一種多/單極低壓智能斷路器的製作方法
2023-04-30 18:22:41
專利名稱：一種多/單極低壓智能斷路器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種智能控制低壓電源開啟和斷開用的開關裝置，尤其是具有數字保護、自動控制和通訊功能的低壓開關設備，屬於低壓電氣設備領域。
背景技術：
當前我們國家提出了發展智能化電網的概念，其中也包括低壓電網的智能化，而低壓電網的智能化最重要部分是低壓斷路器的智能化，智能化低壓斷路器必須同時具有數字保護、自動控制和通訊功能。目前，我國正朝著這一方向前進，各大專業低壓電器廠家和科研院所做了許多的創新工作，如正泰的NB7系列電器、上電科的VB60系列電器等產品， 所有這些產品都還屬於低壓智能化斷路器的初級階段，僅具有一般的保護功能和選擇性功能，不具有全面的保護功能、完善的控制功能和可靠的通訊功能。且這些斷路器都還停留在機械的操作方式上，還使用電磁原理的保護。因此從使用、控制、保護功能上看，這些產品都未能取得重大的突破和創新，還不具有真正意義上的智能化，此類斷路器還不能稱之為智能化斷路器。另外，當前市面上使用的低壓斷路器還普遍存在以下幾個方面的不足。1、保護單一，斷路器只有電流保護，如要增加其他保護功能，則必須增加專用保護單元。2、保護方式為電磁式，保護精度不高、不靈敏，且無法實現保護定值的自由設置， 保護投退的自由設定。3、斷路器異常或跳閘，不能及時發出聲、光、文字等報警信息。4、沒有可靠的通訊功能，不能自我整斷和在線監測。5、控制方式為就地，只能現場手動控制分合斷路器，不具有遠方或者遙控功能，且控制方式為機械方式。6、斷路器固定方式為二維方式，不便於固定和規整，安裝後容易鬆動變形。7、跳間速度固定，並不可以根據故障電流大小自由設定跳閘速度。
發明內容本實用新型的目的是提供一種多/單極低壓智能斷路器，即為實現數字保護、自動控制和通訊功能的全面智能化提供一種可實際應用的載體，且體積小，使用與安裝都很方便。第一個技術方案是殼體主體由左、右端蓋和標準中間模塊構成，標準中間模塊數量為1件或1件以上，左、右端蓋的寬度是標準中間模塊寬度的二分之一，鉚/螺杆將左、 右端蓋和標準中間模塊聯成一體；殼體內腔裝有主電路板和控制電路板，主電路板上設置有電流、電壓、零序互感器、溫度傳感器、儲能電容器、電磁開關及安裝其上的霍爾傳感器， 控制電路板上裝有MCU處理器及通訊插座，殼體正面設置有操作按鈕和紅、綠指示燈，殼體上、下側面中部分別嵌有電源輸入/出接線柱，左、右端蓋上分別固定有與控制電路板相連的標準通訊接口。標準中間模塊上側面下部有2個三角形凸吻及位於凸吻兩側的梯形凹位，左、右端蓋上側面下部亦分別有一個三角形凸吻及位於凸吻兩側的梯形凹位，三維立體固定座上端與三角形凸吻對應的三角形凹位及梯形凸楞，標準中間模塊、左、右端蓋下側面下部分別有插鎖插入用的槽孔，三維立體固定座上有安裝孔。智能斷路器外殼採用模塊化、標準化設計，斷路器由左端蓋、幾個標準中間塊、右端蓋組成，即所有斷路器都為左中右結構，其組成部件可以通用互換。接出接線方式和現有斷路器的接線方式類似，通過模塊的組合銜接將金屬接線端固定在斷路器內部，進出線接線端位置還是設置在斷路器上下側面上。各部件相互之間採用鉚杆或螺杆連接，將多個標準中間模塊組合成一個斷路器整體。斷路器的正面有燈光指示、操作按鈕，指示燈用來指示斷路器的分合狀態，紅色燈指示斷路器在合間狀態，綠色燈指示斷路器在分間狀態，在故障情況下指示燈閃亮，用以提醒斷路器有故障或發生了跳閘，需要處理和確認信號。