CN110190588A - 断路器智能监控与保护模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种断路器智能监控与保护模块，由电压、电流、温度传感器、电能质量芯片、微处理器、电源模块、执行机构和通信模块组成，所述断路器智能监控与保护模块和断路器串联使用。可通过检测负载状态参数、断路器性能参数、用电量、过载状况、温升和电能质量，对用电设备与线路的运行稳定性与健康情况、断路器自身的健康状况与剩余寿命、用电***的潜在风险进行评估和预判。可大幅提高断路器保护功能的智能化水平，同时从配电***、用电设备、断路器的多方位提升用电的安全性与可靠性。

Description

断路器智能监控与保护模块

技术领域

本发明涉及断路器技术领域，更具体地说，涉及断路器智能监控与保护模块。

背景技术

断路器是低压配电***中重要的控制与保护设备，能在配电***发生过载、短路故障时迅速开断故障电流，保护配电***和用电设备，同时也可以用于不频繁的通断控制操作。断路器性能的稳定性和可靠性对于配电***、用电设备以及人身财产安全的保障而言具有重要意义。

然而，传统的断路器不具备电量的检测、通讯以及远程控制功能，人们无法监测断路器的状态和相关电量，不能满足现在智能家居领域发展的需求。一般而言，断路器与配电***配合的参数选取通常留有较大余量，因此只有当短路或过载故障比较严重的情况下，断路器才能检测到并执行开断操作，对配电***和用电设备会造成比较大的冲击，影响用电完全。

此外，断路器自安装起需要运行相当长的时间，随着运行时间和开断次数的累积，断路器的电气性能将不可避免地发生劣化，使用寿命也会随之降低，但现有断路器无法对自身的电气性能和剩余使用寿命进行检测，存在较高的安全隐患。

基于上述原因，本发明提供的断路器智能监控与保护模块克服了传统的断路器不具备电量的检测、通讯以及远程控制功能的缺点和无法对断路器自身的电气性能和剩余使用寿命进行检测的缺点，与断路器串联使用，多角度提高了断路器保护功能的智能化，提升了配电***的安全性和可靠性。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种断路器智能监控与保护模块，通过检测电压、电流、温度、电能质量信号，判断电能质量、负载参数、断路器参数、用电量、过载、温升情况，实现了对用电设备和线路的运行稳定性和健康情况、断路器自身的健康状况和剩余寿命、以及用电***的潜在风险进行评估，提高了断路器保护功能的智能化水平。

技术方案

一种断路器智能监控与保护模块，其特征在于包括电压传感器、电流传感器、温度传感器、电能质量芯片、微处理器、电源模块、执行机构和通信模块；所述电压传感器分别跨接在断路器的三相进线端之间以及断路器的进出线端，用于检测市电电压，断路器动、静触头合闸状态下的通态压降以及电流开断过程的电弧电压，并将检测的信号发送给所述电能质量芯片和微处理器；所述电流传感器采用霍尔传感器，套接在断路器的三相进线导线上，用于检测流过断路器触头的电流及漏电流，并将检测的信号发送给所述电能质量芯片和微处理器；所述温度传感器连接在断路器的载流导体上，用于检测载流导体温度，并将检测的信号发送给所述微处理器；所述电能质量芯片根据输入的市电电压、电路得到电能质量参数，并将电能质量参数输出给所述微处理器；所述微处理器根据电压传感器、电流传感器、温度传感器和电能质量芯片输入的信号获取负载状态参数、断路器性能参数、用电量、过载状况、温升和电能质量，并利用获得的上述信息，对断路器、负载及所在用电***的运行状态进行监控和潜在风险进行评估，并将评估结果和相应的控制指令发送给所述通信模块，同时给所述执行机构发送相应的控制指令；所述执行机构包括继电器单元和断路器的分合闸操作单元，根据微处理器发送的控制指令，执行对断路器的分闸、合闸操作，或断路器合闸状态下的所述继电器单元的开关操作；所述通信模块为所述微处理器与所述外部设备、终端计算机、APP提供数据、指令的通信与传输；所述电源模块为所述电能质量芯片、微处理器、通信模块、电压传感器、电流传感器和温度传感器供电。

