专利名称：带有备用快速分闸判断电路的控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电力行业低压控制技术领域，尤其涉及一种带有备用 快速分闸判断电路的控制器，用于智能型万能式低压断路器的控制器。
背景技术：
智能型万能式低压断路器广泛应用于电力低压配电系统，它是电力低 压配电系统过载及短路保护的主要电气设备，而智能控制器则是智能型万
能式低压断路器的控制部件。现有技术的智能控制器，由于采用MCU (微 处理器)或DSC数字信号控制器作为主芯片，其程序初始化的时间较长； 主芯片电源往往配有电源监控芯片使得处理器上电工作时存在上电复位延 时；过载/短路信号经互感器输出后要经过运放电路放大、滤波、经AD采 样转换模块采样转换，软件处理判断后才发出分闸指令，过载/短路保护处 理时间较长，环节较多，通常达到20 40ms，甚至更大；也会因电路中某 个元件损坏或失效，微控制器无法发出断路器分闸信号，以上多种原因会 使主回路短路时断路器延时分断甚至不能分断，从而导致配电系统或设备 过流/短路时间过长。电力输变电主回路上的正常工作电流高达几千安培， 短路时更可能达到几十千安甚至上百千安，虽然国家标准GB 14048中，控 制脱扣延迟时间为小于200ms，但是在如此大短路电流情况下，对用户设 备和配电设备而言，类似于断路器的极限分断，超过50毫秒就是不允许的， 都会使电力部门和用户蒙受重大的经济损失，甚至导致严重的社会影响。 缩短短路分断时间，对于保障安全用电、延长设备使用寿命、降低能耗都 具有重要意义。
为解决此问题，电力行业原有控制器采用的一种备用保护分闸电路是 以速饱和线圈的输出波形作为脱扣依据，虽然能在线路过载/短路故障后在
较短的时间内发出分闸指令，但由于它的判断精度较差，容易造成误动作， 而且，其脱扣脉冲宽度难以控制，使其应用范围有较大的局限性。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的是提供一种带有备 用快速分闸判断电路的控制器，成倍縮短保护分闸时间，提高分闸判断精 度，减少由于分闸引起的事故和损失。本实用新型的技术方案如下
带有备用快速分闸判断电路的控制器，由数字信号控制器DSCll、人 机界面12、运放电路13、互感器输出信号源14、脱扣分闸电路16、磁通 变换器17以及电源18等辅助电路组成，还有一个备用快速分闸判断电路 15，其中
所述的备用快速分闸判断电路15是由三路正、负半波比较器对151、 152、 153和逻辑上拉、滤波电路154以及三个采集分压器155、 156、 157 组成，三路正、负半波比较器对151、 152、 153的输入端分别经过采集分 压器155、 156、 157连接A、 B、 C三相互自输出电压信号源141、 142、 143， 三路正、负半波比较器对151、 152、 153的输出端并联，该并联点通，辑 上拉、滄波鹏154后，即为备用'鹏分闸判断秒各15的输出端，它连接带有备 用快速分断判断电路的控制器1的脱扣分闸电路16的控制端，逻辑上拉、 滤波电路154的另一端接电源Vcc;
所述的互感器输出信号源14包括由互感器空芯线圈输出的电压信号源 和由互感器速饱和线圈输出的电流信号源。
所述的带有备用快速分闸判断电路的控制器，其备用快速分闸判断电 路15的三路的正、负半波比较器对151、 152、 153都是由一个正半波比较 器和一个负半波比较器组成，正半波比较器的比较基准电压为Vw，，负半 波比较器的比较基准电压为Vref-，正、负半波比较器的输入端并连接在采 集分压器的输出端，三路的正、负半波比较器对151、 152、 153分别监测A、 B、 C三相的全波电压；
