低壓直流系統短路保護電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種低壓直流系統短路保護電路，正極側電流取樣電阻一端與低壓直流系統正極輸出端、正極短路保護電路電流取樣端連接，另一端經正極側電壓取樣電阻、公共電阻、負極側電壓取樣電阻與低壓直流系統負極輸出端連接，正極側電壓取樣電阻與公共電阻的公共端與正極短路保護電路電壓取樣端連接，負極側電壓取樣電阻與公共電阻的公共端與負極短路保護電路電壓取樣端連接，低壓直流系統負極輸出端經負極側電流取樣電阻與負極短路保護電路電流取樣端連接，正、負極短路保護電路的同步信號輸入、輸出端相應連接，正、負極短路保護電路同時具有差電流保護子電路和／或低阻抗保護子電路外，還可具有過電流保護子電路，以實現差電流、過電流及低阻抗的保護。
【專利說明】低壓直流系統短路保護電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種短路保護電路，尤指一種應用于低壓直流系統的短路保護電路，屬于電氣工程領域。
【背景技術】
[0002]低壓直流系統是電氣工程領域中常見供電系統。目前，為低壓直流系統配套的保護電器主要有框架式自動空氣斷路器、塑殼斷路器、微型塑殼斷路器，其脫扣器有動作電流在8倍至10倍以上額定電流的電磁式瞬時過電流脫扣器、動作電流在3倍以上額定電流的延時過電流脫扣器、動作電流在1.1?1.3倍及以上額定電流、動作時間在I小時以上的熱脫扣器等，這些器件均是基于電流檢測而為低壓直流系統提供一種過電流保護，實現對低壓直流系統的短路保護。
[0003]隨著光伏發電產業的發展，對其內設有的低壓直流系統實施精準的短路保護成為一大難題。具體來說，由于光伏發電系統中采用的光伏發電組件的伏安特性極具非線性特征，其輸出端在短路時的電流與短路之前的正常工作電流相差無幾，因而無法依據光伏發電組件輸出端的電流變化來判斷外部短路故障，也就是說，若采用目前已有的過電流保護來對光伏發電系統中的低壓直流系統實施短路保護，則無法準確有效地切除短路故障，存在很大安全隱患。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種低壓直流系統短路保護電路，該電路為低壓直流系統提供了差電流保護、過電流保護以及低阻抗保護(即低電壓保護)三種短路保護措施，其中的低阻抗保護特別適用于光伏發電系統中的低壓直流系統。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用了以下技術方案:
[0006]一種低壓直流系統短路保護電路，其特征在于:它包括正極短路保護電路、負極短路保護電路，正極側電流取樣電阻的一端與低壓直流系統的正極輸出端、該正極短路保護電路的電流取樣端連接，該正極側電流取樣電阻的另一端依次經由正極側電壓取樣電阻、公共電阻、負極側電壓取樣電阻與該低壓直流系統的負極輸出端連接，該正極側電流取樣電阻與該正極側電壓取樣電阻的公共端作為負載正極端，該正極側電壓取樣電阻與該公共電阻的公共端與該正極短路保護電路的電壓取樣端連接，該正極短路保護電路的同步信號輸出端與該負極短路保護電路的同步信號輸入端連接，該負極側電壓取樣電阻與該公共電阻的公共端與該負極短路保護電路的電壓取樣端連接，該低壓直流系統的負極輸出端經由負極側電流取樣電阻與該負極短路保護電路的電流取樣端連接且該負極短路保護電路的電流取樣端同時作為負載負極端，該負極短路保護電路的同步信號輸出端與該正極短路保護電路的同步信號輸入端連接，該正極短路保護電路、該負極短路保護電路的跳閘信號輸出端分別與該低壓直流系統中相應的跳閘線圈連接，其中:該正極短路保護電路、該負極短路保護電路同時具有差電流保護子電路和/或低阻抗保護子電路。[0007]在實際應用中，各個所述跳閘線圈為同一跳閘線圈或不同的跳閘線圈。
[0008]在實際設計中，對于所述正極短路保護電路:
[0009]所述差電流保護子電路包括電流幅值比較器，該電流幅值比較器的一個輸入端與所述正極短路保護電路的電流取樣端連接而另一個輸入端與鋸齒波信號發生器的輸出端連接，該鋸齒波信號發生器的脈沖信號輸入端與鎖相環時鐘脈沖信號發生器的輸出端連接，該鎖相環時鐘脈沖信號發生器的同步控制輸入端與所述負極短路保護電路的同步信號輸出端連接，電流差比較器的兩個輸入端分別與該電流幅值比較器的輸出端、所述正極短路保護電路的同步信號輸入端連接，該電流差比較器的輸出端依次經由差電流保護判定電路、時間繼電器、差電流保護啟動電路與相應所述跳閘線圈連接，
[0010]所述低阻抗保護子電路包括電壓幅值比較器，該電壓幅值比較器的一個輸入端經由反相器與所述正極短路保護電路的電壓取樣端連接而另一個輸入端與該鋸齒波信號發生器的輸出端連接，電流方向鑒別器的一個輸入端與所述正極短路保護電路的電流取樣端連接而另一個輸入端接比較基準電壓，該電流方向鑒別器、該電壓幅值比較器的輸出端分別與電流方向開關的相應信號接收端連接，該電流方向開關的信號輸出端依次經由低阻抗保護判定電路、時間繼電器、低阻抗保護啟動電路與相應所述跳閘線圈連接；
