多功能電子式斷路器的制作方法

專利名稱：多功能電子式斷路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用等全過程中的自動(dòng)檢測、控制、保護(hù)之用的一種新型通、斷電路裝置。
在現(xiàn)有的公知技術(shù)中，斷路器功能比較單一，一般只有過電流、短路兩種功能(現(xiàn)在也有附加漏電功能)。而基本工作原理是用熱元件(雙金屬片)或液壓電磁式(油杯式)進(jìn)行保護(hù)的。
其缺陷在于1、功耗大。雙金屬片是以電流通過電阻發(fā)熱、變形、彎曲而工作的。據(jù)推算，每年全國僅消耗在雙金屬片上電能就不下數(shù)十億度。
2、消耗有色金屬材料驚人。液壓電磁式每萬臺(tái)要附加消耗數(shù)噸銅材和硅油;雙金屬片式的也要消耗數(shù)百公斤雙金材料。
3、理論脫離實(shí)際，可靠性差。液壓電磁式無法在使用現(xiàn)場通過整定使之與實(shí)際使用中的線電流相匹配。熱元件式雖能整定，也只能是跟著感覺走-憑經(jīng)驗(yàn)和感覺整定。選用(或熱元件的現(xiàn)場整定)時(shí)，只能根據(jù)理論計(jì)算的線路額定電流值，而無法在現(xiàn)場使之與實(shí)際正常運(yùn)行電流值相吻合，這也就是可靠性低的根本所在。
4、穩(wěn)定性差。尤其是雙金材料是采用兩種膨脹系數(shù)不同的金屬材料制成的，當(dāng)電流通過該段阻性材料后產(chǎn)生熱，并利用熱效應(yīng)下的物理特征而達(dá)到分?jǐn)嚯娐返哪康?。同樣也就存在外界物理環(huán)境如環(huán)境溫度、散熱條件等都會(huì)使這種靠溫度動(dòng)作的機(jī)構(gòu)產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)。內(nèi)部物理特性的變化起動(dòng)電流的沖擊或長期通電，都會(huì)使雙全材料內(nèi)部的金相結(jié)構(gòu)發(fā)生物理變化，而無法再恢復(fù)到原有的整定值上去。
5、功能不全面。尤其是對造成電機(jī)設(shè)備傷害最大的故障缺相運(yùn)行沒有有效的保護(hù)，只是依靠缺相后電流的變化作為依據(jù)，而由于上述第二條“理論脫離實(shí)際”的事實(shí)存在，對缺相運(yùn)行保護(hù)的可靠性極差。
6、無斷零保護(hù)功能。對三相四線供電網(wǎng)絡(luò)中因中性線(零線)斷路(開路)而造成的在此范圍內(nèi)，凡是正在運(yùn)行中且以中性線為回路的用電設(shè)備全部損壞的故障，沒有任何防護(hù)功能。
7、沒有明確的故障記憶指示。當(dāng)發(fā)生故障分?jǐn)嚯娐泛?，不能明確指示出故障原因所在，給維護(hù)人員作出正確判斷代來不便。
本發(fā)明的任務(wù)是1、將過電流、短路、漏電、缺相運(yùn)行、斷零等多種保護(hù)功能以積木式單元電路有機(jī)的組合在一起，使多種零部件、元器件、外殼等能同時(shí)為多種保護(hù)功能所共用。
2、對過電流、短路保護(hù)功能采用了一個(gè)服從歐姆定律的無功耗;造價(jià)低;不消耗有色金屬材料;不受外界環(huán)境、溫度影響;且能真正“理論聯(lián)系實(shí)際”-在使用現(xiàn)場方便、可靠、準(zhǔn)確的整定到和線路的實(shí)際運(yùn)行電流相匹配。
3、對缺相運(yùn)行的保護(hù)功能，采用了浮點(diǎn)電壓運(yùn)行的原理，制作出微功耗;無互感器;不受線路實(shí)際運(yùn)行電流大小、有無的影響;不受電機(jī)、設(shè)備的接法、極數(shù)影響的全電子線路取代。
