CN110445091A - 一种单相灭弧式短路保护器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了单相灭弧式短路保护器，属于断路器技术领域，其技术方案要点是包括连接于电网端与输出负载端之间的IGBT电路，所述IGBT电路包括：负载模块，负载模块用于检测电网端火线与零线之间的电压，包括并联于火线与零线之间的第二电阻；控制模块，控制模块连接于负载模块并且实时检测第二电阻的电压信号，当第二电阻的电压信号发生极具变化时，控制IGBT电路断路，解决了电流传感器需要转换时间，导致电路断路不及时的问题，达到了快速判断单相电路中是否短路并且及时对电路进行断路的效果。
Description
技术领域
本发明涉及断路器技术领域，特别涉及一种单相灭弧式短路保护器。
背景技术
断路器在配电***中不但可以接通和分断正常负荷电流，还可以断开短路故障电流，能够及时有效的切除短路故障，保障电力***安全稳定运行。
传统的断路器在短路时由机械开关自动跳闸将电源供电***断开，由于其内部机械开关的固有特性，其切断电源供电***的时间较长，通常在几十毫秒至数百毫秒之间，因短路处接触电阻小，易导致供电回路的电流急剧增大、供电回路导体的温度急剧上升、短路点产生很强的危险电弧火花，其产生的高温和电弧极易引起火灾或触电等安全事故。
目前有主动灭弧式短路保护装置采用的电流传感器采集电路中的电流，然后把数据提供给数字控制器，通过运算判断是否短路的方法来实现，但这种方案弊端是电流传感器存在转换时间，程序运行需要时间，从短路到切断供电需要几十甚至上百微秒的时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种单相灭弧式短路保护器，具有响应迅速、不受电流传感器转换速度的优点，能够快速对单相电路是否短路做出判断并且及时对电路进行断路。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
单相灭弧式短路保护器，包括连接于电网端与输出负载端之间的IGBT电路，所述IGBT电路包括：负载模块，负载模块用于检测电网端火线与零线之间的电压，负载模块包括并联于火线与零线之间的第二电阻；控制模块，控制模块连接于负载模块并且实时检测第二电阻的电压信号，当第二电阻的电压信号发生极具变化时，控制IGBT电路断路；控制模块包括采样单元、处理单元和通断单元；采样单元用于检测第二电阻两端的电压值并转换成电流信号输出；处理单元连接于采样单元并且响应于采样单元输出的电流信号，处理单元将接收到的电流信号进行处理，当电流信号为正弦波时，输出高电平信号，当电流信号发生急剧变化时，输出低电平信号；通断单元连接处理单元并且响应于处理单元输出的电流信号，当通断单元接收到高电平信号时，控制负载端通路，当通断单元接收到低电平信号时，控制负载端断路；通断单元包括第一三极管、第二三极管、第一二极管和第二二极管，第一三极管的集电极和发射极电连接于火线上，第二三极管的发射极电连接于第一三极管的发射极上，第二三极管的集电极电连接于火线上，第一二极管并联于第一三极管的集电极和发射极，第二二极管并联于第二三极管的集电极和发射极，处理单元电连接于第一三极管和第二三极管的基极，当处理单元向第一三极管和第二三极管的基极输出高电平时第一三极管和第二三极管的集电极和发射极导通，当处理单元向第一三极管和第二三极管的基极输出低电平时第一三极管和第二三极管的集电极和发射极截止。
通过采用上述方案，在IGBT电路正常工作时，第二电阻两边电压稳定，采样单元检测第二电阻两端的电压值并将其转换成电流信号输出给处理单元，处理单元将电流信号处理后输出高电平信号给第一三极管和第二三极管的基极，第一三极管和第二三极管导通，使电路正常工作，当电路发生短路时，第二电阻的电压值发生急剧变化，处理单元输出低电平信号给第一三极管和第二三极管的基极，使第一三极管和第二三极管截止，使整个电路断路，由于不需要电流传感器，所以短路保护器能够快速对电路的短路进行反应，并且及时对电路进行断路，达到保护电力***安全稳定运行的效果。
较佳的，所述采样单元包括电连接于第二电阻两端的运算放大器；所述处理单元包括依次串联的数字芯片和门控制光电耦合器，数字芯片电连接于运算放大器的输出端，门控制光电耦合器的输出端电连接于第一三极管和第二三极管的基极。
通过采用上述方案，运算放大器将第二电阻两端的电压值放大成电流值输出给数字芯片，数字芯片处理后控制门控制光电耦合器输出高电平信号或低电平信号。
