CN102170105A

CN102170105A - 接地故障保护型电子式脱扣器

Info

Publication number: CN102170105A
Application number: CN2011101127504A
Authority: CN
Inventors: 方进勇; 林宜; 刘剑锋
Original assignee: Xiamen Shihlin Electric & Engineering Co Ltd
Current assignee: Xiamen Shihlin Electric & Engineering Co Ltd
Priority date: 2011-05-03
Filing date: 2011-05-03
Publication date: 2011-08-31

Abstract

本发明公开了一种接地故障保护型电子式脱扣器，其在现有的单CT接地故障保护型电子脱扣器的基础上，在其电流电压转换电路的输出端与低压差线性稳压器的输入端之间连接有电源隔离装置，而且脱扣电路采用隔离型脱扣电路。采用上述方案后，本发明在电流电压转换电路的输出端与低压差线性稳压器的输入端之间增加有电源隔离装置，实现了微处理器与电流电压转换电路之间地电位的隔离，两者之间的地电位没有共同的参考点，这样信号处理电路就无须采用高精密差分放大器对信号进行处理，一般普通的放大器就可实现对电流信号包括接地信号的处理，高精密差分放大器与普通的放大器的价格相差甚多，从而使得本发明的电子脱扣器整体成本较低。

Description

接地故障保护型电子式脱扣器

技术领域

本发明涉及电器设备领域，尤其是用于切断电流的断路器，具体涉及断路器的电子式脱扣器。

背景技术

塑壳断路器是塑料外壳式断路器。可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电动机。它功能相当于闸刀开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中一种重要的保护电器。

电子型的塑壳断路器，使用互感器采集各相电流大小，与设定值比较，当电流异常时微处理器发出信号，使电子脱扣器带动操作机构动作。

塑壳断路器之电子式脱扣器一般采用CT（电流互感器）电源自供电，CT（电流互感器）既作为电源供电用，也作为信号取样用；因此，CT（电流互感器）信号地与电源地之间必须有共同的参考地电位。

目前，市场上贩卖的电子式塑壳断路器厂牌很多，功能差异很大，一般都具备过电流保护保护功能（4P产品也包含中性线保护），但不一定都具有接地故障保护；因此，根据是否具有接地故障保护功能，电子式脱扣器可分为接地故障保护型和非接地故障保护型两种；其中非接地故障保护型产品，其电路设计相对简单经济，体积也较小，其电路原理如图1所示；这种电路结构因其各相电流信号相对独立，经全波整流反相放大后取得，所以无法或很难对整流后的信号进行矢量和运算以利于接地故障保护。

接地故障保护型产品也可分为两种类型，其一是采用双线圈CT设计方式，即速饱和CT和信号用空心CT分开，分别用于电源供电与信号取样，其典型电路原理如图2所示；这种电路结构虽很容易通过各相信号矢量和运算取得接地保护信号，但CT设计是双线圈方式，体积较大，成本较高；其二是单CT设计，其典型电路原理如图3所示，包括四个电流互感器CT，信号取样电路，信号处理电路，整流滤波电路，电流电压转换电路，低压差线性稳压器LDO，脱扣电路，以及MCU微处理器及其周边***电路；各个电流互感器分别串联于电网主电路的A、B、C三相线和中性线N中，对A、B、C三相线和中性线N的电流进行传感变换，实现信号感应以及电路能量供应，各个电流互感器的输出端依次连接整流滤波电路、电流电压转换电路和低压差线性稳压器，低压差线性稳压器的输出即为***工作电压; 信号处理电路包括信号提升电路和运算放大电路，信号取样电路的输入端分别连接于各个电流互感器的采样端，信号取样电路的输出端连接于运算放大电路的输入端，运算放大电路的输出端连接至信号提升电路的输入端，信号提升电路为由电容隔直以及上拉电阻所组成，上拉电位为基准电压Vref，实现把运放信号的基准电位由0提升至基准电压Vref，信号提升电路的输出端连接至微处理器的AD采样口；微处理器的脱扣输出端连接至脱扣电路的触发端，当电网主电路出现异常状况时，微处理器提供触发信号给脱扣电路，脱扣电路工作切断负载回路，对负载进行保护。信号取样电路中，各相的电流互感器电流取样电阻Ra、Rb、Rc、Rn的一端分别与各相电流互感器的电流采样端对应相连接，另一端则互相连接并与接地信号取样电阻Rf的一端短接，形成一个公共节点；接地信号由接地信号取样电阻Rf变换得到，接地信号取样电阻Rf的另一端与整流滤波电路的整流公共端的中间公共端相连接。这种电路设计，其采用各相CT电流矢量和对接地信号进行取样，但因单CT设计，电流信号地与电源地之间没有共同的参考点，须采用差分运放方可实现对接地信号的取样处理；但对运算放大器的要求非常高，必须采用高精度的专用差分放大器，方可保证信号波形不畸变，价格非常昂贵，而且运放须双电源供电，电源设计较为复杂。