操作按鈕用來執行斷路器現場的分合閘操作，以及故障信號的復歸。斷路器左、右端蓋上分別有標準通訊接口，為使通訊接插件標準化，任何極數的斷路器標準通訊接口與端蓋邊的距離相等，所有通訊接插件為一種規格。斷路器底座為採用標準化設計的三維立體固定座，其上有三角形凹位及梯形凸楞，標準中間模塊和左、右端蓋上側下部相應有三角形凸吻及梯形凹位，用於與三維立體固定座上的凹位及凸楞配合，將斷路器緊密牢靠固定在底座上。斷路器正面下方底部設有固定用的插鎖，抽出和推入插鎖，就可以鎖住或解鎖斷路器。智能斷路器內部採用通腔設計，以便於電路板的安裝和布置，內部裝配兩塊電路板，一塊為裝配電磁開關、電流及電壓互傳感器的主電路板，一塊為裝配MCU和通訊插口的控制電路板。智能斷路器控制電路以數字處理器MCU為核心，其內部配有程序和數據存儲器單元，外部配有CAN總線通訊單元，使用專用電源模塊供電。輸入信號部分包括電流互感器、 電壓互感器、零序互感器、溫度傳感器、霍爾傳感器、分合間控制等信號，電流互感器用來採集主電路中的電流數據，供MCU計算處理，為實現三段電流保護提供依據，電壓互感器用來採集主電路中的電壓數據，供MCU計算處理，為實現二段電壓保護提供依據，同時也作為判別斷路器分合閘的判據之一，零序互感器用來採集電路中的漏電電流參數，供MCU計算處理，為實現一段漏電保護提供依據，溫度傳感器用來採集斷路器內部空間的溫度參數，供 MCU計算處理，作為斷路器的後備保護和故障報警信號的依據，霍爾傳感器用採集斷路器內電磁開關的實際位置和分合閘速度，供MCU計算處理，為實現斷路器準確的狀態指示提供機械式數據。分合閘控制按鈕信號用來控制斷路器的分合閘，供MCU計算處理，為實現斷路器的就地分合閘操作提供信號來源，所有信號輸入MCU前都必須經過整形和濾波，便於處理器採集和使用。MCU先將模擬信號轉換為數位訊號，接著根據預定程序要求計算，並將計算的結果存入存儲器中，然後按照程序預定的邏輯關係把存儲值與整定值比較，如果滿足邏輯關係設置的各項條件，處理器則輸出一個電平信號，此信號經過功率放大，用以驅動電磁開關跳閘。如果不能滿足邏輯關係設置的各項條件，則處理器的工作程序會返回到採集輸入信號狀態，重新計算下一時間段採集的數據，然後再作邏輯分析，如此周而復始，從不間斷。斷路器內所有保護定值可以通過通訊聯絡的方式，在異地使用有人機互動界面的中間控制裝置和PC機自由設置，也可自由設置保護的投退，以及查詢斷路器發出的文字報警信息。為了保障漏電保護的高可靠性，專門設置了漏電保護的實驗檢測電路，由MCU控制定期試驗整個電路，包括傳感器、MCU、放大驅動電路、電磁開關線圈等部分。輸出電路部分包括電磁開關驅動電路，由MCU提供驅動信號，驅動由MOS器件組成的直流換向電路和功率放大電路，並最終驅動電磁開關內部的觸頭運動實現斷路器的分、合閘操作，驅動能源由儲能電容器提供。指示燈驅動電路由MCU提供信號，驅動兩隻LED 紅、綠指示燈來顯示斷路器的合、分狀態，燈光閃亮表示斷路器有故障或跳間；通訊驅動電路，由MCU驅動CAN總線控制器與上級控制器或PC機進行雙向通訊聯繫。智能斷路器的控制執行部件為電磁開關，電磁開關是201020173157. 1號實用新型專利提供的電磁驅動真空開關，其動作原理請參看專利說明書。智能斷路器的控制、保護、通訊程序軟體，固化在MCU晶片中，以便於完成各項控制、保護、通訊功能，全面實現斷路器的數位化、智能化。