4、在中性線出現(xiàn)斷路、開路故障時(shí)，電子線路立即發(fā)出指令，斷路器將在瞬間分?jǐn)嚯娐贰?br> 5、除對線路實(shí)際運(yùn)行與斷路器保護(hù)電流匹配是否正確，是否達(dá)到最佳匹配狀態(tài)都有明確的指示外，并能在電路分?jǐn)嗪竺鞔_的指示出造成電路分?jǐn)嗟墓收显颉?br> 6、改變相應(yīng)的元器件參數(shù)、型號(hào)，即可方便的應(yīng)用到不同電壓、電流范圍內(nèi)作通斷電路的控制裝置。也可和交流接觸方便的配套使用，直至可以成為新型的防爆電器。
解決任務(wù)的方法1、根據(jù)歐姆定律“電壓或電流的有效值(或最大值)之比等于電阻”。這一原理，從斷路器內(nèi)部的動(dòng)觸頭到輸出接線端之間的電阻為mΩ、hΩ數(shù)量級(jí)的導(dǎo)體上，取出電流通過該段導(dǎo)體后而產(chǎn)生的忠實(shí)服從歐姆定律的mv級(jí)壓降信號(hào)，此信號(hào)即為過電流、短路保護(hù)功能的基本信號(hào)源。將該信號(hào)送入電壓比較器Ic(集成塊)中比較，當(dāng)有超出允許的電壓值(即為超出允許的線電流)出現(xiàn)時(shí)，Ic塊即有指令輸出。
2、當(dāng)三相設(shè)備，尤其是電動(dòng)機(jī)，發(fā)生缺相運(yùn)行時(shí)，如A相，此時(shí)B、C兩相電壓通過電動(dòng)機(jī)澆組交替的出現(xiàn)在A相線路上。對三相四線供電而言，此時(shí)A相對中性點(diǎn)-零線將產(chǎn)生一個(gè)較大的電壓偏離。而對三相三線來說就必須在斷路器內(nèi)部重新構(gòu)成一個(gè)新的中性點(diǎn)，并將此信號(hào)以浮點(diǎn)電壓運(yùn)行的方式，送入Ic塊內(nèi)比較。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，Ic塊即有信號(hào)輸出。
3、當(dāng)三相四線配電線路中的中性線-零線在外力、碰撞、過流、短路等種種因素下出現(xiàn)了開路、斷路時(shí)，其余三相相線上的相電壓，均通過該網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)正在運(yùn)行中的且以中性線為另一供電回路的各種電器、設(shè)備內(nèi)部的電氣回路，以120°電磁角交替的出現(xiàn)在中性線上。此時(shí)在此網(wǎng)絡(luò)內(nèi)凡以中性線為回路且正在運(yùn)行中的各種設(shè)備，都將要承受超出其額定電壓
倍的高壓而在短時(shí)間內(nèi)被摧毀容性負(fù)載將被擊穿;感性負(fù)載將被燒毀;阻性負(fù)載將被熔斷。本發(fā)明正是利用中性線上出現(xiàn)了
倍的高壓，讓電子線路發(fā)生指令迅速分?jǐn)嚯娐贰?br> 4、將電源部分;執(zhí)行部分;運(yùn)行和故障記憶指示部分;漏保護(hù)部分;過電流、短路保護(hù)部分;缺零保護(hù)部分;缺相保護(hù)部分;都做成了獨(dú)立的電路塊，可以方便的進(jìn)行組合和增減。
5、將各功能塊所發(fā)生的指令信號(hào)，同時(shí)送入執(zhí)行部分和故障記憶指示部分，構(gòu)成了各種保護(hù)功能的故障記憶指示。
圖一為組合后整體原理方框圖。
圖二為電源部分電氣原理圖。
圖三為執(zhí)行部分電氣原理圖。
圖四為故障記憶指示部分電氣原理圖。
圖五為過電流、短路保護(hù)部分電氣原理圖。
圖六為缺相保護(hù)部分電氣原理圖。
圖七為漏電保護(hù)部分電氣原理圖。
圖八為缺零保護(hù)部分電氣原理圖。
參照附圖
對本發(fā)明的工作過程按附圖順序作一詳細(xì)說明。