综上所述，非接地故障保护型产品其设计简单，成本较低，但其功能较少，已无法满足特定客户的需求；双线圈设计型产品虽具有接地保护，但须采用双线圈CT，而且CT体积较大，成本较高，实际应用面可能受限；差分运放型产品虽单CT设计，但须采用昂贵的专用差分放大器,成本较高，电路结构复杂。

发明内容

为了解决现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种整体成本较低的接地故障保护型电子式脱扣器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

接地故障保护型电子式脱扣器，包括电流互感器，信号取样电路，信号处理电路，整流滤波电路，电流电压转换电路，低压差线性稳压器，脱扣电路，微处理器及其周边***电路；电流互感器分别串联于电网主电路的各相中，电流互感器的输出端依次连接整流滤波电路、电流电压转换电路和低压差线性稳压器，低压差线性稳压器的输出即为***工作电压；各相电流互感器的电流采样端连接信号取样电路的输入端，信号取样电路的输出端依次连接信号处理电路和微处理器，微处理器的输出端连接脱扣电路的触发端；上述电流电压转换电路的输出端与上述低压差线性稳压器的输入端之间连接有电源隔离装置。

上述电源隔离装置采用DC-DC隔离稳压模块。

上述脱扣电路采用隔离型脱扣电路。

上述隔离型脱扣电路采用光耦隔离脱扣电路。

上述信号处理电路包括电压提升电路和运算放大电路，上述信号取样电路的输出端连接于上述运算放大电路的输入端，上述运算放大电路的输出端连接至上述微处理器的输入端；上述电压提升电路为一基准电压模块，上述基准电压模块的输入端连接上述低压差线性稳压器的输出端，上述基准电压模块的输出端提供基准电压，此基准电压为上述***工作电压的一半。

上述信号取样电路包括各相电流互感器电流取样电阻和接地信号取样电阻，上述各相电流互感器电流取样电阻的一端分别与各相的电流互感器的电流采样端对应相连接，上述各相电流互感器电流取样电阻的另一端则互相连接并与上述接地信号取样电阻的一端短接，形成一个公共节点，上述基准电压模块的输出端连接至此公共节点，上述接地信号取样电阻的另一端与上述整流滤波电路的整流公共端的中间公共端相连接。

采用上述方案后，本发明具有如下有益效果：

一、本发明在电流电压转换电路的输出端与低压差线性稳压器的输入端之间增加有电源隔离装置，实现了微处理器与电流电压转换电路之间地电位的隔离，两者之间的地电位没有共同的参考点，这样信号处理电路就无须采用高精密差分放大器对信号进行处理，一般普通的放大器就可实现对电流信号包括接地信号的处理，高精密差分放大器与普通的放大器的价格相差甚多，从而使得本发明的电子脱扣器整体成本较低。

二、进一步的，本发明的电源隔离装置采用DC-DC隔离稳压输出模块，DC-DC隔离稳压输出模块是一种高效率的模块化直流降压电源模块，内置高频变压器、开关管、脉冲产生等电路，具有体积小、功率密度高、表贴设计易于生产等优点，特别适合对体积尺寸要求较高的场合。该DC-DC隔离稳压输出模块由于采用开关电源设计，具有非常高的转换效率，进一步提高了电源的工作效率；由于电子回路的电源能量来自CT电流变换得到，而CT电流则来源于电网电流，电网电流的大小与工作电源的功率成正比，因而高效率的DC-DC稳压模块有助于降低允许可工作电网电流值，进一步扩大电子式脱扣器的电流工作范围。

