电路的正极相连的MOS管，MOS管的s极接整流电路的负极，整流电路的正极串接第一限流电阻后接比较器的反向端，整流电路的正、负极之间设有串联的第二限流电阻和第三限流电阻，第二限流电阻和第三限流电阻的接点与比较器的同向端相连，比较器的输出端接MOS管的g极，MOS管的g极还与中央控制单元的电源控制输出端相连；比较器的反向端和整流电路的负极之间设有并联的第一电容和第一稳压二极管，整流电路的正、负极之间设有并联的电解电容和第二稳压二极管。

刚上电时，由于MOS管的g极和s极之间的电压差Ugs为零，d极和s极之间的电流Ids为零，电流通过第二限流电阻和第三限流电阻产生一电压降；当电流互感器的输入电流较小时，比较器的反向端的电位高于同向端，比较器的输出为零，即所述Ugs为零，MOS管关闭，整流电路的正极输出的电流经稳压电路给中央控制单元供电，同时给电解电容充电；当电流互感器的输入电流变大时，由于比较器的反向端在第一稳压二极管的作用下其电压不变，而其同向端的电压随着所述输入电流的变大而增大，导致比较器的输出电压变为正电平，且所述Ugs高于MOS管的门槛电压，MOS管导通，MOS管的d极和s极之间的电压差Uds下降到零，此时，电解电容放电续流为中央控制单元供电；随着电压Uds的下降，比较器的同向端的电压随之下降，比较器的输出电压再次为零，MOS管再次关闭，如此往复。

本发明具有积极的效果：(1)本发明的智能脱扣器中，本发明在确保小电流情况下可以给***稳定供电，而在大电流情况下，可以保护***不受影响。在克服自供电方式的缺点方面，首先使得电流互感器次级输入电流较小时也能使得电源部分能够稳定输出***正常工作电压；为避免出现合闸短路时脱扣器瞬动时延过长，合理设计电路参数，将瞬动时延控制在15ms以内，可以避免短路时因电动力对电路造成的损坏。在减少开关MOS管发热量方面，用比较器控制开关MOS管，可以使MOS管的瞬时功率总是接近于零，有效的降低了电源***的发热状况。在本发明中电流互感器次级电流23mA时，能够输出15V稳定的电压；电流互感器次级三相总电流范围在0.06A-1.80A时，电源部分可以为***稳定提供8V和5V电压，以及大约0.2W左右的功率；保证数字***可以正常工作。本发明有一个低电压判断电路，能使***正常工作，并且在低电压的时候可以主清零单片机。本发明电源部分器件在正常工作时，各个器件尤其是关键器件开关MOSFET的瞬时功率基本保持为零，使得元器件的发热量不致影响***正常工作。(2)控制信号准确可靠，随时设定动作电流和动作时间等。一方面可以在同一台断路器上实现多种功能，使单一的动作特性有可能做到一种保护功能多种动作特性；另一方面可使断路器实现与中央控制计算机双向通讯，构成智能化的监控、保护、信息网络***，使断路器从基本保护功能发展到智能化的保护功能。智能控制器利用高性能单片机对断路器中的负载电流进行实时采样，计算处理、判断并发出故障脱扣命令。它具有过载长延时、短路短延时、定时限脱扣、反时限脱扣和短路瞬时等保护功能。其中，定时限脱扣是指控制器经一段预定延时后发出脱扣动作指令，延时动作时间可以调整但不受过电流值的影响。反时限脱扣，指延时动作时间与通过的电流值有关，电流值越大，动作时间越短。短路瞬时脱扣，指当电流达到瞬时脱扣阈值时，脱扣器无人为延时而立即动作。由于反复的过负荷可能引起导体发热，脱扣器还应具有热记忆功能。控制器进入过载、短延时而未达到脱扣能量后又恢复正常，此后过载能量应在大约30min释放结束，即具有模拟双金属片特性的热效应，(短延时定时限无热记忆)。复位可清除热记忆。(3)本发明的智能脱扣器中，电流检测调理单元由采样电阻，滤波，放大电路组成，中央处理单元由自带10位AD转换器的低功耗单片机PIC16F877A及其***电子电路组成。(4)在工作时，自生电源电路将电流互感器流入的电流转化为+8V，+5V电平，为***稳定供电。单片机对由电流互感器经电流检测调理单元处理后的电压信号进行AD转换；并根据采样值进行逻辑运算和处理，运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑电平信号，这些信号经脱扣驱动电路后送入脱扣执行单元中的磁通变换器，使断路器跳闸，切断电路。(5)各种故障保护的动作电流和时间整定值通过拨盘设定，并可以在应用中实时进行修改。在极小电流输入情况下，自生电源不能提供***正常工作电压，由低电平检测单元自动清零单片机。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为实施例中的智能脱扣器的电路框图；