较佳的，在第二电阻两端电连接有第一双向TVS管。
通过采用上述方案，第一双向TVS管能够在第二电阻两边的电压值迅速抬升的时候被击穿，短路第二电阻，起到保护电路的作用。
较佳的，在运算放大器的两个输入端之间并联有第一电容。
通过采用上述方案，第一电容能够对进入运算放大器的电压信号进行滤波，使运算放大器的放大结果更加准确。
较佳的，在运算放大器的输出端电连接有第二电容，第二电容另一端接地。
通过采用上述方案，第二电容能够将运算放大器输出的杂波通到地，使运算放大器输出的波形更加稳定，结果更加精确。
较佳的，在运算放大器的输出端电连接有第二双向TVS管，第二双向TVS管另一端电连接有3.3V电源。
通过采用上述方案，由于运算放大器的输出端要连接数字芯片，数字芯片无法承受高于3.3V电压的电流，第二双向TVS管能够防止高于3.3V电压的电流进入数字芯片，起到保护数字芯片的作用。
较佳的，在运算放大器的输出端电连接有第三双向TVS管，第三双向TVS管另一端接地。
通过采用上述方案，由于运算放大器的输出端要连接数字芯片，数字芯片无法承受低于0V电压的电流，第三双向TVS管能够防止低于0V电压的电流进入数字芯片，起到保护数字芯片的作用。
较佳的，在门驱动光电耦合器输出端连接有选频电路，选频电路包括串联于门驱动光电耦合器的输出端的第九电阻、并联于第九电阻两端并且相互串联的第十电阻和第四电容，第十电阻和第四电容之间并联有负9V电源。
通过采用上述方案，门驱动光电耦合器输出的驱动信号经过选频电路，只有符合既定波形的驱动信号能够通过选频电路，起到去除门驱动光电耦合器输出杂波的作用。
较佳的，所述门驱动光电耦合器的输出端连接有开关电路，所述开关电路包括：依次设置的正15V电源、第三三极管、第四三极管和负9V电源，第三三极管的基极电连接于门驱动光电耦合器的输出端，第三三极管的集电极电连接于正15V电源，第三三极管的发射极电连接于第四三极管的集电极，第四三极管的基极电连接于门驱动光电耦合器的输出端，第四三极管的发射极电连接于负9V电源，第三三极管的发射极电连接于第一三极管和第二三极管的基极。
通过采用上述方案，当门驱动光电耦合器输出的驱动信号为高电平时，第三三极管和第四三极管导通，输出高电平信号给第一三极管和第二三极管的基极，当门驱动光电耦合器输出的驱动信号为低电平时，第三三极管和第四三极管关断，不输出信号，达到控制IGBT电路的效果。
较佳的，所述门驱动光电耦合器电连接有稳压电路，稳压电路包括第六电容、第七电容和第八电容，第六电容和第七电容串联于正15V电源和负9V电源之间，第八电容并联于第六电容和第七电容两端，第六电容与第七电容之间接地。
通过采用上述方案，门驱动光电耦合器需要对正15V电源和负9V电源进行稳压去杂波，使供电稳定，确保电路正常运转。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1. 在IGBT电路正常工作时，第二电阻两边电压稳定，采样单元检测第二电阻两端的电压值并将其转换成电流信号输出给处理单元，处理单元将电流信号处理后输出高电平信号给第一三极管和第二三极管的基极，第一三极管和第二三极管导通，使电路正常工作，当电路发生短路时，第二电阻的电压值发生急剧变化，处理单元输出低电平信号给第一三极管和第二三极管的基极，使第一三极管和第二三极管截止，使整个电路断路，由于不需要电流传感器，所以短路保护器能够快速对电路的短路进行反应，并且及时对电路进行断路，达到保护电力***安全稳定运行的效果；
2.门驱动光电耦合器输出的驱动信号经过选频电路，只有符合既定波形的驱动信号能够通过选频电路，起到去除门驱动光电耦合器输出杂波的作用；
3. 门驱动光电耦合器需要对正15V电源和负9V电源进行稳压去杂波，使供电稳定，确保电路正常运转。
附图说明
图1是实施例中IGBT电路的整体电路示意图；
图2是实施例中运算放大器电路的电路示意图；
图3是实施例中数字芯片电路的电路示意图；
图4是实施例中门驱动光电耦合器的电路示意图；
图5是实施例中稳压电路的电路示意图。