[0011]對于所述負極短路保護電路:
[0012]所述差電流保護子電路包括電流幅值比較器，該電流幅值比較器的一個輸入端與所述負極短路保護電路的電流取樣端連接而另一個輸入端與鋸齒波信號發生器的輸出端連接，該鋸齒波信號發生器的脈沖信號輸入端與鎖相環時鐘脈沖信號發生器的輸出端連接，該鎖相環時鐘脈沖信號發生器的同步控制輸入端與所述正極短路保護電路的同步信號輸出端連接，電流差比較器的兩個輸入端分別與該電流幅值比較器的輸出端、所述負極短路保護電路的同步信號輸入端連接，該電流差比較器的輸出端依次經由差電流保護判定電路、時間繼電器、差電流保護啟動電路與相應所述跳閘線圈連接，
[0013]所述低阻抗保護子電路包括電壓幅值比較器，該電壓幅值比較器的一個輸入端與所述負極短路保護電路的電壓取樣端連接而另一個輸入端與該鋸齒波信號發生器的輸出端連接，電流方向鑒別器的一個輸入端與所述負極短路保護電路的電流取樣端連接而另一個輸入端接比較基準電壓，該電流方向鑒別器、該電壓幅值比較器的輸出端分別與電流方向開關的相應信號接收端連接，該電流方向開關的信號輸出端依次經由低阻抗保護判定電路、時間繼電器、低阻抗保護啟動電路與相應所述跳閘線圈連接。
[0014]較佳地，在實際設計中，所述正極短路保護電路的同步信號輸出端經由光電耦合器與所述負極短路保護電路的同步信號輸入端連接；所述負極短路保護電路的同步信號輸出端經由光電耦合器與所述正極短路保護電路的同步信號輸入端連接。
[0015]在實際設計中，除了具有差電流保護子電路和/或低阻抗保護子電路外，所述正極短路保護電路、所述負極短路保護電路還可同時具有過電流保護子電路。
[0016]在實際設計中，對于所述正極短路保護電路:所述過電流保護子電路包括過電流保護判定電路，該過電流保護判定電路的輸入端與所述正極短路保護電路的所述電流幅值比較器的輸出端連接，該過電流保護判定電路的輸出端依次經由時間繼電器、過電流保護啟動電路與相應所述跳閘線圈連接；
[0017]對于所述負極短路保護電路:所述過電流保護子電路包括過電流保護判定電路，該過電流保護判定電路的輸入端與所述負極短路保護電路的所述電流幅值比較器的輸出端連接，該過電流保護判定電路的輸出端依次經由時間繼電器、過電流保護啟動電路與相應所述跳閘線圈連接。
[0018]本發明除了由上述具有同步時序特點的模擬與邏輯混合電路構成外，還可以采用單片機與模擬、邏輯電路混合構成，具體實現為:
[0019]所述正極短路保護電路中的所述鎖相環時鐘脈沖信號發生器、所述電流差比較器、所述差電流保護判定電路、所述單穩態觸發器、所述過電流判定用定時器、所述過電流保護判定電路、所述電流方向鑒別器、所述低阻抗判定用定時器、所述電流方向開關、所述低阻抗保護判定電路、所有所述時間繼電器由一個單片機替代；所述負極短路保護電路中的所述鎖相環時鐘脈沖信號發生器、所述電流差比較器、所述差電流保護判定電路、所述單穩態觸發器、所述過電流判定用定時器、所述過電流保護判定電路、所述電流方向鑒別器、所述低阻抗判定用定時器、所述電流方向開關、所述低阻抗保護判定電路、所有所述時間繼電器由一個單片機替代。
[0020]本發明的優點是:
[0021]本發明依據低壓直流系統的電路結構特征及短路故障的電路特征，為低壓直流系統提供了差電流保護、過電流保護以及低阻抗保護(即低電壓保護)三種短路保護措施且這三種短路保護可視實際需要選擇啟用，其中的低阻抗保護特別適用于光伏發電系統中的低壓直流系統，本發明實現的短路故障判斷準確、可靠，能以最快速度切除電氣短路故障，將故障危害限制在最低范圍。
[0022]當本發明應用于光伏發電系統中的低壓直流系統中時，本發明可對光伏發電系統中的光伏發電組件的回路及外部短路故障解決已有過電流保護存在的保護靈敏性不足的問題，對區內、區外以及區內外異地接地短路故障提供可靠且具有選擇性的保護。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明的組成框圖。
[0024]圖2是本發明一較佳實施例的電路圖。
[0025]圖3是本發明另一較佳實施例的電路圖。
【具體實施方式】
[0026]本發明低壓直流系統短路保護電路用于對低壓直流系統進行短路保護，該低壓直流系統為電氣工程領域中常用的熟知供電系統，包括基本的供電電器設備，故其具體構成不在這里詳述。
[0027]如圖1，本發明連接在低壓直流系統的正極輸出端Xl與負極輸出端X3之間，如圖，本發明低壓直流系統短路保護電路包括正極短路保護電路100、負極短路保護電路200，正極側電流取樣電阻301的一端與低壓直流系統的正極輸出端X1、該正極短路保護電路100的電流取樣端連接，該正極側電流取樣電阻301 (即圖2中所示Rl)的另一端依次經由正極側電壓取樣電阻302 (即圖2中所示R2)、公共電阻305(即圖2中所示R5)、負極側電壓取樣電阻304 (即圖2中所示R4)與該低壓直流系統的負極輸出端X3連接，該低壓直流系統的負極輸出端X3作為該負極短路保護電路200的局部參考地(如圖2中所示G2)，該正極側電流取樣電阻301與該正極側電壓取樣電阻302的公共端作為負載正極端X2且作為該正極短路保護電路100的局部參考地(如圖2中所示Gl)，該正極側電壓取樣電阻302與該公共電阻305的公共端與該正極短路保護電路100的電壓取樣端連接，該正極短路保護電路100的同步信號輸出端與該負極短路保護電路200的同步信號輸入端連接，該負極側電壓取樣電阻304與該公共電阻305的公共端與該負極短路保護電路200的電壓取樣端連接，該低壓直流系統的負極輸出端X3經由負極側電流取樣電阻303(即圖2中所示R3)與該負極短路保護電路200的電流取樣端連接且該負極短路保護電路200的電流取樣端同時作為負載負極端X4，負載正極端X2與負載負極端X4之間用來連接負載，該負極短路保護電路200的同步信號輸出端與該正極短路保護電路100的同步信號輸入端連接，該正極短路保護電路100、該負極短路保護電路200的跳閘信號輸出端分別與該低壓直流系統中相應的跳閘線圈連接，其中:該正極短路保護電路100、該負極短路保護電路200同時具有差電流保護子電路和/或低阻抗保護子電路，換句話說，該正極短路保護電路100、該負極短路保護電路200可一起設有差電流保護子電路，或者一起設有低阻抗保護子電路，或者一起設有差電流保護子電路以及低阻抗保護子電路。
[0028]在實際設計中，如圖1，較佳地，正極短路保護電路100的同步信號輸出端經由光電耦合器306與負極短路保護電路200的同步信號輸入端連接，負極短路保護電路200的同步信號輸出端經由光電耦合器307與正極短路保護電路100的同步信號輸入端連接。
[0029]本發明為低壓直流系統提供了三種短路保護措施，除了上述差電流保護子電路實現的差電流保護以及上述低阻抗保護子電路實現的低阻抗保護(也稱為低電壓保護)夕卜，還有過電流保護子電路實現的過電流保護，也就是說，在該正極短路保護電路100、該負極短路保護電路200同時具有差電流保護子電路和/或低阻抗保護子電路的基礎上，該正極短路保護電路100、負極短路保護電路200還可同時具有過電流保護子電路。
[0030]如圖1，對于正極短路保護電路100:
[0031]差電流保護子電路包括電流幅值比較器104，該電流幅值比較器104的一個輸入端(負輸入端)與正極短路保護電路100的電流取樣端連接，用于接收低壓直流系統正極輸出端Xl處經由正極側電流取樣電阻301采集的電流取樣信號，而電流幅值比較器104的另一個輸入端(正輸入端)與鋸齒波信號發生器103的輸出端連接，該鋸齒波信號發生器103的脈沖信號輸入端與鎖相環時鐘脈沖信號發生器101的輸出端連接,該鎖相環時鐘脈沖信號發生器101的同步控制輸入端與負極短路保護電路200的同步信號輸出端連接，用于接收負極短路保護電路200輸出的同步電流信號，正負基準電壓源102為該鋸齒波信號發生器103提供一正一負兩個基準電壓信號(其中一個基準電壓信號可由另一個基準電壓信號經過運算放大器輸出或者經由分壓電阻分割產生)，該正負基準電壓源102的中間接點與局部參考地Gl連接，電流差比較器105的兩個輸入端分別與該電流幅值比較器104的輸出端、正極短路保護電路100的同步信號輸入端連接，分別用于接收該電流幅值比較器104輸出的電流幅值比較結果信號、負極短路保護電路200輸出的同步電流信號，該電流差比較器105的輸出端依次經由差電流保護判定電路107、時間繼電器108、差電流保護啟動電路109與相應跳閘線圈401的接線端連接。
[0032]過電流保護子電路包括過電流保護判定電路111，該過電流保護判定電路111的輸入端與正極短路保護電路100的電流幅值比較器104的輸出端連接，該過電流保護判定電路111的輸出端依次經由時間繼電器112、過電流保護啟動電路113與相應跳閘線圈402的接線端連接。
[0033]低阻抗保護子電路包括電壓幅值比較器115，該電壓幅值比較器115的一個輸入端(負輸入端)經由反相器121與正極短路保護電路100的電壓取樣端連接，用于接收低壓直流系統正極輸出端Xl處經由正極側電壓取樣電阻302采集的電壓取樣信號，而電壓幅值比較器115的另一個輸入端(正輸入端)與該鋸齒波信號發生器103的輸出端連接，電流方向鑒別器114的一個輸入端與正極短路保護電路100的電流取樣端連接而另一個輸入端接比較基準電壓(如圖2中所示VO+)，該電流方向鑒別器114、該電壓幅值比較器115的輸出端分別與電流方向開關117的相應信號接收端連接，該電流方向開關117的信號輸出端依次經由低阻抗保護判定電路118、時間繼電器119、低阻抗保護啟動電路120與相應跳閘線圈403的接線端連接。
[0034]如圖1，對于負極短路保護電路200:
[0035]差電流保護子電路包括電流幅值比較器204，該電流幅值比較器204的一個輸入端(負輸入端)與負極短路保護電路200的電流取樣端連接，用于接收低壓直流系統負極輸出端X3處經由負極側電流取樣電阻303采集的電流取樣信號，而電流幅值比較器204的另一個輸入端(正輸入端)與鋸齒波信號發生器203的輸出端連接，該鋸齒波信號發生器203的脈沖信號輸入端與鎖相環時鐘脈沖信號發生器201的輸出端連接,該鎖相環時鐘脈沖信號發生器201的同步控制輸入端與正極短路保護電路100的同步信號輸出端連接，用于接收正極短路保護電路100輸出的同步電流信號，正負基準電壓源202為該鋸齒波信號發生器203提供一正一負兩個基準電壓信號(其中一個基準電壓信號可由另一個基準電壓信號經過運算放大器輸出或者經由分壓電阻分割產生)，該正負基準電壓源202的中間接點與局部參考地G2連接，電流差比較器205的兩個輸入端分別與該電流幅值比較器204的輸出端、負極短路保護電路200的同步信號輸入端連接，分別用于接收該電流幅值比較器204輸出的電流幅值比較結果信號、正極短路保護電路100輸出的同步電流信號，該電流差比較器205的輸出端依次經由差電流保護判定電路207、時間繼電器208、差電流保護啟動電路209與相應跳閘線圈404的接線端連接。
[0036]過電流保護子電路包括過電流保護判定電路211，該過電流保護判定電路211的輸入端與負極短路保護電路200的電流幅值比較器204的輸出端連接，該過電流保護判定電路211的輸出端依次經由時間繼電器212、過電流保護啟動電路213與相應跳閘線圈405的接線端連接。
[0037]低阻抗保護子電路包括電壓幅值比較器215，該電壓幅值比較器215的一個輸入端(負輸入端)與負極短路保護電路200的電壓取樣端連接，用于接收低壓直流系統負極輸出端X3處經由負極側電壓取樣電阻304采集的電壓取樣信號，而電壓幅值比較器215的另一個輸入端(正輸入端)與該鋸齒波信號發生器203的輸出端連接，電流方向鑒別器214的一個輸入端與負極短路保護電路200的電流取樣端連接而另一個輸入端接比較基準電壓(如圖2中所示VO+)，該電流方向鑒別器214、該電壓幅值比較器215的輸出端分別與電流方向開關217的相應信號接收端連接，該電流方向開關217的信號輸出端依次經由低阻抗保護判定電路218、時間繼電器219、低阻抗保護啟動電路220與相應跳閘線圈406的接線端連接。[0038]如圖2，較佳地，在正極短路保護電路100中:電流差比較器105可包括異或非門Ul ;差電流保護判定電路107包括D觸發器U2，該D觸發器U2的輸入端經反相器(此處或非門U3作為反相器)與該異或非門Ul的輸出端連接，該D觸發器U2的時鐘端經由單穩態觸發器106與該異或非門Ul的輸出端連接；電流方向開關117包括與門U7 ;低阻抗保護判定電路118包括D觸發器U8，該D觸發器U8的輸入端與該與門U7的輸出端連接，該D觸發器U8的時鐘端經由低阻抗判定用定時器116與鎖相環時鐘脈沖信號發生器101的輸出端連接；過電流保護判定電路111包括D觸發器U5，該D觸發器U5的輸入端經反相器(此處或非門U4作為反相器)與電流幅值比較器104的輸出端連接，該D觸發器U5的時鐘端經由過電流判定用定時器110與鎖相環時鐘脈沖信號發生器101的輸出端連接；差電流保護啟動電路109包括中間繼電器K1，過電流保護啟動電路113包括中間繼電器K2，低阻抗保護啟動電路120包括中間繼電器K3。
[0039]同理，較佳地，在負極短路保護電路200中:電流差比較器205包括異或非門；差電流保護判定電路207包括D觸發器，該D觸發器的輸入端經反相器與該異或非門的輸出端連接，該D觸發器的時鐘端經由單穩態觸發器206與該異或非門的輸出端連接；電流方向開關217包括與門；低阻抗保護判定電路218包括D觸發器，該D觸發器的輸入端與該與門的輸出端連接，該D觸發器的時鐘端經由低阻抗判定用定時器216與鎖相環時鐘脈沖信號發生器201的輸出端連接；過電流保護判定電路211包括D觸發器，該D觸發器的輸入端經反相器與電流幅值比較器204的輸出端連接，該D觸發器的時鐘端經由過電流判定用定時器210與鎖相環時鐘脈沖信號發生器201的輸出端連接；差電流保護啟動電路209、過電流保護啟動電路213、低阻抗保護啟動電路220均包括中間繼電器。
[0040]在本發明中，鎖相環時鐘脈沖信號發生器101和201、正負基準電壓源102和202 (如采用TL431)、鋸齒波信號發生器103和203、電流幅值比較器104和204、電流方向鑒別器114和214、電壓幅值比較器115和215等均為本領域的熟知電子器件，故其具體構成不在這里詳述。
[0041]需要說明的是，在本發明中，除了因取樣點電壓信號的極性相反，正極短路保護電路100比負極短路保護電路200多了一個反相器121之外，正極短路保護電路100與負極短路保護電路200的內部電路組成相同，它們的工作原理也基本相同，故圖2和圖3中未示出負極短路保護電路200的內部電路構造。
[0042]在實際應用中，如圖1，各個跳閘線圈401?406可為同一跳閘線圈或不同的跳閘線圈。跳閘線圈可為脫扣器等保護器件上的跳閘線圈。
