CN102983562A - 电气防火限流式保护器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电气防火限流式保护器，包括：电流互感器单元用于实时检测主回路中的交流电流并感应输出对应的电流信号；检测单元用于采集电流信号并将电流信号进行预处理并输出；微处理器单元用于处理电流信号与机内工作温度信号，预设分段延时参数和过热温度参数并判断接收到的经过预处理后的电流信号为短路电流或过载电流时以分别输出快速分断指令或执行分段延迟限流指令；与电流互感器单元、微处理器单元和一负载连接的主控开关单元用于根据接收到的微处理器单元的控制指令时，执行主回路的接通与分断开关动作。本发明可快速限流保护功能有效避免了短路电流的继续增加，防止由电线发热、熔化或燃烧、以及由于短路处产生的电气火花引起的火灾。

Description

电气防火限流式保护器

技术领域

本发明属于电气电子类紧急保护电路装置，尤其涉及一种电气防火限流式保护器。

背景技术

在电气线路故障所引发的火灾中，因电路短路及过载电流故障所引发的火灾尤为突出。所谓电路过载电流，是指电路中的电流超出额定工作电流，长时间过流会造成电线发热、熔化和燃烧甚至发生短路故障。而一旦电路发生短路，电路中的电流就会急剧增加，并造成短路处能量激增，远远超过电气线路的容限，使得电线发热、燃烧以及由于短路处发生电气火花引发火灾。

目前市场上使用的各种防火报警监控器，一般具有剩余电流检测、过流和短路保护、烟雾、火焰报警保护等功能，其主控电路切断装置绝大多数采用电磁脱扣式断路器执行分断保护。这些电磁脱扣式断路器由于本身的缺陷，使得现有防火监控器存在以下不足：

1.缺乏快速响应能力：电磁脱扣式断路器在开关过程中自身存在完全断开的运动速度慢的问题，并且还存在放电现象，称之为拉弧，因此电磁脱扣式断路器的开关时间一般都在毫秒级甚至更长，当出现短路故障时，现有防火监控器缺乏快速分断的能力，往往来不及快速切断线路，致使短路电流瞬时急剧增加，超过额定工作电流的几十倍以上，从而造成电线发热、熔化或燃烧，会产生短路火花引起火灾。

2.缺乏实时限流功能：现有防火监控器虽可以检测剩余电流、过流、短路、超温、烟雾、火焰等故障，但如果发生电气线路短路这一危险性最大的故障时，现有防火监控器由于缺乏快速控制的能力，不能即时限制短路电流的扩大，从而使得短路电流急剧增加而产生电气火花引发火灾。

3.局限于事后报警：现有防火监控器由于分断时间长，即便发现了短路故障，但因其***反应速度慢，只能停留在火灾的事后报警。有些防火监控器虽联动了喷淋***，但也只是火灾事后的扑救。

4.寿命短可靠性差：现有防火监控器由于采用电磁式断路器执行分断保护，电磁脱扣式断路器的机械触点在开关动作时会产生抖动和飞弧，这会加剧触点表面的氧化，增大接触电阻发生接触不良的故障，会出现飞弧烧蚀触点甚至熔融，缩短了断路器的寿命，造成断路器失效。

5.触点飞弧存在火灾隐患：现有防火监控器采用电磁式断路器执行分断保护，其触点灭弧效果比较差，会产生飞弧，易于引燃易燃物，因而存在火灾隐患。

为此，现有技术中又提出一种固态开关，例如可控硅开关，由于可控硅开关在开关过程中不产生拉弧，利用可控硅开关替代电磁脱扣式断路器，将能解决电磁脱扣式断路器的固有问题，实现了无触点无飞弧开关控制，延长了开关使用寿命。但是可控硅开关由于自身仍然存在开关过程速度慢的缺陷，响应速度仍为毫秒级别，在电气短路发生时，仍然来不及快速切断线路，致使短路电流迅速增大直至引发火灾。另外，可控硅开关还存在1-2V的管压降，因此存在自身功耗大的问题。