图中，1、负载模块；2、控制模块；21、采样单元；211、运算放大器；22、处理单元；221、数字芯片；222、门驱动光电耦合器；2221、选频电路；2222、开关电路；2223、稳压电路；23、通断单元；R1、第一电阻；R2、第二电阻；R3、第三电阻；R4、第四电阻；R5、第五电阻；R6、第六电阻；R7、第七电阻；R8、第八电阻；R9、第九电阻；R10、第十电阻；D1、第一二极管；D2、第二二极管；D3、第一双向TVS管；D4、第二双向TVS管；D5、第三双向TVS管；Q1、第一三极管；Q2、第二三极管；Q3、第三三极管；Q4、第四三极管；C1、第一电容；C2、第二电容；C3、第三电容；C4、第四电容；C5、第五电容；C6、第六电容；C7、第七电容；C8、第八电容；L、火线；N、零线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例：一种单相灭弧式短路保护器，如图1所示，包括连接于电网端和输出负载端之间的IGBT电路，TGBT电路包括负载模块1和控制模块2。负载模块1连接于电网端，负载模块1用来实时检测电网端火线L与零线N之间的电压值并且输出；控制模块2连接于负载模块1与电网端之间，并且控制模块2检测负载模块1输出的电压值，当电路发生短路时，控制模块2能够快速控制电路断路，起到保护电力设备安全的作用。
如图1所示，负载模块1包括并联于零线N与火线L之间的第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3相互串联，在第二电阻R2两端并联有第一双向TVS管D3。控制模块2通过检测第二电阻R2两端的电压值来判断电路是否短路，第一双向TVS管D3在第二电阻R2两端的电压值迅速抬高的时候能够被击穿，短路第二电阻R2，起到保护电路的效果。
如图1和图2所示，控制模块2包括依次连接的采样单元21、处理单元22和通断单元23，采样单元21包括运算放大器211，处理单元22包括依次串联的数字芯片221(参见图3)和门驱动光电耦合器222(参见图4)，通断单元23包括第一三极管Q1和第二三极管Q2，第一三极管Q1和第二三极管Q2串联于火线L上，运算放大器211将第二电阻R2两端的电压值转化成电流信号并放大，传递给数字芯片221，数字芯片221经过处理后传递给门驱动光电耦合器222，门驱动光电耦合器222根据数字芯片221传递的电流信号向第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极输出高电平信号或低电平信号，从而控制电路的通断。
如图2所示，运算放大器211的正、负输入端之间并联有第一电容C1，在运算放大器211的负向输入端电连接有第四电阻R4，在运算放大器211的正向输入端电连接有第五电阻R5，运算放大器211的正向输入端和第五电阻R5之间并联有第七电阻R7，运算放大器211的负向输入端与输出端之间并联有第六电阻R6，运算放大器211的输出端电连接有第八电阻R8，第八电阻R8另一端电连接有第二电容C2，第二电容C2另一端接地。运算放大器211的正、负输入端并联于第二电阻R2两端，运算放大器211接收第二电阻R2两端的电压信号，通过第一电容C1将杂波过滤掉，然后运算放大器211将接收的电压信号转换成电流信号输出并放大，第二电容C2将运算放大器211输出的电流信号中的杂波传递给地过滤掉，保证运算放大器211输出的电流信号稳定。
如图2和图3所示，第八电阻R8电连接有第二双向TVS管D4，第二双向TVS管D4另一端电连接有3.3V模拟电压，第八电阻R8还电连接有第三双向TVS管D5，第三双向TVS管D5另一端接地，运算放大器211的输出端要连接数字芯片221，数字芯片221不能接受电压高于3.3V或者低于0V的电流，第二双向TVS管D4和第三双向TVS管D5能够在运算放大器211输出的驱动信号的电压高于3.3V或低于0V时被击穿，保护数字芯片221。
如图3和图4所示，数字芯片221的型号为STM32F103VCT6，第八电阻R8电连接于数字芯片221的16号管脚，门驱动光电耦合器222的型号为HCPL-316J，数字芯片221的81号管脚电连接于门驱动光电耦合器222的1号管脚。运算放大器211输出的驱动信号通过数字芯片221的16号管脚进入数字芯片221内进行处理，数字芯片221将处理后的驱动信号从81号管脚输出并且从门驱动光电耦合器222的1号管脚进入门驱动光电耦合器222内进行处理。
如图4所示，门驱动光电耦合器222的13号管脚和12号管脚电连接有正15V电源，门驱动光电耦合器222的9号管脚和10号管脚电连接有负9V电源，正15V电源和负9V电源给门驱动光电耦合器222供电。门驱动光电耦合器222的11号管脚依次连接有选频电路2221和开关电路2222，门驱动光电耦合器222由1号管脚接收驱动信号，经过处理后由11号管脚输出。