所述负载状态参数包括与所述断路器连接的负载阻抗值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数，以及上述参数的变化。

所述断路器性能参数包括断路器接触电阻、导体温升、开断次数、开断电流峰值或有效值、电弧能量、热允通量、燃弧时间、电弧时间常数、电弧能量耗散系数、电弧电压峰值、熄弧电压。

所述用电量为与断路器连接支路设备的用电量。

所述过载情况包括断路器主电流是否出现过载，以及过载运行的时长与次数。

所述电能质量包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性。

所述微处理器利用获得的上述信息，对断路器、负载及所在用电***的潜在风险进行评估，具体包括：

1、利用所述负载状态数据，与历史的负载状态对比，通过负载状态的变化、以及与微控制单元中设定的阈值的对比，对用电设备和线路的健康情况进行评估；或利用机器学习算法获取用电设备和线路正常运行的健康特征，并以此为基础对用电设备和线路的健康状况进行评估；

2、利用所述断路器性能参数，与历史的断路器状态参数对比，通过断路器状态参数的变化、以及与微控制单元中设定的阈值的对比，对断路器自身的健康状况和剩余寿命进行评估；或利用机器学习算法获取断路器正常运行的健康特征，并以此为基础对断路器自身的健康状况和剩余寿命进行评估；

3、利用所述过载情况，通过与预先设定的阈值的对比，对用电***的潜在风险进行评估。

所述微处理器中预先设定的过载阈值低于断路器热脱扣的过载动作电流值，过载故障时，所述的断路器智能监控与保护模块的执行机构在断路器热脱扣之前动作；而当所述的断路器智能监控与保护模块发生故障时，断路器的热脱扣***起后备保护功能。

所述微处理器根据采集到的断路器电压和电流信号，判断断路器的分合闸状态：当有电流信号时，断路器为合闸状态；当无电流、有电压时，为分闸状态；当无电流、无电压时，为未通电状态。

有益效果

本发明提出的一种断路器智能监控与保护模块，具有以下优点：

1、本发明提出的断路器智能监控与保护模块，与断路器配合使用，具有电量的检测、通讯、远程控制功能，以及断路器自身的电气性能和剩余使用寿命的检测功能，大幅提高了断路器保护功能的智能化水平。

2、通过对断路器多种电量信号的检测和对电能质量、负载状态参数、断路器性能参数、用电量、过载情况的分析，实现了对用电设备的运行稳定性和安全性、用电设备和线路的健康情况、断路器自身的健康状况和剩余寿命、以及用电***的潜在风险进行评估，从配电***、用电设备、断路器的多方位提升了用电的安全性与可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的断路器智能监控与保护模块和断路器框图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明提供的断路器智能监控与保护模块，由电压传感器，电流传感器，温度传感器，电能质量芯片，微处理器，电源模块，执行机构和通信模块组成。所述电压传感器、电流传感器和温度传感器将检测的信号发送给所述微处理器和所述电能质量芯片，所述电能质量芯片的输出信号也发送给所述微处理器，所述微处理器将数据处理结果和指令发送给所述执行机构或所述通信模块，所述通信模块为所述微处理器与所述外部设备、终端计算机、APP提供数据、指令的通信与传输，所述电源模块为所述电能质量芯片、微处理器、通信模块、电压传感器、电流传感器和温度传感器供电。