三、进一步的，电压提升电路的基准电压模块输出与各相CT电流取样电阻的公共节点相连接，直接把CT电压信号参考点提升至基准电压值，且该基准电压值等于***工作电压的一半，这样各CT的取样电压信号将处于微处理器地电位与***工作电压之间，但相对于基准电压值交变波动，其波形与电网电流波形一致，因此信号处理放大器就可采用单电源供电，简化电路设计。

四、进一步的，所述的接地信号取样直接采用各相CT电流的矢量和叠加得到，并经接地信号采样电阻转换电压得到；这种方式可简化电路，节约成本，避免引入复杂的矢量和运算电路，且精度也较高。

附图说明

图1 为现有技术中非接地故障保护型电子脱扣器的电路原理图；

图2为现有技术中双CT设计的接地故障保护型电子脱扣器的电路原理图；

图3为现有技术中单CT设计的接地故障保护型电子脱扣器的电路原理图；

图4为本发明的电路结构框图；

图5为本发明的电路原理图。

具体实施方式

现结合附图说明和具体实施方式对本发明进一步的详细说明。

本发明接地故障保护型电子脱扣器，如图4、5所示，包括4个硅钢磁芯电流互感器CT，信号取样电路，具有电压提升电路和运算放大电路的信号处理电路，整流滤波电路，电流电压转换电路U1，DC-DC隔离稳压模块U2，低压差线性稳压器U3，光耦隔离脱扣电路，MCU微处理器及其周边***电路。

各个电流互感器CT分别串联于电网主电路的A、B、C、N相线中，对电网主电路各相电流进行传感变换，实现信号感应以及电路能量供应。

整流滤波电路由十个桥式整流二极管D1-D10组成，共五组，分别对各相电流互感器感应的交流电流源A、B、C、N进行整流，整流二极管D9、D10为整流公共端，每相电流互感器的电流整流由各自整流二极管与公共整流二极管组成，例如A相电流互感器整流由整流二极管D1、D2、D9、D10等组成。

电流互感器CT的输出端依次连接整流滤波电路、电流电压转换电路U1、DC-DC隔离稳压模块U2，经整流滤波电路整流后的直流电流经电流电压变换电路U1转换成直流电压V0，该直流电压为DC-DC电压隔离模块U2的电压输入源，同时也为光耦隔离脱扣电路提供电源；直流电压V0经DC-DC电压隔离模块U2转换为隔离的电压V1，该DC/DC电压隔离模块U2采用金升阳公司生产的高效率的模块化直流降压电源模块IB-LT-1W系列，内置高频变压器、开关管、脉冲产生等电路，具有体积小、功率密度高、表贴设计易于生产等优点，特别适合对体积尺寸要求较高的场合。该DC-DC电压隔离模块U2由于采用开关电源设计，具有非常高的转换效率（典型值70%），进一步提高了电源的工作效率。隔离后的电压V1再经过低压差线性稳压器U3变换成可供微处理器、运算放大电路等工作的***工作电压VCC。

各个电流互感器CT的电流采样端连接信号取样电路的输入端，信号取样电路的输出端连接运算放大电路的输入端，运算放大电路的输出端连接至微处理器的输入端，微处理器的脱扣输出端连接光耦隔离脱扣电路的触发端。

电压提升电路为一基准电压模块，此基准电压模块的输入端连接低压差线性稳压器U3的输出端，此基准电压模块的输出端提供基准电压Vref，此基准电压Vref为***工作电压Vcc的一半。

信号取样电路包括各相电流互感器电流取样电阻Ra、Rb、Rc、Rn和接地信号取样电阻Rf，电流取样电阻Ra、Rb、Rc、Rn的一端分别与各相的电流互感器的电流采样端对应相连接，电流取样电阻Ra、Rb、Rc、Rn的另一端则互相连接并与接地信号取样电阻Rf的一端短接，形成一个公共节点，基准电压模块的输出端连接至此公共节点，接电信号取样电阻Rf的另一端与整流滤波电路的整流公共端的中间公共端（整流二极管D9与整流二极管D10相连接的端点）相连接。