因此，目前现有技术的电气防火监控设备，虽能检测出电气短路、电路过载、漏电、烟雾及高温等故障，但只局限于故障发生以后的事后报警与控制，无法及时抑制电气火灾的即时发生和扩大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电气防火限流式保护器，以便可以串联在电气分路开关与用电器之间的电气线路中，能够实时监测电气线路中电流故障并执行微秒级限流保护，抑制电气短路火花的出现。

为了解决上述问题，本发明提供一种电气防火限流式保护器，包括：

一电流互感器单元，所述电流互感器单元实时检测主回路中的交流电流并感应输出对应的电流信号；

一检测单元，所述检测单元实时采集所述电流信号并将所述电流信号进行预处理并输出预处理后的电流信号；

一微处理器单元，所述微处理器单元预设分段延时参数，处理所述预处理后的电流信号并判断当接收到的经过预处理后的所述电流信号为过载电流时，执行分段延迟限流指令，当接收到的经过预处理后的所述电流信号为短路电流时，输出快速分断指令；

一主控开关单元，所述主控开关单元与所述电流互感器单元、所述微处理器单元和一负载连接，所述主控开关单元根据接收到的所述微处理器单元的控制指令，执行主回路的接通与分断开关动作。

进一步的，所述过载电流为不小于额定工作电流且不大于短路故障阈值的交流电流；所述短路电流为大于短路故障阈值且快速上升至额定工作电流数倍以上的交流电流。

优选的，所述微处理器单元根据接收到的短路电流对应的所述电流信号大于所述短路故障阈值时，输出所述快速分断指令。

优选的，所述微处理器单元根据接收到的过载电流对应的所述电流信号的大小与所述预设分段延时参数比较，以形成对应的分段延迟限流指令。

进一步的，所述主控开关单元包括：多组并联的固体开关模块，每组固体开关模块通过两个MOSFET管的源极串联形成；

通过每组固体开关模块中的两个串联的MOSFET管的首尾漏极并联分别形成的主控开关单元的输入端和输出端，所述主控开关单元的输入端和输出端分别与所述电流互感器单元和负载连接；

通过每组固体开关模块中的两个MOSFET管的栅极相连形成的主控开关单元的控制端，所述主控开关单元的控制端与微处理器单元连接。

进一步的，所述微处理器单元预设一过热温度参数。

优选的，所述电气防火限流式保护器还包括一温度传感器单元，所述温度传感器单元将所述多组并联的固体开关模块上采集到的工作温度由所述检测单元转化成一机内工作温度信号后输出到所述微处理器单元，所述微处理器单元若接收到的所述机内工作温度信号大于过热温度参数时输出超温保护指令，以控制所述主控开关单元执行超温分断限流保护。

优选的，所述电气防火限流式保护器还包括一报警单元，所述报警单元当所述检测单元检测到故障时，通过所述微处理器单元输出一报警信号以控制所述报警单元进行声光报警。

优选的，所述电气防火限流式保护器还包括一通信单元，所述通信单元受控于所述微处理器单元实现与上位机的远程联机通信。

优选的，所述电气防火限流式保护器还包括一辅助电源单元，以向与电气防火限流式保护器连接的各单元提供稳定的工作电压。

由上述技术方案可见，本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

当出现短路故障时，本发明电气防火限流式保护器能够以微秒级速度实现快速限流保护，使得短路电流的快速上升被限制在额定工作电流数倍的范围之内，从而有效消除因短路电流所引起的电气火花，预防和减少电气火灾的隐患；当出现过载电流故障时，电气防火限流式保护器也能实现过载电流故障的限流保护。由于电气防火限流式保护器采用高速电流检测技术，在电气线路因短路发生瞬时电流剧增时，能快速检测并实行限流保护，其控制灵敏度比普通断路器提高上千倍。

此外，由于本发明电气防火限流式保护器能在发生短路故障时实现快速分断限流保护，因此可以在发生了短路故障时，及时进行火灾事前报警。

而且，应用高性能MOSFET管串并联组成主控开关单元，其结构简单，易于扩展电流。同时，高性能MOSFET管组成的主控开关单元作为固态电子开关，从根本上克服了传统的熔断器、断路器的缺陷，具有无火花、开关速度快、寿命长、功耗小的优点。