所述的三路的正、负半波比较器对采用集成器件或分离元件构成，优 先采用多比较器、低功耗、驱动力强的集成器件。所述的带有备用快速分闸判断电路的控制器，其备用快速分闸判断电路15的三路正、负半波比较器对151、 152、 153的比较器为开漏输出比较 器，其输出电路是开漏输出比较器和逻辑上拉、滤波电路154配合构成的 逻辑"与"输出，也可采用普通比较器和逻辑与门数字电路配合构成逻辑 "与"输出；作为优选，采用开漏输出比较器和逻辑上拉、滤波电路154配合构成 逻辑"与"输出。所述的带有备用快速分闸判断电路的控制器，其备用快速分闸判断电 路15的逻辑上拉、滤波电路154由逻辑电压上拉电阻和滤波电容组成，逻 辑电压上拉电阻一端连接电源Vcc，它的另一端为输出接点与三路正、负半 波比较器对的三对输出端相联。所述的带有备用快速分闸判断电路的控制器，其所述磁通变换器17输 入端连接脱扣分闸电路16输出端，磁通变换器17的动铁心连接断路器动 执行机构22，触发磁通变换器动铁心动作的触发脉冲宽度TV由其动作特性 确定，触发脉冲宽度^Tp磁通变换器动铁心动作，触发脉冲宽度〈Tp磁通变 换器动铁心不动作；Tp设定值为2 5 ms ，优选值为3ms。所述的带有备用快速分断判断电路的控制器，所述的采集分压器包括 分压部分和信号采集部分组成，其中分压部分可采用分压电阻器或稳压管； 采集部分可采用电阻或可调电位器；采集分压器优先采用一个固定的分压电阻器和一个作为采样电阻的可调电阻器构成的可调分压采集器；备用快速分闸判断电路(15)正、负半 波比较器的输出脉冲宽度与采集分压器的分压比成正比，调整分压比，使电网主回路达到过流保护定义值时的正、负半波比较器的输出脉冲宽度大于Tp值。所述的带有备用快速分闸判断电路的控制器，其备用快速分闸判断电 路15的正半波比较器的比较基准电压Vw+为+6V +lV，负半波比较器的比 较基准电压V,为-6V -IV，正半波比较器的比较基准电压V^+优选值为 +5V,负半波比较器的比较基准电压V^-优选值为-5V。本实用新型具有明显的效果1. 在智能型万能式低压断路器上增加备用快速分闸判断电路后的产 品，与现有产品相比，提高了可靠性，分断的故障概率就会显著降低。2. 由于备用快速分闸判断电路的分闸命令是直接通过比较空芯互感器 输出电压信号和判断基准电压来产生的，不仅分闸速度快，而且分断精度 容易控制，分闸脉冲宽度容易计算和调整确定，不易造成断路器误动作。3. 在智能型万能式低压断路器上增加备用快速分闸判断电路后的产 品，主回路过载、或者电流不大的短路情况，仍由数字信号控制器通过软 件来执行，保证了断路器应用的灵活性；但在短路电流大的情况下，备用 快速分闸判断电路能瞬时承担断路器的保护功能，在小于10ms时间内执行 保护分闸。
图1为本实用新型的带有备用快速分闸判断电路的控制器原理框图。图2为本实用新型的三相备用快速分闸判断电路原理框图。图3为本实用新型第一实施例的三相备用快速分闸判断电路的电原理图。图4为本实用新型第二实施例的三相备用快速分闸判断电路的电原理图。图5为本实用新型第一实施例备用快速分闸判断电路当互感器输出电 压超过设定值时正、负比较电路对的输入波形示意图。 图6为本实用新型第一实施例备用快速分闸判断电路当互感器输出电 压超过设定值时正、负比较电路对的输出波形示意图；图7为本实用新型第一实施例备用快速分闸判断电路当互感器输出电 压低于设定值时正、负比较电路对的输入波形示意图。图8为本实用新型第一实施例备用快速分闸判断电路当互感器输出电 压低于设定值时正、负比较电路对的输出波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型发明作进一步的叙述。图1给出了本实用新型的带有备用快速分闸判断电路的控制器原理框 图，使智能型万能式低压断路器的控制器1带有了备用快速分闸判断电路 15，备用快速分闸判断电路15从电网主回路2套接在变压器线路中的三相 电流互感器21上采集到A、 B、 C三相交流电流信号，判断电路实时监测， 与基准电压比较，当电网主回路2的负载端出现故障，快速判断，向脱扣 分闸电路16输出脱扣驱动脉冲，脱扣分闸电路控制磁通变换器18触发断 路器执行机构22分闸。本实用新型所述的带有备用快速分断判断电路的控制器1，由数字信号 控制器11、人机界面包括的键盘和液晶显示器12、互感器21、运放电路 13、互感器信号采集电路14、备用快速分闸判断电路15、脱扣分闸电路16、 磁通变换器17及电源18等辅助电路组成。互感器21包含空芯线圈和速饱 和线圈，其中的空芯线圈在正常工作状态下为数字信号控制器发出分闸命 令提供判断依据，其空芯线圈输出电压信号波形为正弦波。而速饱和线圈 一般用于当控制器工作电源失效时的电源备用，在较大电流时其明显的饱 和特性会产生波形畸变。当数字信号控制器11对保护信号判断处理后发出 脱扣分闸控制信号时，控制脱扣分闸电路16驱动断路器的磁通变换器17 产生脱扣分闸动作。这是通过硬件和软件实现脱扣分闸动作，输出脉冲宽 度设定值Tp为3ms，只有数字信号控制器11的输出脉冲宽度》3ms才能驱 动磁通变换器动作，并且，脱扣分闸动作有十几ms甚至几十ms的延迟。