[0043]優選地，可在本發明相應位置處設置選擇開關，選擇開關可以選用保護壓板來實現，根據實際需要來對正極短路保護電路100、負極短路保護電路200的差電流保護、過電流保護、低阻抗保護功能進行獨立開啟或關閉控制，當然，正極短路保護電路100、負極短路保護電路200開啟的功能應同步一致。例如，以正極短路保護電路100為例說明，如圖2所示，圖2中設置了選擇開關S1、S2和S3，分別用來控制差電流保護功能、過電流保護功能、低阻抗保護功能的開啟與關閉，在圖2中，當選擇開關SI接通高電平時，開啟差電流保護功能，反之，當選擇開關SI接通低電平時，關閉差電流保護功能，同理，當選擇開關S2接通高電平時，開啟過電流保護功能，反之，當選擇開關S2接通低電平時，關閉過電流保護功能，當選擇開關S3接通高電平時，開啟低阻抗保護功能，反之，當選擇開關S3接通低電平時，關閉低阻抗保護功能。
[0044]下面主要以正極短路保護電路100為例，來說明本發明實現的差電流保護功能、過電流保護功能、低阻抗保護功能的實現原理。
[0045]如圖2，鎖相環時鐘脈沖信號發生器101若接收到對方(負極短路保護電路200)發來的同步電流信號，則僅在同步電流信號的下降沿起同步作用(同步于下降沿)。鎖相環時鐘脈沖信號發生器101向鋸齒波信號發生器103輸出時鐘脈沖信號，使得鋸齒波信號發生器103在每一時鐘脈沖的上升沿觸發輸出一個鋸齒波，鋸齒波的下頂點與負基準電壓對應，上頂點與正基準電壓對應。
[0046]在鎖相環時鐘脈沖信號發生器101向鋸齒波信號發生器103輸出時鐘脈沖信號的同時，其也向過電流判定用定時器110輸送時鐘脈沖信號(即過電流判定用定時器110與鋸齒波信號發生器103同步工作)，過電流判定用定時器110對每一時鐘脈沖的上升沿觸發輸出一個上升沿延時的脈沖。
[0047]電流幅值比較器104的正、負輸入端分別接收鋸齒波信號發生器103輸出的周期性鋸齒波信號、經由正極側電流取樣電阻301采集的電流取樣信號，然后對其兩者之間進行幅值比較，輸出以脈沖寬度為特征的電流幅值比較結果信號(鋸齒波信號大于電流取樣信號時，電流幅值比較器104輸出高電平，即電流幅值比較結果信號中以高電平變位輸出)。然后，該電流幅值比較結果信號分三路。
[0048]第一路作為同步電流信號經光電耦合器U9光電隔離后向負極短路保護電路200輸出。
[0049]第二路向D觸發器U5輸送，當開啟過電流保護功能(選擇開關S2接高電平)時，該電流幅值比較結果信號經或非門U4反相后送入D觸發器U5的輸入端(D端)，根據整定電流對過電流判定用定時器Iio的延時時間進行設定,并將過電流判定用定時器110輸出的延時脈沖信號作為D觸發器U5的時鐘信號，于是，D觸發器U5基于接收的延時脈沖信號對電流幅值比較結果信號的反相信號中的脈沖寬度實現測量，并將測量結果輸出。當流經電流取樣電阻Rl的電流持續大于整定電流時，D觸發器U5持續輸出高電平而驅動時間繼電器112，經過時間繼電器112進行時間限定后，即流經正極側電流取樣電阻Rl的電流持續大于整定電流的時間達到時間繼電器112的限定時間后，向中間繼電器K2的線圈輸送高電平，于是線圈得電，過電流跳閘，實現過電流保護。當流經正極側電流取樣電阻Rl的電流低于整定電流后，在延時時間到達之前，D觸發器U5的輸出已為低電平“0”，從而該中間繼電器K2的線圈立刻失電，停止過電流保護。該過電流保護對于光伏發電組件與正、負極輸出端X1、X3之間一點短路或者兩點異地接地短路的(反方向)電流超限有可靠的過流保護作用，而對于區外的短路故障，由于沒有足夠的故障電流流經，因而過電流保護不起作用。
[0050]第三路向異或非門Ul的一端輸送，該異或非門Ul的另一端接收負極短路保護電路200發來的同步電流信號(負極短路保護電路200輸出的電流幅值比較結果信號)，于是異或非門Ul對正、負極短路保護電路100、200分別輸出的電流幅值比較結果信號進行比較，若兩者的脈沖寬度一樣，即流經正極側電流取樣電阻Rl的電流與流經負極側電流取樣電阻R3的電流一樣，則輸出低電平，否則輸出高電平。當開啟差電流保護功能(選擇開關SI接高電平)時，該異或非門Ul輸出的電平信號經或非門U3反相后送入D觸發器U2的輸入端(D端)，同時異或非門Ul輸出的電平信號也輸送給單穩態觸發器106,單穩態觸發器106的負邏輯輸出端輸出的脈沖信號作為D觸發器U2的時鐘信號。通過對單穩態觸發器106輸出的脈沖信號的寬度進行設定(如設定脈沖信號寬度為被測電流的容許測量誤差與可靠性系數乘積)，使D觸發器U2基于接收到單穩態觸發器106輸出的脈沖信號，對脈沖寬度差值進行測量(即對正、負極短路保護電路100、200分別輸出的電流幅值比較結果信號中的脈沖寬度差值進行測量)，并將測量結果輸出。正常情況下，流經正極側電流取樣電阻Rl的電流與流經負極側電流取樣電阻R3的電流是一樣的，在單穩態觸發器106輸出脈沖信號結束之前，D觸發器U2的輸出已為低電平“0”，從而該中間繼電器Kl的線圈為失電狀態，不進行差電流保護。當脈沖寬度差值持續大于設定差異閾值(即在單穩態觸發器106輸出脈沖信號結束的時刻，D觸發器U2仍然接收高電平，差異仍然存在)時，D觸發器U2持續輸出高電平而驅動時間繼電器108，經過時間繼電器108進行時間限定后，即脈沖寬度差值持續大于設定差異閾值的時間達到時間繼電器108的限定時間后，向中間繼電器Kl的線圈輸送高電平，于是線圈得電，差電流跳閘，實現差電流保護。當經差電流保護后恢復正常時，D觸發器U2又輸出低電平“0”，于是差電流保護停止。在差電流保護中，兩個光電耦合器U9、U10起到了將正負極短路保護連接在一起同步工作的作用。該差電流保護可對正、負極輸出端X1、X3中任一點構成的兩點異地接地故障起到差電流保護作用，對因任何原因造成的正、負極輸出端X1、X3之間電流不平衡而發生的短路故障均有效，對極小的故障電流具有極聞的靈敏性。