另外，电气防火限流式保护器还能实现机体内部超温故障的限流保护，以及实现声光报警、参数预设、远程联机监控等功能，有效保护用电线路的安全。其中，远程联机监控技术能够实现多机联网监控，可与消防监控平台联网，能实时记录存储数据，可进行数据统计、查询与追溯。

还有，采用高性能微处理器，对电气电路运行的数据实现实时集中监控，便于实现智能化管理。

附图说明

图1为本发明的电气防火限流式保护器的***框图示意图；

图2为主控开关单元的电路示意图；

图3为现有技术与本发明的短路故障前后的能量与时间关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

参见图1，本发明提供一种电气防火限流式保护器，包括：

电流互感器单元1，所述电流互感器单元1用于实时检测主回路中的交流电流I，并分别感应输出与之大小相对应的电流信号Isingal。所述电流互感器单元1感应精度与稳定度保证了所述交流电流有效值的测量精度；

检测单元2，所述检测单元2与所述电流互感器单元1连接，所述检测单元2用于实时采集由所述电流互感器单元1传来的电流信号Isingal，并将所述电流信号Isingal进行预处理并输出预处理后的电流信号。其中，所述检测单元2具有高速响应、高灵敏度和高精度处理能力，能够满足***要求；

微处理器单元3，所述微处理器单元3与所述检测单元2连接，所述微处理器单元3用于预设分段延时参数，处理所述预处理后的电流信号，并当接收到所述检测单元2输出的经过预处理后的所述电流信号Isingal为短路电流Ishort时，输出快速分断指令；当接收到所述检测单元2输出的经过预处理后的所述电流信号Isingal为过载电流Iover时，执行分段延迟限流指令。其中，所述过载电流Iover为不小于额定工作电流且不大于短路故障阈值的交流电流。而所述短路电流Ishort为大于短路故障阈值且快速上升至额定工作电流数倍(一般为6-8倍)以上的交流电流I。具体的，所述微处理器单元3选用具有高速处理能力的高性能微处理器，所述微处理器单元3将所述检测单元2采集到的交流电流值对应的电流信号Isingal进行快速计算和分析，并根据所述交流电流I的大小，区分出是过载电流Iover还是短路电流Ishort，当判断出是短路电流Ishort时，根据程序设计的指令要求，输出快速分断指令；当判断出是过载电流Iover时，还需要将流过电气线路上的不小于额定工作电流而不大于所述短路故障阈值之间的交流电流I分段成不同大小的过载电流Iover，如：超过额定工作电流1.5倍以内的过载电流Iover，或是超过额定工作电流1.5倍小于所述短路故障阈值之间的过载电流Iover，或是其他范围分段而成的过载电流Iover等，并将检测到的过载电流Iover与所述预设分段延时参数比较，以形成对应的分段延迟限流指令，并执行对应的分段延迟限流保护，保证在发生诸如马达启动等短时间大电流时不被过快限流。

主控开关单元4，所述主控开关单元4与所述电流互感器单元1、所述微处理器单元3和一负载连接，所述主控开关单元4用于根据接收到的所述微处理器单元的控制指令，执行主回路的接通与分断动作。