而备用快速分闸判断电路，是通过硬件电路对空芯线圈输出电压信号进行 监测，当线圈输出信号大于设定值并达到一定的脉冲宽度，电路驱动脱扣分闸电路16使断路器快速分闸，脱扣分闸动作有几ms的延迟。图2和图3为本实用新型的三相备用快速分闸判断电路原理框图和本 实用新型第一实施例三相备用快速分闸判断电路的电原理图。三相备用快 速分闸判断电路采用两块四比较器集成器件，型号为MCP6549, A、 B相 正、负半波比较器对合用一块四比较器集成器件，C相正、负半波比较器 对单独用一块四比较器集成器件。采集分压器分压部分和采集部分组成， 采集分压器的输入端从三相的互感器电压信号输出端实时采集电网主回路 交流电流信息，信息分压部分的分压后，将采集部分两端的电压信号加到 正、负半波比较器的比较信号输入端。以图3中A相正、负半波比较器对 电路为例进行描述，A相空芯互感器输出经三相备用快速分闸判断电路的A 相空芯互感器输入端，将采集的电压信号加到由分压部分和采集部分的分 压采集器，经分压后采集部分即采样电阻两端的的电压信号分别加到NIA 比较器的2脚和NIB比较器的5脚，比较基准电压V^+为+5V、 V^为-5V， +5V加到NIA比较器的3脚，-5V加到NIA比较器的6脚，NIA比较器的 输出为1脚，NIB比较器的输出为7脚，1脚和7脚接在由117和C5组成的 逻辑上拉、滤波输出电路的输出接点。当采样电阻输出的交流比较信号的 正半波幅值〉+5V，或负半波幅值〈-5V时，在输出电路输出负脉冲，加到脱 扣分闸电路的输入端；但只有驱动负脉冲脉宽》3ms，加到脱扣分闸电路的 输入端的驱动负脉冲才能触发磁通变换器并控制断路器脱扣分闸。图4为本实用新型第二实施例三相备用快速分闸判断电路的电原理图。 分闸判断电路的三个比较器对， 一个MCP6549型四路比较器集成块N1A 和N1B比较器对完成对A相的短路保护，N2A和N2B比较器对完成对B 相的短路保护，另一个MCP6549型集成块的比较器对N1A和N1B完成对 C相的短路保护。以A相保护功能为例，其保护功能实现过程如下A相 空芯互感器输出经三相备用快速分闸判断电路的A相空芯互感器输入端， 将采集的电压信号加到由固定Ri和可调电阻器R2构成的分压器，分压器输 出的比较信号分别加到NIA比较器的2脚和NIB比较器的5脚，比较基准 电压为Vref+和Vref-， Vref+比较基准电压加到NIA比较器的3脚，Vref-比较基准电压加到NIA比较器的6脚。三相备用快速分闸判断电路的输出 电路是三个三输入端与门器件构成的逻辑或电路DIA、 DIB、 DIC，三与门 器件型号为7411。 NIA比较器的输出为1脚，NIB比较器的输出为7脚， 1脚和7脚连接DIA-1脚、DIB-8脚，当分压器输出的比较信号的正半波 幅值〉Vref+，或负半波幅值〈Vref-时，则在输出电路DIC-13脚输出驱动 脱扣分闸的负脉冲，加到脱扣分闸电路的输入端，如脉宽》3ms，则触发磁 通变换器驱动断路器执行机构动作。图5 图8是第一实施例比较信号和输出信号波形示意图。 众所周知，电网主回路为交流电流，空芯互感器次级感应的电压信号 也为交流信号，所以A相互感器输出是交流电压信号，此电压信号经Rl 和R2电阻分压器分压，分压后的实时交流电压信号，分两路送到比较器 N1A-2脚和N1B-5脚，与N1A-3脚和N1B-6脚的+5V和-5V比较基准电 压相比较，如果交流电压比较信号的正半波电压幅值〉+5￥或负半波电压幅 值〈-5V时，N1A-1脚和NlB-7脚输出的比较结果分别由高电平变为低电平。