圖一為組合后整體原理方框圖，圖中A1＝電源部分，A2＝執(zhí)行部分，A3＝故障記憶指示部分;AB1＝過電流、短路保護(hù)部分，AB2＝缺相保護(hù)部分，AB3＝漏電保護(hù)部分;AB4＝缺零保護(hù)部分。
圖二為電源部分電氣原理圖，圖中K＝電源開關(guān)，兼有消除記憶-清零功能。B1＝電源變壓器，D1-D4＝橋整流，C1＝濾波電容，R1＝限流，DW1＝穩(wěn)壓，C2＝再次濾波后供給各功能部分以穩(wěn)定的工作電源。
圖三-1為執(zhí)行部分電氣原理圖，圖中L＝脫扣線圈，3CT1＝執(zhí)行可控硅，當(dāng)控制極得到高電平信號(hào)時(shí)，立即導(dǎo)通，L得電而使斷路器脫扣自動(dòng)分?jǐn)嚯娐罚琑3·C4＝阻·容抗干擾。C3、D5、R2的功能將在后面短路保護(hù)功能里敘述。
圖三-2為通過繼電器J去控制如交流接觸器脫機(jī)線圈等可作遠(yuǎn)距離操作控制的設(shè)備和電路中去。
圖四為故障記憶指示部分電氣原理圖，圖中R4、R6、R8、R10、R12＝限流電阻，LED1＝過電流指示，LED2＝短路指示，LED3＝漏電指示，LED4＝缺相指示，LED5＝缺零指示，其余各相應(yīng)的可控硅及其阻容元件構(gòu)成了具有抗干擾性能的觸發(fā)記憶控制回路。
圖五-1為過電流、短路保護(hù)部分第一種采樣方式電氣原理圖。集成塊(IC1)雙輸入端接到斷路器內(nèi)部動(dòng)觸頭至輸出接線端之間相應(yīng)的(A，B)兩點(diǎn)上，在有電流流過時(shí)，兩點(diǎn)間必然會(huì)產(chǎn)生成正比的壓降信號(hào)(VY)，此信號(hào)進(jìn)入TC1，由R14和RW1構(gòu)成比例運(yùn)算，放大后由D6整流輸出。由于IC1兩輸入端之間只有mΩ、nΩ數(shù)量級(jí)的阻值存在，完全可以認(rèn)為是短路狀態(tài)，因此抗干擾性能極強(qiáng)。信號(hào)放大的比例，由RW1在生產(chǎn)線上整定出，即為該斷路器的保護(hù)電流范圍，如10A-20A，50A-100A，250A-500A……。
考慮到銅材導(dǎo)體的溫度系數(shù)0.004Ω/℃對信號(hào)的影響，即溫度每上升一度，銅導(dǎo)體上的電阻值就下降0.004，相應(yīng)的A·B點(diǎn)間輸出的壓降信號(hào)(VY)也就降低了0.004。而目前的普通集成電路也都有一定的溫度系數(shù)(0.001β/℃-0.01β/℃)，也就是說溫度每上升一度，輸入信號(hào)的靈敏度也上升0.001-0.01。在實(shí)際生產(chǎn)中可選用0.004B/℃的集成電路，使正負(fù)溫度系數(shù)相抵消，而消除溫度對可靠性和靈敏度的影響。
D6輸出的信號(hào)經(jīng)RW2和R15對地分壓后經(jīng)R16送IC4、IC5、IC6、IC7與已設(shè)定的各自門電位相比較。當(dāng)R16送出的信號(hào)電位低于由R17和R18構(gòu)成的電位門時(shí)，R12有高電平輸出，LED6點(diǎn)燃，指示出RW2在目前的分壓位置時(shí)，線路目前運(yùn)行的實(shí)際電流低于過電流保護(hù)裝置的保護(hù)電流值。應(yīng)當(dāng)提高RW2的分壓值，使保護(hù)電流值與實(shí)際電流相匹配。整定RW2，使其分壓電位逐漸上升，升到略高于IC4的門電位時(shí)，LED6熄來。同時(shí)該電位也就是IC5的開門電位，LED7點(diǎn)燃，指示出RW2處于目前分壓位置時(shí)，線路目前運(yùn)行的實(shí)際電流已進(jìn)入斷路器過電流保護(hù)的最佳保護(hù)范圍。