图2为实施例中的智能脱扣器的低电平检测单元和自生电源电路的原理图。

具体实施方式

见图1-2，本实施例的智能脱扣器包括：电流互感器2、与电流互感器2的感生电流输出端相连的电流检测调理单元3、与电流检测调理单元3的信号输出端相连的中央控制单元1、与中央控制单元1的脱扣控制信号输出端相连的脱扣驱动电路11、与脱扣驱动电路11的输出端相连的脱扣执行单元12。所述电流互感器2还连接有自生电源电路7，自生电源电路7的电源输出端经低电平检测单元6与中央控制单元1相连。

自生电源电路7包括与电流互感器2的电流输出端串连的滤波电路(包括：相并联的电容C6和电阻R7、相并联的电容C5和电阻R6、相并联的电容C4和电阻R5)和整流电路B1、B2及B3，整流电路的正极经稳压电路与中央控制单元1的电源端和低电平检测单元6的电源端相连。

低电平检测单元6包括：d极与整流电路的正极相连的MOS管M1，MOS管M1的s极接整流电路的负极，整流电路的正极串接第一限流电阻R1后接比较器U1的反向端，整流电路的正、负极之间设有串联的第二限流电阻R2和第三限流电阻R3，第二限流电阻R2和第三限流电阻R3的接点与比较器U1的同向端相连，比较器U1的输出端接MOS管M1的g极，MOS管M1的g极还与中央控制单元1的电源控制输出端相连；比较器U1的反向端和整流电路的负极之间设有并联的第一电容C1和第一稳压二极管DZ1，整流电路的正、负极之间设有并联的电解电容C2和第二稳压二极管DZ2。所述比较器U1的输出端串接第四限流电阻与所述稳压电路的电流输入端相连，在MOS管M1的g极和s极之间滤波用的第三电容C3。

刚上电时，由于MOS管M1的g极和s极之间的电压差Ugs为零，d极和s极之间的电流Ids为零，电流通过第二限流电阻R2和第三限流电阻R3产生一电压降；当电流互感器2的输入电流较小时，比较器U1的反向端的电位高于同向端，比较器的输出为零，即所述Ugs为零，MOS管M1关闭，整流电路的正极输出的电流经稳压电路给中央控制单元1供电，同时给电解电容C2充电；当电流互感器2的输入电流变大时，由于比较器U1的反向端在第一稳压二极管DZ1的作用下其电压不变，而其同向端的电压随着所述输入电流的变大而增大，导致比较器U1的输出电压变为正电平，且所述Ugs高于MOS管M1的门槛电压，MOS管M1导通，MOS管M1的d极和s极之间的电压差Uds下降到零，此时，电解电容C2放电续流为中央控制单元1供电。

随着电压Uds的下降，比较器U1的同向端的电压随之下降，比较器U1的输出电压再次为零，MOS管M1再次关闭，如此往复。

其中，当电流互感器2的输入电流较小，且电解电容C2两端的电压低于正常工作值时，中央控制单元1被清零并停止工作。

所述中央控制单元1的参数控制输入端连接有整定值输入单元8，中央控制单元1的通讯数据端连接有用于连接上位机5的串行通信接口4。

所述脱扣驱动电路11具有用于连接离线脱扣单元10的控制信号输入端。所述中央控制单元1的状态信号输出端连接有状态指示灯9。

所述电流互感器2还连接有自生电源电路7，自生电源电路7的电源输出端经低电平检测单元6与中央控制单元1相连。

中央控制单元1包括PIC单片机、晶振和拨码开关。单片机是20MHz的工作频率，由单体封装的晶振提供，精度和抗干扰效果都比较理想。拨码开关用来设定智能脱扣器的动作特性。PIC单片机是脱扣器的核心元件，是整个电路的重点部分，本发明采用PIC16F877A型8位增强型FLASH微控制器(时钟输入20MHz，指令周期200ns)。它体积小、功能强、高速度、低工作电压、低功耗，具有较大的输入输出直接驱动能力。在设计紧凑的塑壳式断路器中，能够比较好的兼顾体积，功耗，成本，可靠性这几个方面。