第二個技術方案是殼體主體由左、右端蓋組成，左、右端蓋上側面分別有豁口，豁口內嵌有中間塞塊，鉚/螺杆將左、右端蓋聯成一體；殼體內腔裝有主電路板和控制電路板，主電路板上設置有電流、電壓、零序互感器、溫度傳感器、儲能電容器、電磁開關及安裝其上的霍爾傳感器，控制電路板上裝MCU處理器及通訊插座，殼體正面設置有操作按鈕和紅、綠指示燈，殼體下側面中部嵌有一個電源輸出接線柱，中間塞塊與左、右端蓋結合處分別嵌有電源輸入接線柱，左、右端蓋上分別固定有與控制電路板相連的標準通訊接口。左、 右端蓋上側面下部分別有三角形凸吻及位於凸吻兩側的梯形凹位，三維立體固定座上端有與三角形凸吻對應的三角形凹位及梯形凸楞，左、右端蓋下側面下部分別有供插鎖插入用的槽孔，三維立體固定座上有安裝孔。本實用新型的優點如下1、體積小，結構緊湊，固定可靠，採用標準化、模塊化設計，方便使用和安裝。2、操作簡單可靠，狀態識別清晰明了，具有就地和遠方操作功能。3、保護功能強大完備，設有包括電流三段、電壓兩段、零序、斷相等保護，還可以設置高可靠性的多條件的複合保護，所有保護的啟動量和動作時間均可自由設置，所有保護的投入或退出均可自由設置。4、全部滿足微機保護的選擇性、快速性、靈敏性、可靠性要求。5、具有自我診斷功能，能定時檢測控制、驅動、電源、通訊等電路是否良好。6、具有實時的通訊功能和定期實驗漏電保護功能。7、具有在線檢測電流、電壓、溫度、位置的功能，並根據故障電流大小來確定分斷速度的功能。8、具有遠方在線查看報警信息的功能，修改保護定值的功能，以及設定保護投退的功能。總之，真正實現了數字保護、自動控制和通訊功能的全智能化。
圖1是兩極低壓智能斷路器三維圖。圖2是兩極低壓智能斷路器底座部分結構分解示意圖。[0034]圖3是低壓智能斷路器電路框圖。圖4是低壓智能斷路器漏電保護自動檢驗電路圖。圖5是三極低壓智能斷路器外觀圖。圖6是四極低壓智能斷路器外觀圖。圖7是單極低壓智能斷路器外觀圖(從上往下看)。圖8是單極低壓智能斷路器外觀圖(從下往上看)。圖9是單極低壓智能斷路器結構分解示意圖。圖10是單極低壓智能斷路器底座部分結構分解示意圖。圖11是201020173157. 1號專利提供的電磁開關三維圖
具體實施方式
實施例一兩極低壓智能斷路器如圖1所示，本實施例殼體由左、右端蓋14、7和1件標準中間模塊1構成，左、右端蓋14、7的寬度是標準中間模塊1寬度的二分之一，鉚/螺杆12將左、右端蓋和板準中間模塊聯成一體；殼體內腔裝有主電路板5和控制電路板3，主電路板5上設置有電流、電壓、 零序互感器、溫度傳感器、儲能電容器、電磁開關4及安裝其上的霍爾傳感器，控制電路板3 上裝有MCU處理器2及通訊插座，殼體正面設置有操作按鈕8和紅、綠指示燈10、15，殼體上、下側中部分別嵌有電源輸入/出接線柱21、11，左、右端蓋14、7上分別有與控制電路板 3相連的標準通訊接口 9。本實施例的電磁開關為兩極，輸出接線柱為兩個。如圖2所示，標準中間模塊1上側面下部有2個三角形凸吻16及位於凸吻兩側的梯形凹位17，左、右端蓋14、7上側面下部亦分別有一個三角形凸吻16及位於凸吻兩側的梯形凹位17，三維立體固定座6上端有與三角形凸吻16對應的三角形凹位61及梯形凸楞 62，標準中間模塊1、左、右端蓋14、17下側面下部分別有供插鎖13插入用的槽孔22，三維立體固定座6上有安裝孔63。