電動機多功能保護斷路器的製作方法

2023-06-26 11:12:36

專利名稱：電動機多功能保護斷路器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬三相異步電動機保護裝置，特別是一種具有多種保護功能的斷路器。適合於三相三線制及三相四線制低壓配電線路上的各種規格電動機配套使用。
現用的DZ15L系列漏電斷路器，其結構主要由觸頭系統、滅弧室、操作機構、漏電檢測系統、電磁脫扣系統、液壓式電磁過電流脫扣(簡稱過電流脫扣器)系統和絕緣外殼組成。其性能是對電動機作漏電、過載和短路保護。過電流脫扣器特性是工作電流是脫扣器額定電流1.2倍時2小時內脫扣，作過載保護；6倍可返回時間≥1秒，12倍＜0.2秒脫扣，作短路保護。漏電保護特性是漏電電流≥50mA時0.2秒脫扣切斷電源。
在實際應用中，當電動機出現三相電流不平衡，甚至是三相電流嚴重不平衡的斷相故障時，兩相故障電流是正常工作電流的1.73倍。這時，過電流脫扣器需一定時間才可脫扣，長時間運轉致使電動機繞組發熱發化，甚至燒毀。據概率統計，電動機76％斷相燒毀，10％漏電燒毀，10％過載燒毀。在農村季節性負荷變化大，斷相比較頻繁，只利用現行的過電流脫扣器對斷相故障作間接保護，不能有效地保護電動機。因此，解決電動機運動中斷相瞬時脫扣問題，是保護電動機的主要課題。
為解決這個問題，1977年由上海市業餘工業大學編著，科學出版社出版的電子技術講座〈四〉《電晶體開關電路》一書中第234頁，講解了題為《磁芯電晶體式三相異步電動機斷相保護裝置》，它根據出現斷相後，電動機三相電流相位差由120°變為180°，利用矩磁鐵淦氧材料的磁化特性，在這種磁芯上繞有兩個相同的繞組。三相電源線分別串行過三個磁芯，得到六組感應信號，將這些信號同門電路組合在一起。因三相電流平衡時，三相電流相位差120°，同一時刻磁芯線圈感應信號不會同時出現；出現斷相後感應信號將同時出現，在門電路輸出端即可得到中斷信號。中斷信號又經過單穩電路加寬信號脈衝，送進延時環節最後帶動反相器，由繼電器執行切斷電源。這種方法對部分斷相故障是可以檢測的。例如三相三線制動力線路上高壓供電、低壓配電、設備用電斷相；三相四線制光力混變線路上的設備用電斷相。這些情況出現斷相後，中斷相均無返回電流。但象三相四線制光力混變線路上的高壓供電，低壓配電斷相時，中斷相均有對零線返回電流，這個電流是由兩個工作相經電動機繞組提供的。結果上述斷相保護裝置就不能檢測(其原因見後述)。近年來，市場上就有用這種原理製造的斷相保護裝置，有同起動設備配合使用的，也有同漏電斷路器配合的產品。這些產品的工作電路不論中斷信號是用何種方式處理，或是直流電源供電方式如何變化，其信號檢測的方法都一樣。
另外象電動機繞組匝間、相間短路不十分嚴重(等於過電流脫扣器額定電流2倍時)，漏電斷路器及上述斷相保護裝置都不能瞬時脫扣，導致電動機故障擴大。因此解決電動機繞組匝間、相間短路故障瞬時脫扣也是十分有意義的。
本實用新型的任務是要提供一種改進的電動機保護斷路器，它保留了原漏電斷路器的過載、短路、漏電保護功能，新增了三相電流不平衡保護功能。新功能不但對各種供電線路上斷相故障瞬時脫扣，而且能夠在三相不平衡電流誤差≥2倍時對電動機繞組匝間和相間短路瞬時脫扣。