[0051]在鎖相環時鐘脈沖信號發生器101向鋸齒波信號發生器103輸出時鐘脈沖信號的同時，其也向低阻抗判定用定時器116輸送時鐘脈沖信號(即低阻抗判定用定時器116與鋸齒波信號發生器103同步工作)，低阻抗判定用定時器116對每一時鐘脈沖的上升沿觸發輸出一個上升沿延時的脈沖。電流方向鑒別器114檢測流經正極側電流取樣電阻Rl的電流方向。在本發明中，設定圖2中箭頭所示方向為正常工作電流方向。那么，當開啟低阻抗(低電壓)保護功能(選擇開關S3接高電平)時且當實際電流方向與設定的正常工作電流方向一致時(電流方向鑒別器114向與門U7輸送高電平)，低阻抗保護功能才可以使用，否則低阻抗保護功能無法使用。電壓幅值比較器115的正、負輸入端分別接收鋸齒波信號發生器103輸出的周期性鋸齒波信號、經由正極側電壓取樣電阻302采集的電壓取樣信號進行反相后得到的信號，然后對其兩者之間進行幅值比較，輸出以脈沖寬度為特征的電壓幅值比較結果信號(鋸齒波信號大于電壓取樣信號時，電壓幅值比較器115輸出高電平，即電壓幅值比較結果信號中以高電平變位輸出)。當低阻抗保護功能可以使用時，電壓幅值比較結果信號便會送入D觸發器U8的輸入端(D端)。
[0052]根據整定電壓對低阻抗判定用定時器116的延時時間進行設定，并將低阻抗判定用定時器116輸出的延時脈沖信號作為D觸發器U8的時鐘信號，于是，D觸發器U8基于接收的延時脈沖信號對電壓幅值比較結果信號中的脈沖寬度實現測量，并將測量結果輸出。當電壓取樣電阻R2上的電壓持續低于整定電壓時，D觸發器U8持續輸出高電平而驅動時間繼電器119，經過時間繼電器119進行時間限定后，即正極側電壓取樣電阻R2上的電壓持續低于整定電壓的時間達到時間繼電器119的限定時間后，向中間繼電器K3的線圈輸送高電平，于是線圈得電，低阻抗跳閘，實現低阻抗保護。當正極側電壓取樣電阻R2上的電壓大于整定電壓后，或者實際電流方向與設定的正常工作電流方向反向時發生短路故障，或者選擇開關S3接低電平時，在延時時間到達之前，D觸發器U8的輸出已為低電平“0”，此時該中間繼電器K3的線圈為失電，低阻抗保護停止。該低阻抗保護特別適用于光伏發電系統中的低壓直流系統。在實際中可以發現，光伏發電系統中的光伏發電組件作為電源時在短路前后其供給的電流幾乎不變，而正、負極輸出端X1、Χ3處的電壓卻隨著外部阻抗的降低表現為電壓的顯著降低，因此，本發明利用了這個電壓顯著降低的特點，來對光伏發電系統的低壓直流系統實現低電壓保護，用于切除任何情況下引起的正、負極輸出端X1、Χ3處電壓降低的短路故障。
[0053]負極短路保護電路200的差電流保護功能、過電流保護功能、低阻抗保護功能的實現原理與正極短路保護電路100基本相同，故不再在這里贅述。
[0054]在實際設計中，本發明除了由上述具有同步時序特點的模擬與邏輯混合電路構成夕卜，還可以采用單片機與模擬、邏輯電路混合構成。如圖3，從圖3與圖2的比較可以看出，正極短路保護電路100中的鎖相環時鐘脈沖信號發生器101、電流差比較器105、差電流保護判定電路107、單穩態觸發器106、過電流判定用定時器110、過電流保護判定電路111、電流方向鑒別器114、低阻抗判定用定時器116、電流方向開關117、低阻抗保護判定電路118、時間繼電器108、112、119可由單片機UO替代。同理，負極短路保護電路200中的鎖相環時鐘脈沖信號發生器201、電流差比較器205、差電流保護判定電路207、單穩態觸發器206、過電流判定用定時器210、過電流保護判定電路211、電流方向鑒別器214、低阻抗判定用定時器216、電流方向開關217、低阻抗保護判定電路218、時間繼電器208、212、219可由一個單片機來替代。在實際中，單片機選擇可發揮其替代器件所具功能的單片機即可。另外，在實際中，可以設置選擇開關SI?S3并將它們與單片機連接，或者采用軟件模擬的保護壓板來實現選擇開關的功能。
[0055]圖3示出了由單片機與模擬、邏輯電路混合構成的本發明。在實際實施中，以正極短路保護電路100為例，單片機UO可按照下面的步驟來運行，以實現各種短路保護功能。
[0056]步驟一:經由選擇開關SI?S3關閉所有短路保護功能，單片機UO上電且關閉其所有輸出并進行初始化(初始化數據存儲器、片內定時器及其匹配器、A / D轉換器及系統狀態)，開啟所有D1、A1 口的采樣中斷功能；
[0057]步驟二:滾動檢查所有DI 口接收的采樣數據，若連續3次接收的采樣數據一致，則進入步驟三，否則重復步驟二 ；
[0058]步驟三:經由選擇開關S2、S3開啟過電流和低電壓保護功能，同時啟動鋸齒波信號發生器103 ；