PIC16F877A单片机采用哈佛总线结构，程序计数器是13位宽，最大可寻址8K×14的FLASH程序存储空间，可以保存较复杂的脱扣器程序，还有368K的数据存储器，256K的EEPROM，程序存储器与数据存储器采用不同的总线，因此可以同时对程序存储器与数据存储器进行存取提高了***的速度；此外，PIC16F877A单片机有14个中断源，包括了***功能的中断、定时器的中断以及外部中断等，8级硬件堆栈；5V单电压供电，编程方便，只需用两个引脚在线调试；可以在比较宽的电压范围工作(2.0V-5.5V)，而且在4MHz时钟，5V电源电压时，典型工作电流值小于2mA，不需要自生电源从前级互感器吸取很多能量即可工作。

在***功能模块，PIC16F877A单片机片内集成了10位A/D转换器，共有8个A/D模拟输入通道；TMR0(8位)，TMR1(16位)，TMR2(8位)三个定时器；两个捕捉/比较/脉宽调制模块，其中16位捕捉输入的最大分辨率是12.5ns，16位比较输入的最大分辨率是200ns，脉宽调制(PWM)输出的最大分辨率为10位；此外还有同步串行口(SSP)可满足SPI和I²C总线的要求，通用同步异步收发器(USART)，以及并行从动端口PSP可以满足串行并行通讯的需要。总之，***的功能模块可以最大限度地减少或免用外接器件，在保证***功能的前提下，减少脱扣器设计的成本。

智能脱扣器通过电流互感器从主回路采集电流后，经前向通道将采集到的电流信号转化为电压信号，送入A/D转换器将模拟信号转换为数字信号。单片机利用这一数字信号进行计算、判断和操作，控制脱扣器动作，从而完成对不同故障电流的不同保护特性。这些不同的功能是通过以下的保护算法来实现的。

1.过载长延时电流保护

过载长延时保护采用反时限动作特性，即：I²T_L＝(I_c)²t_L，误差±10％，其中I_c事先指定，可以为1.5I_r1、2.0I_r1、6.0I_r1，面板设定中的t_L就是对应的延时时间。这部分保护一定要保证***电流I≤1.05I_r1，＞2小时不动作，I≥1.30I_r1＜1小时要动作。整定值t_L离散设定。

长延时电流保护具有能量记忆功能，能量记忆指的是在设定的时间范围内，如果超出正常范围的能量I²T_L累加超过过载长延时的整定值，则被判为***过载，需要立即脱扣，否则被认为没有达到过载条件。能量记忆需要设定能量记忆的时间范围。在这个时间范围内，能量I²T_L(超过正常值)一直积累。本软件***中考虑能量记忆就是为了提高***的保护算法稳定和抗干扰性能。在采样电流有效值超过整定值时启动能量记忆功能。

2.短路短延时电流保护

一般来说，短延时保护指线路电流超过整定值，就将延时一个特定时间后线路断开，本***中的短延时保护采用了反时限+定时限的实现方法。

短延时保护的反时限动作特性：I²T_L＝(I_d)²t_L，面板设定t_s是8I_L时的短延时时间，称为一般短延时时间，当I＞8I_L时，自动转为定时限特性。

本***中的短延时保护采用了反时限+定时限的实现方法，可以大大提高脱扣器的保护准确度，便于实现上下极保护的协调。

短延时也采用了能量记忆功能，实现原理同上。

3.瞬动电流保护

首先对于瞬动算法，当电流超过一定值时，希望立即分断开关电器，切断故障源，避免故障范围扩大。它的基本做法就是判断本次计算的电流有效值是否超过瞬动电流的设定值，若是，则立即发出分闸信号。但是由于实际监控单元计算一次电流的有效值要经过20ms，如果电流超过瞬时电流的设定值时，脱扣器动作时间不能满足实时性的要求，这在塑壳断路器中是不允许的。通常采用“三取二”法或“窗口移动”的有效值计算方法来提高瞬动保护的实时性和抗干扰能力。

“窗口移动”法的原理可用如下公式表示：

$I^2=\frac{\underset{m=k+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}_m^2+\underset{m=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{i^{\′}}_m^2}{n}$

式中，I²表示当前时刻起以前n个采样点的电流有效值，即从该点起前n个点均方根值，i_m(m＝1，2，......n)为前一周波的各电流采样值，i_m(m＝1，2，...n)为本周波的各电流采样值。

用计算所得值I²与瞬动电流设定值比较来判断是否需要发出脱扣信号。这种算法既能实时反映电流的变化，又有适当的累计效果，不会因为电流的一个毛刺而脱扣，能够降低甚至避免误动情况的发生。在这种算法中将窗口长度缩短能加速判断，但是可靠性会随之降低，所以根据实际技术指标要求可以选取适当的窗口长度。