如RW2的分壓繼續(xù)上升，達(dá)到IC6、IC7的門電位時(shí)，則IC6、IC7同時(shí)開門，LED8點(diǎn)燃，指示為整定出界，電腦已判斷為過電流并進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。應(yīng)將RW2的分壓位置適當(dāng)降低，使LED8熄滅，整定完畢。理論已聯(lián)系實(shí)際，并進(jìn)入最佳保護(hù)狀態(tài)。在正常運(yùn)行過程中，如果線路中的線電流超出了我們給定的正常值，即過電流現(xiàn)象發(fā)生后，R16輸出的信號(hào)電平不但點(diǎn)燃了LED8，同時(shí)也使IC7進(jìn)入了比例放大狀態(tài)，輸出信號(hào)經(jīng)R29限流后對C10充電，構(gòu)成RC反時(shí)限延時(shí)，并通過D10、D11分別向3CT1和3CT2同時(shí)送出信號(hào)。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度上升到足以打開3CT1和3CT2時(shí)，兩只可控硅均導(dǎo)通，3CT1通過脫扣線圈，使斷路器分?jǐn)嚯娐?，?CT2點(diǎn)燃LED1，指示出分?jǐn)嚯娐返墓收显蚴且驗(yàn)檫^電流。RC反時(shí)限延時(shí)時(shí)間常數(shù)，將由被控回路中最大設(shè)備的起動(dòng)時(shí)間來決定。
由DW2和D7、D8構(gòu)成了瞬動(dòng)保護(hù)回路，當(dāng)RW2整定到最高時(shí)的電位值乘以10(線路配電)、12(電機(jī)、設(shè)備保護(hù)用)后所得的電位值，即為DW2的雪崩值。當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí)，R16輸出的信號(hào)瞬間擊穿DW2，D7、D8立即導(dǎo)通3CT1、3CT3，分?jǐn)嚯娐?，點(diǎn)燃LED2指示出分?jǐn)嚯娐返墓收显驗(yàn)槎搪?。其余兩相的電路和工作情況均與本相同。
當(dāng)采用常規(guī)斷路器的分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)、外殼時(shí)，考慮到輸出端突發(fā)高倍短路，可能會(huì)造成斷路器內(nèi)部分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)瞬間失壓，故而采用了C2、D5、R2組成的儲(chǔ)能回路(見圖三-1)。即使線路瞬間失壓，C3通過L.3CT1向Vee放電，也足以保證了電路的分析。
當(dāng)采用固態(tài)繼電器作為最終分?jǐn)嚯娐返膱?zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)在輸入端加相應(yīng)參數(shù)的快速熔斷器，以防固態(tài)繼電器的損壞。
用固態(tài)繼電器作為最終分?jǐn)嚯娐返膱?zhí)行機(jī)構(gòu)，并在輸入端加上防爆型快速熔斷器，并將全部電路固化處理后，即可構(gòu)成新型體積小、重量輕、功耗微、功能全面、安全可靠的新型防爆電器。
圖五-2為過電流、短路保護(hù)部分的另一種采樣方式采樣部分電氣原理圖。通過B2、B3、B4三只微型信號(hào)變壓器，將MV級(jí)壓降信號(hào)提升到一定的電壓值，經(jīng)D15、D16、D17整流，C1濾波后送到圖五-1中的D6和RW2的交點(diǎn)即可，其余的工作過程，上面已經(jīng)說明。
圖六為缺相保護(hù)部分電氣原理圖。