如图4所示，选频电路2221包括第九电阻R9、第十电阻R10和第四电容C4，第九电阻R9电连接于门驱动光电耦合器222的11号管脚，第十电阻R10和第四电容C4并联于第九电阻R9两端，在第十电阻R10和第四电容C4之间并联有负9V电源。选频电路2221能够将门驱动光电耦合器222输出的驱动信号中的杂波去掉，只留特定频率的驱动信号通过。
如图1和图4所示，开关电路2222包括相互串联的第三三极管Q3和第四三极管Q4，第九电阻R9电连接于第三三极管Q3和第四三极管Q4的基极，第三三极管Q3的集电极电连接有正15V电源，第三三极管Q3的发射极电连接于第四三极管Q4的集电极，第四三极管Q4的发射极电连接有负9V电源，第三三极管Q3的发射极电连接于第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极。门驱动光电耦合器222输出的驱动信号为直流电，当门驱动光电耦合器222输出高电平信号时，第三三极管Q3和第四三极管Q4导通，输出高电平信号给第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极，来控制第一三极管Q1和第二三极管Q2导通。当门驱动光电耦合器222输出低电平信号时，第三三极管Q3和第四三极管Q4关断，不输出信号，使第一三极管Q1和第二三极管Q2关断。第一三极管Q1的发射极电连接于第二三极管Q2的发射极，在第一三极管Q1的发射极和集电极两端并联有第一二极管D1，第一二极管D1由第一三极管Q1的发射极向集电极导通，第二三极管Q2的发射极和集电极两端并联有第二二极管D2，第二二极管D2有第二三极管Q2的发射极向集电极导通，电网的正向电流经过第一三极管Q1和第二二极管D2由电网端流到输出负载端，电网的负向电流经过第二三极管Q2和第一二极管D1由输出负载端流到电网端，当第一三极管Q1和第二三极管Q2截止时，整个电路断路，实现保护。
如图4和图5所示，在门驱动光电耦合器222的正15V电源和负9V电源之间连接有稳压电路2223，稳压电路2223包括第六电容C6、第七电容C7和第八电容C8，第六电容C6和第七电容C7串联于正15V电源和负9V电源之间，第八电容C8并联于第六电容C6和第七电容C7两端，在第六电容C6和第七电容C7之间接地设置。稳压电路2223能够对正15V电源和负9V电源进行稳压去杂波，保证正15V电源和负9V电源输出波形稳定。
使用方式：当电路正常运行时，正向电流经过第一三极管Q1和第二二极管D2由电网端流到输出负载端，负向电流经过第二三极管Q2和第一二极管D1由输出负载段流到电网端，此时第二电阻R2两端的电压是按照50HZ的正弦变化的，电压稳定，第二电阻R2两端的电压信号经过第一电容C1滤波后进入运算放大器211内，运算放大器211将电压信号转换成驱动信号并且放大，运算放大器211输出的驱动信号经过第二电容C2滤波由数字芯片221的16号管脚进入数字芯片221内进行处理，数字芯片221由81号管脚输出高电平的驱动信号经过门驱动光电耦合器222的1号管脚进入门驱动光电耦合器222内进行处理，门驱动光电耦合器222由11号管脚输出高电平的驱动信号，经过选频电路2221将杂波过滤，然后输入到第三三极管Q3和第四三极管Q4的基极，通过控制第三三极管Q3和第四三极管Q4导通来控制第一三极管Q1和第二三极管Q2导通，使电路正常运行。
当电路出现短路时，第二电阻R2两端的电压值发生极具变化，数字芯片221输出低电平的驱动信号并传递给门驱动光电耦合器222，门驱动光电耦合器222输出低电平的驱动信号给第三三极管Q3和第四三极管Q4，第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极不接受信号，使第一三极管Q1和第二三极管Q2截止，使电路断路，起到保护电力***安全稳定运行的效果。由于仅通过检测第二电阻R2两端的电压值再经过数字芯片221和门驱动光电耦合器222处理即可控制电路断路，判断速度快，成本低，能够及时对电路进行断路保护。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种单相灭弧式短路保护器，其特征在于，包括连接于电网端与输出负载端之间的IGBT电路，所述IGBT电路包括：
负载模块(1)，负载模块(1)用于检测电网端火线(L)与零线(N)之间的电压，负载模块(1)包括并联于火线(L)与零线(N)之间的第二电阻(R2)；
控制模块(2)，控制模块(2)连接于负载模块(1)并且实时检测第二电阻(R2)的电压信号，当第二电阻(R2)的电压信号发生极具变化时，控制IGBT电路断路；