本實用新型的任務是以如下方式完成的斷路器內設置兩具相同的過電流脫扣線圈和一個電磁脫扣線圈，三個脫扣線圈分別作用於操作機構的脫扣連杆上。三相電源分別接在上端三個接線端子上，靜觸頭與接線端子成一體。三個動觸頭由操作機構牽動，與對應靜觸頭接合或分離，起快速通斷電源作用。一相動觸頭饋線串過電流互感器(新增的小型穿芯式電流互感器簡稱)和零序互感器後接在負載接線端子上。另兩相動觸頭引饋線同過電流脫扣線圈的頭端相連接，脫扣線圈尾端引饋線分別串過對應相的電流互感器，再共同串過零序互感器到負載接線端子上。當流過斷路器的電流連接達到過電流脫扣器額定電流值1，2倍以上時，脫扣器在二小時內脫扣，電流越大，脫扣越快，起到過載保護作用；當電流達到6倍以上時，脫扣器瞬時脫扣，起短路保護作用；當三相不平衡電流誤差≥2倍時，由三個電流互感器感應出故障信號由控制機構給電磁線圈通電，電磁脫扣器動作切斷電源，當三相電任一相對地漏電達50mA時，漏電檢測由電磁脫扣器動作切斷電源。這樣各種功能相互配合，就可以有效保護電動機安全運行。
這裡再闡述新增的三相不平衡電流檢測基本原理加裝的三個相同的電流互感器是由兩個相同副繞組繞成的中心抽頭線圈，磁芯材料是普通矽鋼片。三相平衡電流經過這三個電流互感器時，將產生六組感應正弦波信號，經門電路輸出一個連續等幅單向脈動直流電；當流過電流互感器的三相電流不平衡時，門電路輸出的是一個斷續的等幅單向脈動直流電或是連續不等幅單向脈動直流電。門電路輸出的信號再經微分電路，連續等幅單向脈動直流電不能通過微分電路，則微分電路無輸出；而斷續等幅和連續不等幅單向脈動直流電卻能通過微分電路，微分後輸出一尖脈衝。這個尖脈衝由於脈衝寬度太窄，直接帶動反相器，繼電器將來不及動作，所以再經過單穩電路進行脈衝加寬。加寬了的脈衝信號經一個延時環節。當脈衝信號不連續時，延時器不給出觸發信號；當脈衝信號連續時，延時器給出信號觸發可控矽導通，由電磁脫扣器脫扣切斷電源，達到對不平衡電流檢測的目的。
電路工作電源由電容降壓半波整流獲得，不產生對零序互感器幹擾磁場。直流電源、三相不平衡電流檢測和漏電檢測電子元件共同裝在一個電路板上。本斷路器只需在原漏電斷路器下端底部加裝三個電流互感器，在電流互感器上面裝上電路板，只要合理部置，使其與零序互感器不互相產生磁場幹擾即可。所以原漏電斷路器結構不變動，同時電子元件成本低廉，尤其是三相電流不平衡瞬時脫扣，性能提高，但成本上升無幾。
本技術不僅能實現在漏電斷路器中，而且能實現在各種低壓起動設備中。電流互感器由於是信號傳輸器件，磁場很弱，磁幹擾很小。
以下將結合附圖對實用新型作進一步的詳細描述。


圖1是本實用新型提出的電動機多功能保護斷路器具體結構的剖面圖。
圖2是本實用新型斷路器的整機電路圖。
圖3是圖2中M1、M2、M3電流互感器繞線圖。
圖4(1)是三相電流平衡時電流互感器感應電壓波形圖；(2)是圖2中G點波形圖。
圖5(1)是矩磁鐵淦氧磁芯感應信號波形圖；(2)是三相電流平衡時感應信號波形圖；(3)是斷相時感應信號波形圖。
圖6(1)是三相電流嚴重不平衡(C相斷相)時電流互感器感應電壓波形圖；(2)是圖2中G點波形圖。
圖7(1)是三相不平衡電流誤差等於2倍時電流互感器感應電壓波形圖；(2)是圖2中G點波形圖；(3)是分析負與門在不同輸入電壓時輸出情況圖。