上述的過電流保護(hù)功能，對一臺(tái)斷路器保護(hù)一臺(tái)設(shè)備、電機(jī)來說，當(dāng)發(fā)生缺相運(yùn)行時(shí)，已在斷路器的可靠保護(hù)范圍內(nèi)。而當(dāng)一臺(tái)斷路器控制一條回路、一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或多臺(tái)設(shè)備，上述過電流保護(hù)對缺相運(yùn)行保護(hù)的可靠性，只能與投運(yùn)容量和被控總?cè)萘砍烧?，即投運(yùn)容量越接近被控總?cè)萘浚煽啃栽礁?。為了解決當(dāng)比率很低時(shí)，出現(xiàn)失控而損壞已投運(yùn)的設(shè)備，故而設(shè)計(jì)了獨(dú)特的缺相保護(hù)功能。
三相電源由R26、R27、R28限流，經(jīng)D18、D19、D20分別整流，由R29、R30、R31分別分壓，C12、C13、C14分別濾波，并構(gòu)成新的中性點(diǎn)，再將三個(gè)分壓信號(hào)中的任一相(圖中D19對應(yīng)相)經(jīng)R32、R33再次分壓構(gòu)成了第四個(gè)不同電位的電壓信號(hào)。并將此四個(gè)不同電位的信號(hào)互相交替，構(gòu)成三組，進(jìn)入IC8、IC9、IC10并互為門電位進(jìn)行比較。以IC8的工作過程為例加以說明。當(dāng)三相電源均正常時(shí)，D18輸入的電位高于D19，IC8輸出為0邏輯，當(dāng)D18所對應(yīng)的電源發(fā)生缺相后，D19輸入的電位高于缺相的D18，IC8輸出為邏輯1，而IC9是當(dāng)D19相對應(yīng)的電源缺相時(shí)有輸出;IC10是當(dāng)D20相對應(yīng)的電源缺相時(shí)有輸出。并以D21、D22、D23構(gòu)成了或邏輯門，輸出的信號(hào)經(jīng)R34、C15延時(shí)，由D24、D25分別導(dǎo)道3CT1、3CT5，而達(dá)到分?jǐn)嚯娐?，并明確指示故障原因的目的。
本電路獨(dú)特之處在于1IC8、IC9、IC10的比較門電壓及其三組信號(hào)對Vee來說都是浮動(dòng)的，隨著電網(wǎng)電壓的變化而變化，但又不會(huì)破壞相互間的比例關(guān)系，從而構(gòu)成了浮點(diǎn)電壓運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)。使本電路在實(shí)際使用中得以避開電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。
2、本電路不是以線路中是否有線電流存在作為判斷是否缺相的依據(jù)，從而可以作為網(wǎng)絡(luò)性的保護(hù)，而不受負(fù)載的影響。本專業(yè)的普通技術(shù)人員，都可以再加若干元件，構(gòu)成了明確指示出缺相的相序。
圖七為觸電、漏電保護(hù)功能電氣原理圖。當(dāng)三相(四線)電源穿過H零序互感器時(shí)，如有觸電、漏電現(xiàn)象發(fā)生，此差動(dòng)電流切割H繞組，即有差動(dòng)信號(hào)輸出。此信號(hào)經(jīng)D26-D29整流，由D30、D31分別導(dǎo)通3CT1、3CT4，達(dá)到分?jǐn)嚯娐凡⒚鞔_指示故障原因的目的。
圖八為缺零保護(hù)功能電氣原理圖。本電路適用三相四線制配電網(wǎng)絡(luò)保護(hù)用。當(dāng)配電網(wǎng)絡(luò)由于種種原因造成中性線-零線出現(xiàn)斷路、開路現(xiàn)象時(shí)，其余三相相線上的相電壓，均通過網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)正在運(yùn)行中的且以中性線為另一供電回路的各種電器設(shè)備內(nèi)部的電氣回路，以120°電磁角交替的出現(xiàn)在中性線上，中性線對應(yīng)其余三相相線的電壓，將升高為正常值的