所述电压传感器分别跨接在断路器的三相进线端之间以及断路器的进出线端，用于检测市电电压，断路器动、静触头合闸状态下的通态压降，以及电流开断过程的电弧电压。

所述电流传感器采用霍尔传感器，套接在断路器的三相进线导线上，用于检测流过断路器触头的电流及漏电流。

所述温度传感器连接在断路器的载流导体上，用于检测载流导体温度。

所述电能质量芯片，其输入端与所述电压传感器和所述电流传感器连接，输出端与所述微处理器连接，用于检测电能质量参数，并将电能质量参数输出给所述微处理器。

所述微处理器，用于采集所述电压、电流、温度传感器和电能质量芯片检测到的信号，并基于采集到的信号进一步获得以下信息：负载状态参数、断路器性能参数、用电量、过载状况、温升和电能质量。

进一步地，所述负载状态参数主要包括与所述断路器连接的负载阻抗值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数，以及上述参数的变化。

进一步地，断路器性能参数主要包括断路器接触电阻、导体温升、开断次数、开断电流峰值或有效值、电弧能量、热允通量、燃弧时间、电弧时间常数、电弧能量耗散系数、电弧电压峰值、熄弧电压。

进一步地，所述用电量为与断路器连接支路设备的用电量。

进一步地，所述过载情况主要包括断路器主电流是否出现过载，以及过载运行的时长与次数。

进一步地，所述微处理器获得的所述电能质量主要包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变(谐波)、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性。

进一步地，所述微处理器利用获得的上述信息，对断路器、负载及所在用电***的运行状态和潜在风险进行评估，包括：对用电设备和线路的运行稳定性和健康情况进行评估，对断路器自身的健康状况和剩余寿命进行评估，对用电***的潜在风险进行评估。

进一步地，所述微处理器利用所述负载状态数据，与历史的负载状态对比，通过负载状态的变化、以及与微控制单元中设定的阈值的对比，对用电设备和线路的健康情况进行评估；或利用机器学习算法获取用电设备和线路正常运行的健康特征，并以此为基础对用电设备和线路的健康状况进行评估。

进一步地，所述微处理器利用所述断路器性能参数，与历史的断路器状态参数对比，通过断路器状态参数的变化、以及与微控制单元中设定的阈值的对比，对断路器自身的健康状况和剩余寿命进行评估；或利用机器学习算法获取断路器正常运行的健康特征，并以此为基础对断路器自身的健康状况和剩余寿命进行评估。

进一步地，所述微处理器利用所述过载情况，通过与预先设定的阈值的对比，对用电***的潜在风险进行评估。

所述微处理器将检测到的上述信号数据和评估结果发送给通信模块和执行机构。

所述通信模块将接收到的信号数据和评估结果发送至外接设备或终端计算机、APP；所述通信模块还可接受外部设备或终端计算机、APP的指令，并传送给微处理器或执行机构。

所述执行机构包括继电器单元和断路器的分合闸操作单元，根据微处理器发送的控制指令，执行对断路器的分闸、合闸操作，或断路器合闸状态下的所述继电器单元的开关操作。

所述继电器单元与断路器串联连接。

所述电源模块为所述微处理器、电源模块、执行机构、通信模块供电。

微处理器中预先设定的过载阈值低于断路器热脱扣的过载动作电流值，过载故障时，断路器智能监控与保护模块的执行机构在断路器热脱扣之前动作；而当断路器智能监控与保护模块发生故障时，断路器的热脱扣***起后备保护功能。

微处理器根据采集到的断路器电压和电流信号，判断断路器的分合闸状态；当有电流信号时，断路器为合闸状态；当无电流、有电压时，为分闸状态；当无电流、无电压时，为未通电状态。

Claims (9)