表1为断路器采用三种不同的瞬动保护算法在两种短路情况下的动作时间。

从表1可以看出，在发生短路电流时，采用三点的移动窗口法，检测到短路电流的时间最短，因此本软件将采用三点的移动窗口法最为瞬动保护算法。

4.能量记忆原理

由于反复的过负荷可能引起导体反复发热，脱扣器还应具有热记忆功能。控制器进入过载、短延时而未达到脱扣能量后又恢复正常，此后过载能量应在大约30min释放结束，即具有模拟双金属片特性的热效应。

本发明可以有效的实现长延时，短延时反时限，短延时定时限，瞬动四段保护，大到比较高的实验精度，同时带有实时输入整定值，低电平检测，离线脱扣等功能；同时，本发明紧凑，成本低廉，具有抗干扰性能，发热量低，可以实现大规模的批量生产，具有较高的使用价值。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1、一种智能脱扣器，其特征在于包括：电流互感器(2)、与电流互感器(2)的感生电流输出端相连的电流检测调理单元(3)、与电流检测调理单元(3)的信号输出端相连的中央控制单元(1)、与中央控制单元(1)的脱扣控制信号输出端相连的脱扣驱动电路(11)、与脱扣驱动电路(11)的输出端相连的脱扣执行单元(12)；所述电流互感器(2)还连接有自生电源电路(7)，自生电源电路(7)的电源输出端经低电平检测单元(6)与中央控制单元(1)相连；

自生电源电路(7)包括与电流互感器(2)的电流输出端串连的滤波电路和整流电路，整流电路的正极经稳压电路与中央控制单元(1)的电源端和低电平检测单元(6)的电源端相连；

低电平检测单元(6)包括：d极与整流电路的正极相连的MOS管(M1)，MOS管(M1)的s极接整流电路的负极，整流电路的正极串接第一限流电阻(R1)后接比较器(U1)的反向端，整流电路的正、负极之间设有串联的第二限流电阻(R2)和第三限流电阻(R3)，第二限流电阻(R2)和第三限流电阻(R3)的接点与比较器(U1)的同向端相连，比较器(U1)的输出端接MOS管(M1)的g极，MOS管(M1)的g极还与中央控制单元(1)的电源控制输出端相连；比较器(U1)的反向端和整流电路的负极之间设有并联的第一电容(C1)和第一稳压二极管(DZ1)，整流电路的正、负极之间设有并联的电解电容(C2)和第二稳压二极管(DZ2)。

2、根据权利要求1所述的智能脱扣器，其特征在于：刚上电时，由于MOS管(M1)的g极和s极之间的电压差Ugs为零，d极和s极之间的电流Ids为零，电流通过第二限流电阻(R2)和第三限流电阻(R3)产生一电压降；当电流互感器(2)的输入电流较小时，比较器(U1)的反向端的电位高于同向端，比较器的输出为零，即所述Ugs为零，MOS管(M1)关闭，整流电路的正极输出的电流经稳压电路给中央控制单元(1)供电，同时给电解电容(C2)充电；当电流互感器(2)的输入电流变大时，由于比较器(U1)的反向端在第一稳压二极管(DZ1)的作用下其电压不变，而其同向端的电压随着所述输入电流的变大而增大，导致比较器(U1)的输出电压变为正电平，且所述Ugs高于MOS管(M1)的门槛电压，MOS管(M1)导通，MOS管(M1)的d极和s极之间的电压差Uds下降到零，此时，电解电容(C2)放电续流为中央控制单元(1)供电；

随着电压Uds的下降，比较器(U1)的同向端的电压随之下降，比较器(U1)的输出电压再次为零，MOS管(M1)再次关闭，如此往复。

3、根据权利要求2所述的智能脱扣器，其特征在于：当电流互感器(2)的输入电流较小，且电解电容(C2)两端的电压低于正常工作值时，中央控制单元(1)被清零并停止工作。

4、根据权利要求3所述的智能脱扣器，其特征在于：所述比较器(U1)的输出端串接第四限流电阻与所述稳压电路的电流输入端相连，在MOS管(M1)的g极和s极之间滤波用的第三电容(C3)。

5、根据权利要求4所述的智能脱扣器，其特征在于：中央控制单元(1)的通讯数据端连接有用于连接上位机(5)的串行通信接口(4)，中央控制单元(1)的参数控制输入端连接有整定值输入单元(8)。

6、根据权利要求5所述的智能脱扣器，其特征在于：所述脱扣驱动电路(11)具有用于连接离线脱扣单元(10)的控制信号输入端。

7、根据权利要求6所述的智能脱扣器，其特征在于：所述中央控制单元(1)的状态信号输出端连接有状态指示灯(9)。

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