安裝時，首先將三維固定座6用螺絲固定在配電箱內，再將整個斷路器安裝在三維立體固定座6上，通過三維立體固定座6上的三角形凹位61與凸吻 16的配合實現斷路器的橫向固定，斷路器的縱向和高度固定由三維立體固定座6上的梯形凸楞62與梯形凹位17配合完成，最後通過插鎖13將整個斷路器鎖住。從上可以看出，斷路器可實現標準化安裝與三維固定。下面結合圖3說明本發明的工作原理。本發明以MCU處理器為核心，正常情況下給智能斷路器充電，MCU處理器將迅速啟動，先是檢測MCU處理器內部電路和程序，然後檢測各個硬體的功能是否正常，之後給儲能電容充電，最後檢測合閘迴路是否正常，全部正常時綠燈亮、紅燈滅，斷路器處於分斷狀態。就地或者遠方發出合上斷路器指令，MCU處理器執行合閘操作命令，驅動儲能電容向電磁開關的電感線圈放電實現電磁開關的合閘。此時綠燈滅、紅燈亮。當電路發生故障，各種傳感器將故障信號傳送給MCU處理器，進行處理和判斷，用故障數值與設定定值進行比較，當大於設定定值時處理器啟動跳間程序，驅動儲能電容向電磁開關的電感線圈反向放電，實現電磁開關的分閘操作，迅速將故障部分從電網中切除，實現低壓電網的安全可靠運行。如果是大電流故障，MCU還將通過判斷電流的大小， 來控制驅動信號的波形的寬窄度，來實現斷路器的快速分閘操作，切斷主電路，實現零電弧分斷操作，以達到保護斷路器本體和觸頭的目的，此時綠燈閃亮、紅燈滅，用戶必須在就地按一下操作按鈕才能將信號復歸，綠燈停止閃亮，接著再按一個按鈕才能合上斷路器。如果是遠方控制合上斷路器，則閃亮信號自動復歸。斷路器在合閘位置，並且紅燈閃亮時，可以遠方查看報警信息，並復歸信號，這樣就不影響斷路器的分合閘狀態，就地只能接下操作按鈕，將斷路器分閘，紅燈熄滅，同時實現閃亮信號的復歸。在智能斷路器的信號復歸上，以遠方復歸為主，這樣斷路器能提供較多的信息，包括報警文字信息，以便正確了解和掌握斷路器的運行情況，安全用電。如圖4所示，本實施例在控制電路板3上設置有漏電保護自動檢驗電路，即MCU處理器的一組輸出腳連接固態繼電器J，固態繼電器J輸出端經電阻R1連接在到220V電源上， 零序互感器TO輸出端連接到低功耗運放集成塊IC5上，低功耗運放集成塊IC5輸出端連接 MCU處理器，MCU處理器的另三組輸出腳分別連接電壓驅動集成塊ICp IC2, IC3,電壓驅動集成塊IC3兩個輸出腳分別連接MOS場效應管仏、％柵極，電壓驅動集成塊IC2兩個輸出腳分別連接MOS場效應管仏力4柵極，電壓驅動集成塊IC1輸出腳連接MOS場效應管A柵極；儲能電容C正極與MOS場效應管Q1, Q3漏極相連，電感線圈L的一端連接MOS場效應管仏源極、A漏極，其另一端連接MOS場效應管A源極、A漏極，電阻&的一端與MOS場效應管％、 Q4源極、MOS場效應管％漏極相連，電阻&另一端與電阻R3、穩壓二極體\負極相連，電阻 R3的另一端與MOS場效應管％源極、穩壓二極體\正極、電容C負極相連，穩壓二極體Z1 負極連接光電耦合器IC4輸入端，光電耦合器IC4輸出端連接MCU處理器。在本實施例中， MCU 型號為 MSP430F233, IC1-IC3 型號為 IR2110, IC4 型號為 JC817, IC5 型號為 LM324,固態繼電器J的型號為JGX-6FA，Q1-Q5型號為IRF640S。產品可由廠家或用戶自行設定多長時間自動檢測漏電保護一次。