[0059]步驟四:若單片機UO設定的時鐘脈沖的前沿到達，則接收DI 口和Al 口的采樣數據，并按照保護邏輯進行計算處理(對電壓和電流執行除法運算，提供基于故障測距的距離保護)，實現階梯、多段時限的過電流和低電壓保護，否則，等待；
[0060]步驟五:檢查負極短路保護電路200發來的同步電流信號，若存在同步電流信號，則經由選擇開關SI開啟差電流保護功能，進入步驟六，否則，跳至步驟七；
[0061]步驟六:單片機UO對鎖相環時鐘脈沖信號進行同步處理并輸出，接收DI 口和Al口的采樣數據，并按照保護邏輯進行計算處理，實現差電流保護；
[0062]步驟七:單片機UO向各中間繼電器Kl?K3輸出保護邏輯計算結果；
[0063]步驟八:計算此時取樣點的電流和電壓；
[0064]步驟九:在所有軟件模擬的D觸發器的輸出處于“O”狀態時，依據網絡端口的請求任務，處理高級任務；
[0065]步驟十:若時鐘脈沖前沿到達或者無請求任務，則跳至步驟四，由此執行循環處理。
[0066]從上述描述過程可以看出，鋸齒波信號發生器103分別與電流幅值比較器104、電壓幅值比較器115 —起提供了快速的電流、電壓測量功能，兩個光電耦合器U9、UlO提供了將正負極短路保護連接在一起同步工作的功能，而單片機UO通過內部建立的多套動作定值和多個時間繼電器，提供了階梯、多段時限的差電流、過電流和低電壓保護功能。
[0067]本發明的優點是:
[0068]本發明依據低壓直流系統的電路結構特征及短路故障的電路特征，為低壓直流系統提供了差電流保護、過電流保護以及低阻抗保護(即低電壓保護)三種短路保護措施且這三種短路保護可視實際需要選擇啟用，其中的低阻抗保護特別適用于光伏發電系統中的低壓直流系統，本發明實現的短路故障判斷準確、可靠，能以最快速度切除電氣短路故障，將故障危害限制在最低范圍。
[0069]當本發明應用于光伏發電系統中的低壓直流系統中時，本發明可對光伏發電系統中的光伏發電組件的回路及外部短路故障解決已有過電流保護存在的保護靈敏性不足的問題，對區內、區外以及區內外異地接地短路故障提供可靠且具有選擇性的保護。
[0070]以上所述是本發明的較佳實施例及其所運用的技術原理，對于本領域的技術人員來說，在不背離本發明的精神和范圍的情況下，任何基于本發明技術方案基礎上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬于本發明保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種低壓直流系統短路保護電路，其特征在于:它包括正極短路保護電路、負極短路保護電路，正極側電流取樣電阻的一端與低壓直流系統的正極輸出端、該正極短路保護電路的電流取樣端連接，該正極側電流取樣電阻的另一端依次經由正極側電壓取樣電阻、公共電阻、負極側電壓取樣電阻與該低壓直流系統的負極輸出端連接，該正極側電流取樣電阻與該正極側電壓取樣電阻的公共端作為負載正極端，該正極側電壓取樣電阻與該公共電阻的公共端與該正極短路保護電路的電壓取樣端連接，該正極短路保護電路的同步信號輸出端與該負極短路保護電路的同步信號輸入端連接，該負極側電壓取樣電阻與該公共電阻的公共端與該負極短路保護電路的電壓取樣端連接，該低壓直流系統的負極輸出端經由負極側電流取樣電阻與該負極短路保護電路的電流取樣端連接且該負極短路保護電路的電流取樣端同時作為負載負極端，該負極短路保護電路的同步信號輸出端與該正極短路保護電路的同步信號輸入端連接，該正極短路保護電路、該負極短路保護電路的跳閘信號輸出端分別與該低壓直流系統中相應的跳閘線圈連接，其中:該正極短路保護電路、該負極短路保護電路同時具有差電流保護子電路和/或低阻抗保護子電路。
2.如權利要求1所述的低壓直流系統短路保護電路，其特征在于: 對于所述正極短路保護電路: 所述差電流保護子電路包括電流幅值比較器，該電流幅值比較器的一個輸入端與所述正極短路保護電路的電流取樣端連接而另一個輸入端與鋸齒波信號發生器的輸出端連接，該鋸齒波信號發生器的脈沖信號輸入端與鎖相環時鐘脈沖信號發生器的輸出端連接，該鎖相環時鐘脈沖信號發生器的同步控制輸入端與所述負極短路保護電路的同步信號輸出端連接，電流差比較器的兩個輸入端分別與該電流幅值比較器的輸出端、所述正極短路保護電路的同步信號輸入端連接，該電流差比較器的輸出端依次經由差電流保護判定電路、時間繼電器、差電流保護啟動電路與相應所述跳閘線圈連接， 所述低阻抗保護子電路包括電壓幅值比較器，該電壓幅值比較器的一個輸入端經由反相器與所述正極短路保護電路的電壓取樣端連接而另一個輸入端與該鋸齒波信號發生器的輸出端連接，電流方向鑒別器的一個輸入端與所述正極短路保護電路的電流取樣端連接而另一個輸入端接比較基準電壓，該電流方向鑒別器、該電壓幅值比較器的輸出端分別與電流方向開關的相應信號接收端連接，該電流方向開關的信號輸出端依次經由低阻抗保護判定電路、時間繼電器、低阻抗保護啟動電路與相應所述跳閘線圈連接； 對于所述負極短路保護電路: 