控制模块(2)包括采样单元(21)、处理单元(22)和通断单元(23)；采样单元(21)用于检测第二电阻(R2)两端的电压值并转换成电流信号输出；处理单元(22)连接于采样单元(21)并且响应于采样单元(21)输出的电流信号，处理单元(22)将接收到的电流信号进行处理，当电流信号为正弦波时，输出高电平信号，当电流信号发生急剧变化时，输出低电平信号；通断单元(23)连接处理单元(22)并且响应于处理单元(22)输出的电流信号，当通断单元(23)接收到高电平信号时，控制负载端通路，当通断单元(23)接收到低电平信号时，控制负载端断路；通断单元(23)包括第一三极管(Q1)、第二三极管(Q2)、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)，第一三极管(Q1)的集电极和发射极电连接于火线(L)上，第二三极管(Q2)的发射极电连接于第一三极管(Q1)的发射极上，第二三极管(Q2)的集电极电连接于火线(L)上，第一二极管(D1)并联于第一三极管(Q1)的集电极和发射极，第二二极管(D2)并联于第二三极管(Q2)的集电极和发射极，处理单元(22)电连接于第一三极管(Q1)和第二三极管(Q2)的基极，当处理单元(22)向第一三极管(Q1)和第二三极管(Q2)的基极输出高电平时第一三极管(Q1)和第二三极管(Q2)的集电极和发射极导通，当处理单元(22)向第一三极管(Q1)和第二三极管(Q2)的基极输出低电平时第一三极管(Q1)和第二三极管(Q2)的集电极和发射极截止。
2.根据权利要求1所述的一种单相灭弧式短路保护器，其特征在于，所述采样单元(21)包括电连接于第二电阻(R2)两端的运算放大器(211)；
所述处理单元(22)包括依次串联的数字芯片(221)和门控制光电耦合器(222)，数字芯片(221)电连接于运算放大器(211)的输出端，门控制光电耦合器(222)的输出端电连接于第一三极管(Q1)和第二三极管(Q2)的基极。
3.根据权利要求1所述的一种单相灭弧式短路保护器，其特征在于：在第二电阻(R2)两端电连接有第一双向TVS管(D3)。
4.根据权利要求2所述的一种单相灭弧式短路保护器，其特征在于：在运算放大器(211)的两个输入端之间并联有第一电容(C1)。
5.根据权利要求2所述的一种单相灭弧式短路保护器，其特征在于：在运算放大器(211)的输出端电连接有第二电容(C2)，第二电容(C2)另一端接地。
6.根据权利要求2所述的一种单相灭弧式短路保护器，其特征在于：在运算放大器(211)的输出端电连接有第二双向TVS管(D4)，第二双向TVS管(D4)另一端电连接有3.3V电源。
7.根据权利要求2所述的一种单相灭弧式短路保护器，其特征在于：在运算放大器(211)的输出端电连接有第三双向TVS管(D5)，第三双向TVS管(D5)另一端接地。
8.根据权利要求2所述的一种单相灭弧式短路保护器，其特征在于，在门驱动光电耦合器(222)输出端连接有选频电路(2221)，选频电路(2221)包括串联于门驱动光电耦合器(222)的输出端的第九电阻(R9)、并联于第九电阻(R9)两端并且相互串联的第十电阻(R10)和第四电容(C4)，第十电阻(R10)和第四电容(C4)之间并联有负9V电源。
9.根据权利要求2所述的一种单相灭弧式短路保护器，其特征在于，所述门驱动光电耦合器(222)的输出端连接有开关电路(2222)，所述开关电路(2222)包括：
依次设置的正15V电源、第三三极管(Q3)、第四三极管(Q4)和负9V电源，第三三极管(Q3)的基极电连接于门驱动光电耦合器(222)的输出端，第三三极管(Q3)的集电极电连接于正15V电源，第三三极管(Q3)的发射极电连接于第四三极管(Q4)的集电极，第四三极管(Q4)的基极电连接于门驱动光电耦合器(222)的输出端，第四三极管(Q4)的发射极电连接于负9V电源，第三三极管(Q3)的发射极电连接于第一三极管(Q1)和第二三极管(Q2)的基极。
10.根据权利要求9所述的一种单相灭弧式短路保护器，其特征在于：所述门驱动光电耦合器(222)电连接有稳压电路(2223)，稳压电路(2223)包括第六电容(C6)、第七电容(C7)和第八电容(C8)，第六电容(C6)和第七电容(C7)串联于正15V电源和负9V电源之间，第八电容(C8)并联于第六电容(C6)和第七电容(C7)两端，第六电容(C6)与第七电容(C7)之间接地。
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