當斷路器在合閘位置，並且主電路中有電壓且又到檢驗時間時，MCU發出一個脈衝檢驗信號使固態繼電器 J常開接點閉合，經電阻札使220V交流電源接通，隨後又快速打開，人為地製造一個短時間漏電電流，零序互感器TO檢驗到漏電信號，傳送給低功耗運放集成塊IC5,信號經放大後輸入給MCU進行處理、計算，然後與設定定值比較，大於設定值後，發出檢驗分間驅動電路的指令，MCU啟動電壓驅動集成塊IC1-IC3,斷開MOS管仏、Q4, Q5,閉合MOS管Q3、Q2,使儲能電容C的電源從正極開始，經過MOS管Q3、電感線圈L、MOS管Q2、電壓形成電阻R2、R3流回到電容C負極，在電阻民上產生一個3V左右的電壓，此電壓經IC4隔離輸入給MCU，與標準值比較後，最終判斷漏電保護迴路是否良好，不正常發出燈光和文字報警信號。試驗過程中嚴格控制電路的檢測波形，確保試驗電壓低於5V，並選擇合適的電阻，以阻礙大電流通過，使試驗電路的信號功率只為正常操作的0. 5%，確保試驗中不驅動電磁開關跳閘。Z1為穩壓二極體，用來保護採樣電壓的數值在一定的數值範圍內。實施例二三極低壓智能斷路器如圖5所示，本例與實施例一基本相同，不同的是殼體由左、右端蓋14、7和2件標準中間模塊1組成，其電磁開關為三級，輸出接線柱為三個。實施例三如圖6所示，本例與實施例一基本相同，不同的是殼體由左、右端蓋14、7和4件標準中間模塊1組成，其電磁開關為四極，輸出接線柱為四個。實施例四單極低壓智能斷路器如圖7-10所示，本實施例的殼體由左、右端蓋18、19組成，左、右端蓋18、19上側面上分別有豁口，豁口內嵌有中間塞塊20，鉚/螺杆12將左、右端蓋聯成一體；殼體內腔裝有主電路板5和控制電路板3，主電路板5上設置有電流、電壓、零序互感器、溫度傳感器、儲能電容器、電磁開關4及安裝其上的霍爾傳感器，控制電路板3上裝有MCU處理器2及通訊插座，殼體正面設置有操作按鈕8和紅、綠指示燈10、15，殼體下側面中部嵌有一個電源輸出接線柱11，中間塞塊20與左、右端蓋18、19結合處分別嵌有電源輸入接線柱21，左、右端蓋18、19上分別固定有與控制電路板3相連的標準通訊接口 9。在本實施例中，左、右端蓋18、19上側面下部分別有三角形凸吻16及位於凸吻兩側的梯形凹位17，三維立體固定座6上端有與三角形凸吻對應的三角形凹位61及梯形凸楞 62，左、右端蓋18、19下側面下部分別有供插鎖13插入用的槽孔22，三維立體固定座6上有安裝孔63。本實施例與例一一樣，也設置有漏電保護自動檢驗電路，其電路結構和工作原理在例一中已全面介紹，本例不再贅述。
權利要求1.一種多極低壓智能斷路器，其特徵在於殼體主體由左、右端蓋(14、7)和標準中間模塊(1)構成，標準中間模塊數量為1件或1件以上，左、右端蓋(14、7)的寬度是標準中間模塊(1)寬度的二分之一，鉚/螺杆(1 將左、右端蓋和標準中間模塊聯成一體；殼體內腔裝有主電路板( 和控制電路板(3)，主電路板( 上設置有電流、電壓、零序互感器、溫度傳感器、儲能電容器、電磁開關(4)及安裝其上的霍爾傳感器，控制電路板C3)上裝有MCU處理器( 及通訊插座，殼體正面設置有操作按鈕(8)和紅、綠指示燈(10、15)，殼體上、下側面中部分別嵌有電源輸入/出接線柱01、11)，左、右端蓋(14、7)上分別固定有與控制電路板⑶相連的標準通訊接口(9)。
2.根據權利要求1所述的多極低壓智能斷路器，其特徵是標準中間模塊(1)上側面下部有2個三角形凸吻(16)及位於凸吻兩側的梯形凹位(17)，左、右端蓋(14、7)上側面下部亦分別有一個三角形凸吻(16)及位於凸吻兩側的梯形凹位(17)，三維立體固定座(6)上端有與三角形凸吻(16)對應的三角形凹位(61)及梯形凸楞(62)，標準中間模塊(1)、左、右端蓋(14、7)下側面下部分別有供插鎖(1 插入用的槽孔(22)，三維立體固定座(6)上有安裝孔(63)。