表1是圖4(2)波形的對應數值表。
表2是圖6(2)波形的對應數值表。
下面結合圖1說明本斷路器的具體結構。
該裝置主要是由觸頭系統1、滅弧室2、操作機構3、過電流脫扣系統4、電流互感器5、零序互感器6、電子元件電路板7、電磁脫扣系統8和絕緣外殼9組成。
結合圖2整機電路圖說明該裝置的電連接及整機電路工作原理。
三相交流電源分別接在A相、B相、C相三個接線端子上，由開關HK接通或分斷電路電流。A相和C相饋線分別接在過電流脫扣線圈DT1、DT2上，脫扣線圈DT1、DT2尾端分別引饋線串過電流互感器M1、M3，再串過零序互感器H到對應的負載接線端子上，中間B相饋線從電磁脫扣線圈J底部穿出再串過電流互感器M2、零序互感器H到負載接線端子上。
三相不平衡電流檢測電路首先由電流互感器M1、M2、M3副繞組上感應三相交流信號，這三個互感器具體繞線方式見圖3，它們是兩個相同匝數組成的中心抽頭線圈，繞組W1、W2組成M1，W3、W4組成M2，W5、W6組成M3。根據圖3中W1－M6同名端接法接在由D1－D6組成的負與門電路上。W1、W4、D1、D2檢C相故障信號，W3、W6、D3、D4檢A相故障信號，W2、W5、D5、D6檢B相故障信號(其方法參照圖6(1)波形及表2對應數值表)。R1、R2、R3是三個門電阻。D7、D8、D9組成三輸入負或門電路，在G點可得到任一相故障信號。負與門工作過程參照圖7(2)所示分析方法。圖4、圖6中的波形及數值表是依據圖7方法分析得出的。
當三相電流平衡時，三個互感器輸出波形如圖4(1)，負與門輸出電壓數值如表1，則負或門G點得到圖4(2)所示的電壓波形。這個波形是一個三次連續等幅單向脈動直流電壓波形；當三相電流嚴重不平衡即中斷相無返回電流時，電流互感器輸出波形如圖6(1)，表2是門電路輸入輸出電壓數值，G點波形如圖6(2)。這個波形是一個斷續等幅單向脈動直流電壓波形；當三相不平衡電流誤差等於2倍時，感應電壓波形如圖7(1)，同樣分析G點可得到如圖7(2)所示的波形，這個波形是一個連續不等幅單向脈動直流電壓波形。不難推知，三相電流不平衡表現一相大、兩相小時，即三角形接法電動機繞組斷線故障，運動中因電流變值小不能檢測外，當電動機起動時就能夠檢出故障信號。
本電路對上述G點波形進行微分處理。根據RC微分電路工作原理輸出脈衝能夠突出輸入脈衝的跳變部分，它的輸出電壓值只決定於輸入脈衝的跳變量，與輸入電壓值無關。上述G點輸出的雖不是跳變量很大的方脈衝或矩形脈衝，但G點連續等幅單向脈動直流電波形同連續不等幅和斷續等幅單向脈衝直流電波形相比較，後兩種波形具有明顯的跳變量，而前一種波形連續且等幅，不具備脈衝跳變條件。因此本電路R4C1，組成的微分電路在三相電流平衡時無信號輸出，在三相電流不平衡時有信號輸出。由於微分電路對輸入電壓值無關，所以電動機起動電流及不同功率電動機電流所感應的連續等幅單向直流電壓對微分電路不會有脈衝幹擾，因此一種規格電流互感器能適應多種功率電動機配套。
跳變的負脈衝信號由微分電路輸出後，去觸發BG1、BG2組成的單穩電路，使輸入的窄脈衝經單穩電路處理，在BG1集電極輸出一個一定寬度和幅度的正脈衝。R6是兩管的公共電阻，起自給偏置作用。並聯在輸入端的C2是防幹擾用的，它起高頻旁路作用。D10、D11是兩個發光二極體，正常時D11亮，故障時D10亮D11滅，兩管隨單穩翻轉不住地閃動，起到鑑別本裝置是否正常的作用。