当电网主回路出现故障，互感器输出电压超过规定值，使加到比较器 N1A的正半波电压幅值〉+5V，而且半个周期内大于+5V的时间^ 〉3ms， 则比较器N1A-1脚输出宽度〉3ms的脱扣负脉冲；或者加到比较器N1B负 半波比较信号电压幅值〈-5V，而且半个周期内小于-5V的时间t2 〉3ms， 则比较器N1B-7脚输出宽度〉3ms的脱扣低电平负脉冲。本实用新型实施例 备用快速分闸判断电路当互感器输出电压超过设定值并且脉冲宽度t,》3ms 和t2》3mS时，正、负比较电路对的输入波形和输出波形如图5和图6所示。 N1A-1脚或N1B-7脚输出比较结果在由R7和C5逻辑上拉、滤波器输出 接点按逻辑"与"输出，形成脉冲宽度"〉3ms的负脉冲，实际上当第一个 脉宽大于3ms的负脉冲形成时，送到脱扣分闸电路控制端，脱扣分闸电路 即可受控执行脱扣分闸，完成保护功能。
本实用新型实施例备用快速分闸判断电路当互感器输出电压未超过规定值或者互感器输出电压超过规定值但脉冲宽度t3<3ms和t4<3ms时，正、 负比较电路对的输入波形和输出波形如图7和图8所示。N1A-1脚和NlB-7 脚输出比较结果在由R7和C5逻辑上拉、滤波器输出接点按逻辑"与"输 出，无脱扣低电平输出或输出的脱扣低电平负脉冲宽度t;和t4〈3ms，不足 以驱动磁通变换器动作，磁通变换器也无法触发断路器执行机构，则断路 器仍然保持合闸状态。比较器对N2A和N2B完成对B相的的保护功能实现过程同A相。 比较器对N2A和N2B完成对C相的的保护功能实现过程同A相。 第二实施例备用快速分闸判断电路15的三路的正、负半波比较器对 151、 152、 153都是由一个正半波比较器和一个负半波比较器组成，正半波 比较器的比较基准电压为Vref+，负半波比较器的比较基准电压为Vref.，正、 负半波比较器的输入端并连接在可调分压器的输出端，可调分压器包括一 个固定电阻器和一个可调电阻器，三路的正、负半波比较器对151、 152、 153分别监测A、 B、 C三相的全波电压。而每相的比较器对又分别对该相 的正、负半波实施监测，六个比较器输出脚连接在DIA和DIB逻辑"与"的 输入端，并经DIC实现逻辑"与"输出低电平的功能，而在无故障时，各比 较器的输出为高电平。当三路正、负半波比较器对中，任一比较器输出低 电平负脉冲信号，备用快速分闸判断电路15输出即为低电平负脉冲，加到 控制器的脱扣分闸电路，如果该低电平负脉冲宽度大于Tp值，Tp设定值为 2 5ms ，优选为3ms，即能驱动脱扣分闸电路触发磁通变换器动作，实现 三相的短路保护。电网主回路的保护电流值，视主回路允许通过的电流大小，同时配合智 能控制器通过数字信号控制器DSCll软件进行保护的参数特性而定， 一般 略大于软件设定的短路保护设定值。主回路通过的电流大小确定了空芯互 感器输出电压信号幅度的规定值，也就确定了触发备用快速分闸判断电路 的比较电压信号幅度的规定值。三相比较电压信号幅度的规定值可通过调 整R1和R2、 R3和R4、 R5和R6之间的电阻比值来调整。
智能控制器上配置有一套备用保护分闸控制电路，可靠性高，分闸速 度快到在10ms以内，这样，因断路器延时分断甚至不能分断的故障概率和 经济损失就会显著降低。
权利要求1. 带有备用快速分闸判断电路的控制器，由数字信号控制器DSC (11)、人机界面(12)、运放电路(13)、互感器输出信号源(14)、脱扣分闸电路(16)、磁通变换器(17)以及电源(18)等辅助电路组成，其特 征是还有一个备用快速分闸判断电路(15)，其中所述的备用快速分闸判断电路(15)是由三路正、负半波比较器对(151) 、 (152)、 (153)和逻辑上拉、滤波电路(154)以及三个采集分压 器(155)、 (156)、 (157)组成，三路正、负半波比较器对(151)、 (152)、(153) 的输入端分别经过采集分压器(155)、 (156)、 (157)连接A、 B、 C三相互自输出M信号源(141)、 (142)、 (143)，三路正、负半波比较器 对(151)、 (152)、 (153)的输出端并联，该并联点连接逻辑上拉、滄波电路(154) 成为备用'^I分闸判断电路(15)的输出端，它连接带有备用快速分闸 判断电路的控制器(1)的脱扣分闸电路(16)的控制端，逻辑上拉、滤波 电路(154)的另一端接电源Vcc;所述的互感器输出信号源(14)包括由互感器空芯线圈输出的电压信 号源和由互感器速饱和线圈输出的电流信号源。
