单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开的单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置，包括有MCU，MCU分别与电源切换电路、分合闸输出模块、信号调理模块、通信接口及人机交互模块连接，电源切换电路与电容器电压监测模块连接，分合闸输出模块依次与光耦隔离模块、IGBT全桥驱动模块连接，IGBT全桥驱动模块与电容器电压监测模块连接，电容器电压监测模块与断路器内的分合闸线圈连接。本实用新型单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置解决了储能电容对分合闸线圈放电时间不准确、分散性大的问题，有效缩短了IGBT的导通时间，使电容器在原有容量情况下可进行多次分合闸操作。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于智能电网配电自动化设备【技术领域】，具体涉及一种单稳态柱上永 磁机构断路器操作脉冲控制装置。 单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置
【背景技术】
[0002] 单稳态永磁机构是由电磁机构和永磁铁特殊结合的新型断路器操作机构，通过改 变分合闸线圈中电流的方向，控制完成分合闸操作。与传统机构相比，简化了传动链，减少 了故障率，并且机械寿命可高达10万次以上，机械寿命提高了三倍之多。
[0003] 配电网中柱上永磁机构断路器常安装于10千伏架空配电线路的责任分界点处， 当故障发生在用户进线开关内侧，断路器分合闸与变电站出现开关保护配合不当时，会造 成变电站出现开关保护跳闸，变电站下一级所有用户全部停电。为避免同一条馈线上其它 用户停电，提高非故障用户的供电可靠性，控制柱上永磁机构断路器的分合闸操作的可靠 性显得尤为重要。
[0004] 永磁机构断路器及其控制系统稳定运行的前提是有可靠的电源做保障，一方面给 永磁机构分合闸线圈提供脉冲大电流，驱动永磁机构断路器实现分合闸操作；另一方面给 控制器提供稳定的工作电源，实现断路器状态监测、人机交互界面显示、保护以及通信的功 能。柱上永磁机构断路器脉冲控制器通过对分合闸时间的控制，能保证断路器操作的可靠 性，提高其运行寿命。分合闸脉冲时间过短，操作失败的可能性增大，分合闸时间过长，电源 功耗增加，线圈发热严重，设备寿命将受到影响。 实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置， 解决了储能电容器对分合闸线圈放电时间不准确及分散性大的问题，有效缩短了 IGBT的 导通时间，使储能电容器在原有容量情况下能进行多次分合闸操作。
[0006] 本实用新型采用的技术方案是，单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置， 包括有MCU，MCU分别与电源切换电路、分合闸输出模块、信号调理模块、通信接口及人机交 互模块连接，电源切换电路与电容器电压监测模块连接，分合闸输出模块依次与光耦隔离 模块、IGBT全桥驱动模块连接，IGBT全桥驱动模块与电容器电压监测模块连接，电容器电 压监测模块与断路器内的分合闸线圈连接。
[0007] 本实用新型的特点还在于：
[0008] MCU内部集成了 12位A/D转换器。
[0009] 电源切换电路，包括有电源转换电路，电源转换电路通过导线与电源切换电路连 接，电源切换电路分别通过导线与开关电源、蓄电池组连接；电源切换电路还通过导线与电 容器电压监测模块内的电容充电模块连接。
[0010] 电容器电压监测模块，包括有储能电容器，储能电容器分别通过导线与电容充电 模块、电容电压监测电路连接；电容电压监测电路通过导线与IGBT全桥驱动模块连接。
[0011] IGBT全桥驱动模块3由四个G160N60型IGBT组成；电容电压监测电路内采用 LM2903 芯片。
[0012] 开关电源为24V开关电源；蓄电池组由两个DC12V的蓄电池组成。
[0013] 人机交互模块包括有故障告警模块、液晶显示模块、LED状态显示模块及按键设 置模块，故障告警模块、液晶显示模块、LED状态显示模块及按键设置模块分别通过导线与 MCU连接。
[0014] MCU 为 STM32F103 处理器。
[0015] 通信接口为RS232接口或RS485接口。
[0016] 信号调理模块采用的是MCP609信号调理模块。
[0017] 本实用新型的有益效果在于：
[0018] (1)本实用新型的单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置采用实时监测配 电线路PT电压和蓄电池组电压，满足不间断供电的目的；
[0019] (2)本实用新型的单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置采用电容器电压 监测电路，可用于监测储能电容器容量是否需要充电，是否满足分合闸操作的可靠性；
[0020] (3)本实用新型的单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置内采用IGBT全 桥驱动电路，可以通过改变分合闸线圈中电流的方向，可靠地完成分合闸操作，同时通过监 测分合闸线圈中电流的大小，判断断路器是否有故障，便于故障检修，缩小对电网的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是本实用新型单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置的结构示意图。
[0022] 图中，l.MCU，2.电源切换电路，3. IGBT全桥驱动模块，4.分合闸线圈，5.电容器电 压监测电路，6.信号调理电路，7.通信接口，8.人机交互模块，9.电源转换电路，10.电源 切换电路，11.电容电压监测电路，12.蓄电池组，13.光f禹隔离模块，14.分合闸输出模块， 15.储能电容器，16.电容充电模块，17.故障告警模块，18.液晶显示模块，19. LED状态显示 模块，20.按键设置模块，21.开关电源。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型进行详细说明。