單穩電路輸出的正脈衝經D12向由R7C4組成的延時環節充電。當信號連續時，C4充電電壓逐漸升高，當達1.4伏時二極體D13正嚮導通，觸發可控矽SCR的G極，可控矽導通。電流從電源C相經二極體D16、電磁脫扣線圈J到可控矽陽極A、陰極K，止另一相電源A相上。電磁脫扣線圈在電流作用下產生強磁場將脫扣連片吸合，推動連杆，脫扣機構動作切斷電源。單向可控矽SCR，其反向直流耐壓在1200V以上。D12是防C4在充電過程中向電源放電設置的。同C4並聯的R11是釋放C4殘餘電壓設置的，目的使每次延時時間保持一致。R12、C5是可控矽控制極防幹擾用的。R13、R14、C6並聯在可控矽陰陽極，目的是吸收電源的脈衝電壓，保護可控矽不發生誤動作。
漏電保護部分由零序互感器H、二極體D18、C8組成信號檢測電路，三相中任一相對地漏電流達到50mA以上時，零序互感器H的副繞組L1感應出信號，經D18整流得到一正脈衝去觸發可控矽導通，電磁脫扣線圈得電脫扣切斷電源。L1C8諧振在50赫芝，提高了漏電動作的靈敏度。L2是漏電試驗線圈，它利用電容降壓的低壓交流電短路後，L1感應出信號使開關動作，就可試驗出漏電保護部分工作正常與否。電流流向是從電源A相、線圈L2、試驗按扭AN、電容C9C10到電源C相。
本電路採用電容降壓半波整流方式，C9C10串聯接在電源C相上，電源正半周經D15整流得到直流電壓，經R15D17穩壓、C7濾波後獲得12伏直流電壓供門電路和單穩電路使用。D14是給電源負半周提供一條通路。R16R17是電容C9C10殘餘電壓釋放電阻。
最後再說明一下本說明書開始提到的1977年發表的斷相保護裝置不能檢測有返回電流斷相故障的原因。圖5是根據原摘錄的附圖。圖5(1)是矩磁鐵淦氧磁芯線圈在正弦波電流磁化時所產生的尖脈衝信號；(2)是三相電流正常時各線圈不會同時出現的尖脈衝圖；(3)是一相中斷後各線圈同時出現的尖脈衝圖。在圖5(1)中可看到尖脈衝產生在電流過零的瞬間，那麼對照圖7(1)的波形可知，三相電流不平衡時的波形同樣可得到圖5(2)的尖脈衝圖，從分析可知三相不平衡電流用這種斷相保護裝置是不能檢測的。
權利要求1.一種斷路器，在絕緣外殼中，觸頭系統、過電流脫扣系統和漏電檢測系統順序電連接，其特徵是過電流脫扣系統還與一個電子式三相不平衡檢系統測電流連接。
2.根據權利要求1所述的斷路器，其特徵是穿心式電流互感器是由普通矽鋼片材料製成的中心抽頭雙繞組副線圈。
3.根據權利要求1所述的斷路器，其特徵是三輸入負或門電路輸出點，串聯一支電容器同單穩電路連接。
4.根據權利要求1所述的斷路器，其特徵是單穩電路輸入端對地並聯一支高頻旁路電容器。
專利摘要本實用新型提供了一種電動機多功能保護斷路器，用於三相三線制及三相四線低壓配電線路上的各種三相異步電動機保護系統。它是在DZ15L系列漏電斷路器具有的漏電保護、過載保護和短路保護基礎上，新增了電子式三相電流不平衡瞬時脫扣保護裝置，其特性是三相不平衡電流≥2倍時瞬時動作，提高了斷路器的保護性能。
文檔編號H02H7/085GK2110939SQ91224298
公開日1992年7月22日 申請日期1991年8月28日 優先權日1991年8月28日
發明者賈昌河 申請人:賈昌河