3.根據權利要求1或2所述的多極低壓智能斷路器，其特徵是控制電路板C3)上設置有漏電保護自動檢驗電路，即MCU處理器的一組輸出腳連接固態繼電器J，固態繼電器J輸出端經電阻R1連接到220V電源上，零序互感器TO輸出端連接到低功耗運放集成塊IC5上， 低功耗運放集成塊IC5輸出端連接MCU處理器，MCU處理器的另三組輸出腳分別連接電壓驅動集成塊ICp IC2, IC3,電壓驅動集成塊IC3兩個輸出腳分別連接MOS場效應管Q1A2柵極， 電壓驅動集成塊IC2兩個輸出腳分別連接MOS場效應管仏、仏柵極，電壓驅動集成塊IC1輸出腳連接MOS場效應管A柵極；儲能電容C正極與MOS場效應管A、Q3漏極相連，電感線圈 L的一端連接MOS場效應管％源極、Q2漏極，其另一端連接MOS場效應管( 源極、MOS場效應管A漏極，電阻&的一端與MOS場效應管源極、MOS場效應管A漏極相連，電阻 R2另一端與電阻R3、穩壓二極體\負極相連，電阻R3的另一端與MOS場效應管％源極、穩壓二極體\正極、電容C負極相連，穩壓二極體\負極連接光電耦合器IC4輸入端，光電耦合器IC4輸出端連接MCU處理器。
4.一種單極低壓智能斷路，其特徵在於殼體主體由左、右端蓋(18、19)組成，左、右端蓋(18、19)上側面分別有豁口，豁口內嵌有中間塞塊(20)，鉚/螺杆(1 將左、右端蓋聯成一體；殼體內腔裝有主電路板(5)和控制電路板(3)，主電路板(5)上設置有電流、電壓、零序互感器、溫度傳感器、儲能電容器、電磁開關(4)及安裝其上的霍爾傳感器，控制電路板 (3)上裝有MCU處理器( 及通訊插座，殼體正面設置有操作按鈕(8)和紅、綠指示燈(10、 15)，殼體下側面中部嵌有一個電源輸出接線柱(11)，中間塞塊00)與左、右端蓋(18、19) 結合處分別嵌有電源輸入接線柱(21)，左、右端蓋(18、19)上分別固定有與控制電路板(3) 相連的標準通訊接口(9)。
5.根據權利要求4所述的單極低壓智能斷路器，其特徵是左、右端蓋(18、19)上側面下部分別有三角形凸吻(16)及位於凸吻兩側的梯形凹位(17)，三維立體固定座(6)上端有與三角形凸吻對應的三角形凹位(61)及梯形凸楞(62)，左、右端蓋(18、19)下側面下部分別有供插鎖(1 插入用的槽孔(22)，三維立體固定座(6)上有安裝孔(63)。
專利摘要一種多/單極低壓智能斷路器，其殼體由左、右端蓋和標準中間模塊構成，標準中間模塊數量為1件或1件以上，鉚/螺杆將左、右端蓋和標準中間模塊聯成一體，殼體內腔裝有主電路板和控制電路板，主電路板上設置有電流、電壓、零序互感器、溫度傳感器、儲能電容器、電磁開關及安裝其上的霍爾傳感器，控制電路板上裝有MCU處理器及通訊插座，殼體正面設置有操作按鈕和紅、綠指示燈，殼體上、下側面中部分別嵌有電源輸入/出接線柱，左、右端蓋上分別固定有與控制電路板相連的標準通訊插口，本發明體積小、結構緊湊，固定可靠，採用標準化，模塊化設計，方便使用和安裝，真正實現了數字保護、自動控制和通訊功能的全智能化。
文檔編號H01H83/14GK202259066SQ201120184978
公開日2012年5月30日 申請日期2011年5月31日 優先權日2011年5月31日
發明者胡俊兵 申請人:胡俊兵