具体的，所述主控开关单元4采用高性能的MOSFET组成电子式固态开关，其电路结构如图2所示，所述主控开关单元包括：多组并联的固体开关模块Swit，每组固体开关模块Swit通过两个MOSFET管的源极S串联形成，通过每组固体开关模块Swit中的两个串联的MOSFET管的首尾漏极D并联分别形成的主控开关单元的输入端In和输出端Out，以及通过每组固体开关模块Swit中的两个MOSFET管的栅极G相连形成的主控开关单元4的控制端Con，其中，所述主控开关单元的输入端In、输出端Out以及控制端Con分别与所述电流互感器单元1、负载和微处理器单元3连接。从所述微处理器单元3输出的开关信号通过所述主控开关单元4的控制端Con控制其栅极电压的大小，实现MOSFET管内部导电沟道宽度的变化，最终达到控制所述主控开关单元4的导通与关断。由上可知，本发明提供的主控开关单元成功解决了电子式固态开关的耐压、工作电流的扩展、管压降的降低等关键技术：这种电子式固态开关具有开关速度快，能够满足微秒级开关速度；MOSFET管导通状态管压降低，额定电流工作时管压降可小于0.5V，因此管子功耗小；全固态无触点开关，其本身绝无飞弧、火花出现，开关寿命长；采用多个MOSFET管串并联组成固体开关模块的结构简单，控制方便。因此，本发明提出的电子固态主控开关单元，能够满足超快速限流保护的要求。

如图3所示为现有技术与本发明的短路故障前后的能量与时间关系示意图，a点为短路故障发生点，b点为加装本发明所述电气防火限流式保护器后关断主控开关单元的时间点，c点为加装现有防火监控器后用电线路中瞬时急剧增加的最大短路电流，d点为加装现有防火监控器后开关完全切断的时间点。当短路故障在a点发生时，由于现有防火监控器在短路电流发生后，其响应速度慢，即便作出关断控制，仍会导致短路电流急剧增加到c点最大值，直到d点才完全关闭，短路故障所释放的能量巨大，短路点处会产生强烈的电气火花。而本发明所述电气防火限流保护器能使在b点短路电流的上升时被迅速限制在预先设置的整定值范围内，因而所述电气防火限流式保护器能够在150微秒内实现故障电流的快速限流保护，以使短路故障所释放的能量比传统继电保护方式减小至少数千倍，短路点处不会产生火花，从而有效消除因短路电流所引起的电气火灾，预防和减少电气火灾的隐患；当出现过载电流故障时，电气防火限流式保护器也能实现过载电流故障的分段延迟限流保护。同时，电气防火限流式保护器采用高速高灵敏度检测技术，在电气线路上因短路发生瞬时电流剧增时，能快速检测并实行限流保护，其控制灵敏度比普通断路器提高上千倍。此外，由于本发明电气防火限流式保护器能在发生短路故障时实现快速分断限流保护，因此可以在发生了短路故障时，及时进行火灾事前报警。

进一步的，所述微处理器单元还预设一过热温度参数。为此，参见图1，本发明提供的所述电气防火限流式保护器还包括一温度传感器单元5。所述温度传感器单元5与检测单元2连接，所述温度传感器单元5用于将所述多组并联的固体开关模块上采集到的工作温度由所述检测单元2转化成一机内工作温度的数字信号后输出到所述微处理器单元3，所述微处理器单元3根据当接收到的所述机内工作温度信号与其内部预设的过热温度参数进行快速计算和分析，判断是否出现过热故障，若接收到的所述数字信号大于过热温度参数时，则为所述电气防火限流式保护器内部出现过热温度，通过所述微处理器单元3输出超温保护指令，以控制所述主控开关单元4实现超温分断限流，以保护所述电气防火限流式保护器。

优选的，参见图1，本发明提供的所述电气防火限流式保护器还包括一报警单元6。所述报警单元6与微处理器单元3连接，所述报警单元用于当所述检测单元2检测到故障时，通过所述微处理器单元3输出的报警信号以控制所述报警单元发出声光报警信号。

优选的，参见图1，本发明提供的所述电气防火限流式保护器还包括一通信单元7。所述通信单元7与所述微处理器单元3连接，所述通信单元受控于所述微处理器单元3，实现与上位机的远程联机通信。所述通信单元7采用抗干扰性较好的RS-485串行接口电路，具有通信距离长，误码率低，可靠性高的优点。

优选的，参见图1，本发明提供的所述电气防火限流式保护器还包括一辅助电源单元8。通过所述辅助电源单元8向所述电气防火限流式保护器中的各单元输出稳定的各档工作电压，以确保所述电气防火限流式保护器中的各单元正常工作。其中，所述各档工作电源均为隔离电源，有效提高整机的抗干扰性能。