1.一种断路器智能监控与保护模块，其特征在于包括电压传感器、电流传感器、温度传感器、电能质量芯片、微处理器、电源模块、执行机构和通信模块；所述电压传感器分别跨接在断路器的三相进线端之间以及断路器的进出线端，用于检测市电电压，断路器动、静触头合闸状态下的通态压降以及电流开断过程的电弧电压，并将检测的信号发送给所述电能质量芯片和微处理器；所述电流传感器采用霍尔传感器，套接在断路器的三相进线导线上，用于检测流过断路器触头的电流及漏电流，并将检测的信号发送给所述电能质量芯片和微处理器；所述温度传感器连接在断路器的载流导体上，用于检测载流导体温度，并将检测的信号发送给所述微处理器；所述电能质量芯片根据输入的市电电压、电路得到电能质量参数，并将电能质量参数输出给所述微处理器；所述微处理器根据电压传感器、电流传感器、温度传感器和电能质量芯片输入的信号获取负载状态参数、断路器性能参数、用电量、过载状况、温升和电能质量，并利用获得的上述信息，对断路器、负载及所在用电***的运行状态进行监控和潜在风险进行评估，并将评估结果和相应的控制指令发送给所述通信模块，同时给所述执行机构发送相应的控制指令；所述执行机构包括继电器单元和断路器的分合闸操作单元，根据微处理器发送的控制指令，执行对断路器的分闸、合闸操作，或断路器合闸状态下的所述继电器单元的开关操作；所述通信模块为所述微处理器与所述外部设备、终端计算机、APP提供数据、指令的通信与传输；所述电源模块为所述电能质量芯片、微处理器、通信模块、电压传感器、电流传感器和温度传感器供电。

2.根据权利要求1所述的一种断路器智能监控与保护模块，其特征在于所述负载状态参数包括与所述断路器连接的负载阻抗值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数，以及上述参数的变化。

3.根据权利要求1所述的一种断路器智能监控与保护模块，其特征在于所述断路器性能参数包括断路器接触电阻、导体温升、开断次数、开断电流峰值或有效值、电弧能量、热允通量、燃弧时间、电弧时间常数、电弧能量耗散系数、电弧电压峰值、熄弧电压。

4.根据权利要求1所述的一种断路器智能监控与保护模块，其特征在于所述用电量为与断路器连接支路设备的用电量。

5.根据权利要求1所述的一种断路器智能监控与保护模块，其特征在于所述过载情况包括断路器主电流是否出现过载，以及过载运行的时长与次数。

6.根据权利要求1所述的一种断路器智能监控与保护模块，其特征在于所述电能质量包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性。

7.根据权利要求1所述的一种断路器智能监控与保护模块，其特征在于所述微处理器利用获得的上述信息，对断路器、负载及所在用电***的潜在风险进行评估，具体包括：

1、利用所述负载状态数据，与历史的负载状态对比，通过负载状态的变化、以及与微控制单元中设定的阈值的对比，对用电设备和线路的健康情况进行评估；或利用机器学习算法获取用电设备和线路正常运行的健康特征，并以此为基础对用电设备和线路的健康状况进行评估；

2、利用所述断路器性能参数，与历史的断路器状态参数对比，通过断路器状态参数的变化、以及与微控制单元中设定的阈值的对比，对断路器自身的健康状况和剩余寿命进行评估；或利用机器学习算法获取断路器正常运行的健康特征，并以此为基础对断路器自身的健康状况和剩余寿命进行评估；

3、利用所述过载情况，通过与预先设定的阈值的对比，对用电***的潜在风险进行评估。

8.根据权利要求1所述的一种断路器智能监控与保护模块，其特征在于所述微处理器中预先设定的过载阈值低于断路器热脱扣的过载动作电流值，过载故障时，所述的断路器智能监控与保护模块的执行机构在断路器热脱扣之前动作；而当所述的断路器智能监控与保护模块发生故障时，断路器的热脱扣***起后备保护功能。

9.根据权利要求1所述的一种断路器智能监控与保护模块，其特征在于所述微处理器根据采集到的断路器电压和电流信号，判断断路器的分合闸状态：当有电流信号时，断路器为合闸状态；当无电流、有电压时，为分闸状态；当无电流、无电压时，为未通电状态。