倍。此高壓經(jīng)R36、RW4分壓后迅速擊穿DW3，由D32、D33分別導(dǎo)道3CT1、3CT6而達(dá)到分?jǐn)嚯娐芳懊鞔_指示故障原因的目的。
至此已經(jīng)表明，本斷路器不但可以達(dá)到大幅度的降低功耗、減少有色金屬消耗，增加和組合了較多的實(shí)用功能，更重要的是采用了非常正規(guī)的工作原理和電子線路，從而徹底解決了現(xiàn)有技術(shù)中各種斷路器、保護(hù)器可靠性低的本質(zhì)問題。只要在生產(chǎn)過程中對相應(yīng)的元器件選用不同的參數(shù)，不但可以應(yīng)用到不同的電壓電流范圍中去，也可以用到控制交流接觸器的通、斷、作遠(yuǎn)距離控制，同時(shí)還可以變?yōu)樾滦偷姆辣娖鳌?br> 權(quán)利要求
1.一種多功能電子式斷路器，其特征在于有電源部分(A1)；執(zhí)行部分(A2)；故障記憶指示部分(A3)；過電流、短路保護(hù)部分(AB1)；缺相保護(hù)部分(AB2)；漏電保護(hù)部分(AB3)；中性線開、斷路保護(hù)部分(AB4)等積木式單元電路組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能電子斷路器，其特征在于A·B兩點(diǎn)間輸出的服從歐姆定律的壓降信號(hào)(VY)，是過電流、短路保護(hù)的基本信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的多功能電子式斷路器，其特征在于通過RW2的現(xiàn)場調(diào)整，可使實(shí)際運(yùn)行電流和斷路器的實(shí)際保護(hù)電流達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，并以LE06、LE07、LE08給予明確的區(qū)分和指示。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能電子式斷路器，其特征在于由R29、R30、R31構(gòu)成新的中性點(diǎn)，并和R26、R27、R28構(gòu)成三個(gè)不同電位的分壓信號(hào)，且R32和R33又構(gòu)成了第四個(gè)不同電位的分壓信號(hào)，并相互交替組成供IC8、IC9、IC10比較的三對浮點(diǎn)運(yùn)行門電位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能電子式斷路器，其特征在于由R36和RW4組成的分壓經(jīng)DW3和D32、D33構(gòu)成了一個(gè)完整的中性線斷，開路保護(hù)功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能電子式斷路器，其特征在于通過LE01、LE02、LE03、LE04、LE05分別明確的指示了造成自動(dòng)分?jǐn)嚯娐返墓收显颉?br> 全文摘要
一種多功能電子式斷路器，由電源部分；執(zhí)行部分；指示部分和過電流；短路；缺相；漏電；中性線斷路、開路等多種保護(hù)功能，由單元電路經(jīng)積木式組合而成?？捎糜陔娏ο到y(tǒng)對不同電流、電壓范圍的控制和保護(hù)之用。對有關(guān)器件參數(shù)適當(dāng)選擇改變，還可用作控制交流接觸器通斷和變?yōu)樾滦头辣娖鳌?br> 文檔編號(hào)H02H3/04GK1066153SQ9110281
公開日1992年11月11日 申請日期1991年4月24日 優(yōu)先權(quán)日1991年4月24日
發(fā)明者闞武 申請人:闞武