2. 根椐权利要求l所述的带有备用快速分闸判断电路的控制器，其特 征是备用快速分闸判断电路(15)的三路的正、负半波比较器对(151)、(152) 、 (153)都是由一个正半波比较器和一个负半波比较器组成，正半 波比较器的比较基准电压为Vref+，负半波比较器的比较基准电压为Vref.， 正、负半波比较器的输入端并连接在采集分压器的输出端，三路的正、负 半波比较器对(151)、 (152)、 (153)分别监测A、 B、 C三相的全波电压;所述的三路的正、负半波比较器对采用集成器件或分离元件构成，优 先采用多比较器、低功耗、驱动力强的集成器件。
3. 根据权利要求1或2所述的带有备用快速分闸判断电路的控制器，其特征是备用快速分闸判断电路(15)的三路正、负半波比较器对(151)、(152)、 (153)的比较器为开漏输出比较器，其输出电路是开漏输出比较 器和逻辑上拉、滤波电路(154)配合构成的逻辑"与"输出，也可采用普通比较器和逻辑与门数字电路配合构成逻辑"与"输出；作为优选，采用开漏输出比较器和逻辑上拉、滤波电路(154)配合构 成逻辑"与"输出。
4. 根椐权利要求1或2所述的带有备用快速分闸判断电路的控制器， 其特征是备用快速分闸判断电路(15)的逻辑上拉、滤波电路(154)由逻 辑电压上拉电阻和滤波电容组成，逻辑电压上拉电阻一端连接电源Vcc，它 的另一端为输出接点与三路正、负半波比较器对的三对输出端相联。
5. 根据权利要求1所述的带有备用快速分闸判断电路的控制器，其特 征是所述磁通变换器(17)输入端连接脱扣分闸电路(16)输出端，磁通 变换器(17)的动铁心连接断路器动执行机构(22)，触发磁通变换器动铁 心动作的触发脉冲宽度Tp由其动作特性确定，触发脉冲宽度^Tp磁通变换 器动铁心动作，触发脉冲宽度〈Tp磁通变换器动铁心不动作；Tp设定值为2 5ms ，优选值为3ms。
6. 根椐权利要求1或2所述的带有备用快速分闸判断电路的控制器， 其特征是所述的采集分压器包括分压部分和信号采集部分组成，其中分压部分可采用分压电阻器或稳压管； 采集部分可采用电阻或可调电位器；采集分压器优先采用一个固定的分压电阻器和一个作为采样电阻的可 调电阻器构成的可调分压采集器；备用快速分闸判断电路(15)正、负半 波比较器的输出脉冲宽度与采集分压器的分压比成正比，调整分压比，使 电网主回路达到过流保护定义值时的正、负半波比较器的输出脉冲宽度大 于Tp值。
7.根椐权利要求2所述的带有备用快速分闸判断电路的控制器，其特征是备用快速分闸判断电路(15)的正半波比较器的比较基准电压V,ef+为十6V +1V，负半波比较器的比较基准电压V^为-6V -1V，正半波比较器的比较基准电压Vref+优选值为+5V，负半波比较器的比较基准电压Vref-优选值为-5V。
专利摘要本实用新型专利属于电力行业低压控制技术领域，公开了一种带有备用快速分闸判断电路的控制器1，它包括DSC数字信号控制器11、人机界面的LCD和键盘12、运放电路13、互感器输出信号源14、脱扣分闸电路16、磁通变换器17以及电源18等辅助电路，还有备用快速分闸判断电路15，它采用三路正、负半波开漏输出比较器对和逻辑上拉、滤波电路构成的逻辑“与”输出，在三相任一相过流接近分断极限时输出负脉冲，快速驱动脱扣分闸电路16，由磁通变换器17控制断路器执行机构分闸，分闸精度容易控制。它用于智能型万能式低压断路器等电力配电自动化安全控制设备，可以显著降低分闸故障率，提高电力运行的安全性和可靠性。
文档编号H02H3/08GK201038719SQ200620141348
公开日2008年3月19日 申请日期2006年12月22日 优先权日2006年12月22日
发明者张确璇, 祥 方, 朱建波, 杨利峰 申请人:杭申控股集团有限公司