所述差電流保護子電路包括電流幅值比較器，該電流幅值比較器的一個輸入端與所述負極短路保護電路的電流取樣端連接而另一個輸入端與鋸齒波信號發生器的輸出端連接，該鋸齒波信號發生器的脈沖信號輸入端與鎖相環時鐘脈沖信號發生器的輸出端連接，該鎖相環時鐘脈沖信號發生器的同步控制輸入端與所述正極短路保護電路的同步信號輸出端連接，電流差比較器的 兩個輸入端分別與該電流幅值比較器的輸出端、所述負極短路保護電路的同步信號輸入端連接，該電流差比較器的輸出端依次經由差電流保護判定電路、時間繼電器、差電流保護啟動電路與相應所述跳閘線圈連接， 所述低阻抗保護子電路包括電壓幅值比較器，該電壓幅值比較器的一個輸入端與所述負極短路保護電路的電壓取樣端連接而另一個輸入端與該鋸齒波信號發生器的輸出端連接，電流方向鑒別器的一個輸入端與所述負極短路保護電路的電流取樣端連接而另一個輸入端接比較基準電壓，該電流方向鑒別器、該電壓幅值比較器的輸出端分別與電流方向開關的相應信號接收端連接，該電流方向開關的信號輸出端依次經由低阻抗保護判定電路、時間繼電器、低阻抗保護啟動電路與相應所述跳閘線圈連接。
3.如權利要求1或2所述的低壓直流系統短路保護電路，其特征在于: 所述正極短路保護電路的同步信號輸出端經由光電耦合器與所述負極短路保護電路的同步信號輸入端連接；所述負極短路保護電路的同步信號輸出端經由光電耦合器與所述正極短路保護電路的同步信號輸入端連接。
4.如權利要求2所述的低壓直流系統短路保護電路，其特征在于: 所述正極短路保護電路、所述負極短路保護電路同時具有過電流保護子電路。
5.如權利要求4所述的低壓直流系統短路保護電路，其特征在于: 對于所述正極短路保護電路: 所述過電流保護子電路包括過電流保護判定電路，該過電流保護判定電路的輸入端與所述正極短路保護電路的所述電流幅值比較器的輸出端連接，該過電流保護判定電路的輸出端依次經由時間繼電器、過電流保護啟動電路與相應所述跳閘線圈連接； 對于所述負極短路保護電路: 所述過電流保護子電路包括過電流保護判定電路，`該過電流保護判定電路的輸入端與所述負極短路保護電路的所述電流幅值比較器的輸出端連接，該過電流保護判定電路的輸出端依次經由時間繼電器、過電流保護啟動電路與相應所述跳閘線圈連接。
6.如權利要求2所述的低壓直流系統短路保護電路，其特征在于: 在所述正極短路保護電路中:所述電流差比較器包括異或非門；所述差電流保護判定電路包括D觸發器，該D觸發器的輸入端經反相器與該異或非門的輸出端連接，該D觸發器的時鐘端經由單穩態觸發器與該異或非門的輸出端連接；所述電流方向開關包括與門；所述低阻抗保護判定電路包括D觸發器，該D觸發器的輸入端與該與門的輸出端連接，該D觸發器的時鐘端經由所述低阻抗判定用定時器與所述鎖相環時鐘脈沖信號發生器的輸出端連接；所述差電流保護啟動電路、所述低阻抗保護啟動電路均包括中間繼電器； 在所述負極短路保護電路中:所述電流差比較器包括異或非門；所述差電流保護判定電路包括D觸發器，該D觸發器的輸入端經反相器與該異或非門的輸出端連接，該D觸發器的時鐘端經由單穩態觸發器與該異或非門的輸出端連接；所述電流方向開關包括與門；所述低阻抗保護判定電路包括D觸發器，該D觸發器的輸入端與該與門的輸出端連接，該D觸發器的時鐘端經由所述低阻抗判定用定時器與所述鎖相環時鐘脈沖信號發生器的輸出端連接；所述差電流保護啟動電路、所述低阻抗保護啟動電路均包括中間繼電器。
7.如權利要求5所述的低壓直流系統短路保護電路，其特征在于: 在所述正極短路保護電路中:所述過電流保護判定電路包括D觸發器，該D觸發器的輸入端經反相器與所述電流幅值比較器的輸出端連接，該D觸發器的時鐘端經由所述過電流判定用定時器與所述鎖相環時鐘脈沖信號發生器的輸出端連接；所述過電流保護啟動電路包括中間繼電器； 在所述負極短路保護電路中:所述過電流保護判定電路包括D觸發器，該D觸發器的輸入端經反相器與所述電流幅值比較器的輸出端連接，該D觸發器的時鐘端經由所述過電流判定用定時器與所述鎖相環時鐘脈沖信號發生器的輸出端連接；所述過電流保護啟動電路包括中間繼電器。
8.如權利要求5所述的低壓直流系統短路保護電路，其特征在于: 所述正極短路保護電路中的所述鎖相環時鐘脈沖信號發生器、所述電流差比較器、所述差電流保護判定電路、所述單穩態觸發器、所述過電流判定用定時器、所述過電流保護判定電路、所述電流方向鑒別器、所述低阻抗判定用定時器、所述電流方向開關、所述低阻抗保護判定電路、所有所述時間繼電器由一個單片機替代； 所述負極短路保護電路中的所述鎖相環時鐘脈沖信號發生器、所述電流差比較器、所述差電流保護判定電路、所述單穩態觸發器、所述過電流判定用定時器、所述過電流保護判定電路、所述電流方向鑒別器、所述低阻抗判定用定時器、所述電流方向開關、所述低阻抗保護判定電路、所有所述時間繼電器由一個單片機替代。
9.如權利要求1所述的低壓直流系統短路保護電路，其特征在于: 各個所述跳閘線圈為同一跳閘線圈或不同的跳閘線圈。
【文檔編號】H02H3/087GK103762548SQ201410014338
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月13日 優先權日:2014年1月13日
【發明者】武書龍 申請人:北京愷思維特科技有限責任公司