此外，电气防火限流式保护器还能实现控制参数的预设、远程联机监控等功能，有效保护用电线路与负载(电气设备)的使用安全。其中，远程联机监控技术能实现多机联网监控，可与消防监控平台联网，能实时记录存储数据，可进行数据统计、查询与追溯。

另外，采用高性能微处理器，实现了硬件、软件相结合的嵌入式智能***，提高了***的可靠性和灵活性，其联机通信接口与监控软件，对电气电路运行的数据实现实时智能化集中监控，便于实现防火监控***的智能化管理。

本发明所述电气防火限流式保护器可以应用于各种易发生电气火灾的场所，如学校、医院、古建筑及寺庙、宾馆、娱乐场所、商品市场与会展中心、仓库及工厂，亦可用于石油、化工、汽车、轮船、航空等领域。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述得比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种电气防火限流式保护器，包括：

一电流互感器单元，所述电流互感器单元实时检测主回路中的交流电流并感应输出对应的电流信号；

一检测单元，所述检测单元实时采集所述电流信号并将所述电流信号进行预处理并输出预处理后的电流信号；

一微处理器单元，所述微处理器单元预设分段延时参数，处理所述预处理后的电流信号并判断当接收到的经过预处理后的所述电流信号为过载电流时，执行分段延迟限流指令，当接收到的经过预处理后的所述电流信号为短路电流时，输出快速分断指令；

一主控开关单元，所述主控开关单元与所述电流互感器单元、所述微处理器单元和一负载连接，所述主控开关单元根据接收到的所述微处理器单元的控制指令，执行主回路的接通与分断开关动作。

2.如权利要求1所述的电气防火限流式保护器，其特征在于，所述过载电流为不小于额定工作电流且不大于短路故障阈值的交流电流；所述短路电流为大于短路故障阈值且快速上升至额定工作电流数倍以上的交流电流。

3.如权利要求2所述的电气防火限流式保护器，其特征在于，所述微处理器单元根据接收到的短路电流对应的所述电流信号大于所述短路故障阈值时，输出所述快速分断指令。

4.如权利要求2所述的电气防火限流式保护器，其特征在于，所述微处理器单元根据接收到的过载电流对应的所述电流信号的大小与所述预设分段延时参数比较，以形成对应的分段延迟限流指令。

5.如权利要求1所述的电气防火限流式保护器，其特征在于，所述主控开关单元包括：多组并联的固体开关模块，每组固体开关模块通过两个MOSFET管的源极串联形成；

通过每组固体开关模块中的两个串联的MOSFET管的首尾漏极并联分别形成的主控开关单元的输入端和输出端，所述主控开关单元的输入端和输出端分别与所述电流互感器单元和负载连接；

通过每组固体开关模块中的两个MOSFET管的栅极相连形成的主控开关单元的控制端，所述主控开关单元的控制端与微处理器单元连接。

6.如权利要求1所述的电气防火限流式保护器，其特征在于，所述微处理器单元预设一过热温度参数。

7.如权利要求6所述的电气防火限流式保护器，其特征在于，还包括一温度传感器单元，所述温度传感器单元将所述多组并联的固体开关模块上采集到的工作温度由所述检测单元转化成一机内工作温度信号后输出到所述微处理器单元，所述微处理器单元若接收到的所述机内工作温度信号大于过热温度参数时输出超温保护指令，以控制所述主控开关单元执行超温分断限流保护。

8.如权利要求1所述的电气防火限流式保护器，其特征在于，还包括一报警单元，所述报警单元当所述检测单元检测到故障时，通过所述微处理器单元输出一报警信号以控制所述报警单元进行声光报警。

9.如权利要求1所述的电气防火限流式保护器，其特征在于，还包括一通信单元，所述通信单元受控于所述微处理器单元实现与上位机的远程联机通信。

10.如权利要求1所述的电气防火限流式保护器，其特征在于，还包括一辅助电源单元，以向与电气防火限流式保护器连接的各单元提供稳定的工作电压。

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