本发明中，取样电阻Ra、Rb、Rc、Rn得到的电流取样信号Va、Vb、Vc、Vn、Vf为交流电压信号，不能满足微处理器AD转换的要求，经电压提升电路把这些交变的电压信号转换为正的直流交变信号；该电压提升电路直接把公共节点与***电压基准Vref相连接得到；该电压基准Vref由***电压Vcc经基准电压模块U4变换得到，并且等于***电压Vcc的一半，即Vref=1/2*Vcc。

运算放大电路主要由电压跟随器U6A和同相放大器U7A组成；经电压提升后的电流取样信号，相对于电压基准Vref上下交变，但其幅值限制在0-Vcc之间；由于***电压Vcc已与电流电压V0隔离，使得信号的处理变得非常简单，各相电流信号Va、Vb、Vc、Vn只须经电压跟随器U6A跟随即可，而接地信号Vf因其信号相对较小也只须经普通同相放大器U7A放大就可满足微处理器AD转换的要求。

光耦隔离脱扣电路由脱扣线圈RELAY、光耦P1、晶体管Q1、以及触发电路等组成；经DC/DC电压隔离模块U2隔离后的电压V1较小，已不能满足脱扣线圈RELAY的工作要求，因此其脱扣电路电源必须采用V0供电，微处理器通过光耦P1对其进行隔离脱扣控制；其脱扣动作电路由脱扣线圈Relay、功率晶体管Q1、反向续流二极管D12以及光耦P1的接收端等组成；脱扣控制电路则由微处理器IO口、光耦P1的发射端等组成；通过光电耦合，实现隔离控制，跳脱电路。

Claims

1.接地故障保护型电子式脱扣器，包括电流互感器，信号取样电路，信号处理电路，整流滤波电路，电流电压转换电路，低压差线性稳压器，脱扣电路，微处理器及其周边***电路；电流互感器分别串联于电网主电路的各相中，电流互感器的输出端依次连接整流滤波电路、电流电压转换电路和低压差线性稳压器，低压差线性稳压器的输出即为***工作电压；各相电流互感器的电流采样端连接信号取样电路的输入端，信号取样电路的输出端依次连接信号处理电路和微处理器，微处理器的输出端连接脱扣电路的触发端；其特征在于：上述电流电压转换电路的输出端与上述低压差线性稳压器的输入端之间连接有电源隔离装置。

2.根据权利要求1所述的接地故障保护型电子式脱扣器，其特征在于：上述电源隔离装置采用DC-DC隔离稳压模块。

3.根据权利要求1所述的接地故障保护型电子式脱扣器，其特征在于：上述脱扣电路采用隔离型脱扣电路。

4.根据权利要求3所述的接地故障保护型电子式脱扣器，其特征在于：上述隔离型脱扣电路采用光耦隔离脱扣电路。

5.根据权利要求1所述的接地故障保护型电子式脱扣器，其特征在于：上述信号处理电路包括电压提升电路和运算放大电路，上述信号取样电路的输出端连接于上述运算放大电路的输入端，上述运算放大电路的输出端连接至上述微处理器的输入端；上述电压提升电路为一基准电压模块，上述基准电压模块的输入端连接上述低压差线性稳压器的输出端，上述基准电压模块的输出端提供基准电压，此基准电压为上述***工作电压的一半。

6.根据权利要求5所述的接地故障保护型电子式脱扣器，其特征在于：上述信号取样电路包括各相电流互感器电流取样电阻和接地信号取样电阻，上述各相电流互感器电流取样电阻的一端分别与各相的电流互感器的电流采样端对应相连接，上述各相电流互感器电流取样电阻的另一端则互相连接并与上述接地信号取样电阻的一端短接，形成一个公共节点，上述基准电压模块的输出端连接至此公共节点，上述接地信号取样电阻的另一端与上述整流滤波电路的整流公共端的中间公共端相连接。