[0024] 本实用新型单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置，其结构如图1所示， 包括有MCU1，MCU1分别与电源切换电路2、分合闸输出模块14、信号调理模块6、通信接口 7及人机交互模块8连接，电源切换电路2与电容器电压监测模块5连接，分合闸输出模块 14依次与光耦隔离模块13、IGBT全桥驱动模块3连接，IGBT全桥驱动模块3与电容器电压 监测模块5连接，电容器电压监测模块5与断路器内的分合闸线圈4连接。
[0025] MCU1内部集成了 12位A/D转换器。
[0026] 电源切换电路2,包括有电源转换电路9,电源转换电路9通过导线与电源切换电 路10连接，电源切换电路10分别通过导线与开关电源21、蓄电池组12连接；电源切换电 路10还通过导线与电容器电压监测模块5内的电容充电模块16。
[0027] 开关电源21为24V开关电源；输电线路PT二次侧交流220V，经过开关电源21转 换为24V电源；蓄电池组由两个DC12V的蓄电池组成。
[0028] 电容器电压监测模块5,包括有储能电容器15,储能电容器15分别通过导线与电 容充电模块16、电容电压监测电路11连接，电容电压监测电路11通过导线与IGBT全桥驱 动模块3连接；电容电压监测电路11内采用LM2903芯片。
[0029] 人机交互模块8包括有故障告警模块17、液晶显示模块18、LED状态显示模块19 及按键设置模块20,故障告警模块17、液晶显示模块18、LED状态显示模块19及按键设置 模块20分别通过导线与MCU1连接。
[0030] 通信接口 7为RS232接口或RS485接口。
[0031] MCU1 为 STM32F103 处理器。
[0032] IGBT全桥驱动模块3由四个G160N60型IGBT组成。
[0033] 信号调理模块6采用的是MCP609信号调理模块，将采集到的三个电压信号和四个 电流信号送给MCU1。
[0034] 本实用新型单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置中各部件的作用：
[0035] MCU1 为 STM32F103 处理器，STM32F103 处理器是 ST 公司基于 ARM Cortex? - M3 内 核专门为嵌入式应用开发领域而推出的一款32位常用的增强型系列微控制器；此款芯片 具有丰富的I/O 口功能，通过嵌入yC//0S II系统，对任务进行实时管理；其内置的A/D转 换器负责A/D转换并与人机交互模块8连接，用于完成分合闸脉冲控制、信息处理及液晶显 示，并在故障情况下生成相应的告警信息。
[0036] 电源切换电路2采用的是配电线路PT二次侧电压经开关电源21转化为直流24V， 实现和蓄电池组12互补的供电方式；配电线路正常时，由配电线路PT输出的交流信号经过 开关电源21转换为24V直流电，在为整个单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置供 电的同时也为蓄电池组12、储能电容器15充电；当配电线路PT停电或电压跌落严重而不 能提供稳定电源时，蓄电池组12作为后备电源给整个单稳态柱上永磁机构断路器操作脉 冲控制装置供电，保证控制器及断路器可靠工作，从而实现不间断供电的目的。
[0037] 输电线路PT二次侧交流220V，经过开关电源21转换为24V电源；与蓄电池组12 之间实现无间断供电。
[0038] 如图3所示，IGBT全桥驱动模块3采用四个快速开断、大功率G160N60型IGBT ;当 需要进行分合闸操作时，由MCU1发出脉冲信号，驱动对应IGBT全桥驱动模块3相对应的两 个IGBT导通或关断，通过分合闸线圈4产生正向或反方向电流，控制永磁机构完成分合闸 操作。
[0039] 通过监测得到分合闸线圈4的电流波形，并通过分析，确定满足分合闸最小脉冲 时间，以及断路器内分合闸线圈4的电流值，监测断路器是否成功完成操作，并显示在液晶 显示模块18和LED状态显示19上。
[0040] 电容电压监测电路11内采用LM2903芯片，构成两路比较器电路，实现对储能电容 器15电压的实时监测。本实用新型单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置中设定 闭锁电压范围为170V?180V，当储能电容器15两端的电压低于170V时，MCU1对分合闸输 出模块14进行低电压闭锁，防止因为储能电容器15容量不足导致分合闸操作失败；当储能 电容器15的电压高于180V时，MCU1对分合闸输出模块14低电压闭锁解除，可以进行分合 闸或自动重合闸的操作。
[0041] 从配电线路PT、CT上分别获得三路二次电压、四路二次电流，其中三路电压为两 路线电压和一路零序电压；四路电流为三路相电流和一路零序电流。二次电压、电流分别通 过精密电压、电流变换器变换隔离后，进行信号调理，调整到0V?3. 3V范围内，通过信号调 理电路6输送给MCU1的AD端口。
[0042] 通信接口 7通过RS232/485用于调试和下载程式。
[0043] 人机交互模块8通过LED状态显示模块、液晶显示模块、按键设置模块、故障告警 模块与MCU1进行人机交互。
[0044] 本实用新型单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置解决了储能电容对分 合闸线圈放电时间不准确、分散性大的问题，有效缩短了 IGBT的导通时间，使电容器在原 有容量情况下可进行多次分合闸操作。
【权利要求】
1. 单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置，其特征在于，包括有MCU (1)，所述 MCU(l)分别与电源切换电路（2)、分合闸输出模块（14)、信号调理模块（6)、通信接口（7) 及人机交互模块（8)连接，所述电源切换电路（2)与电容器电压监测模块（5)连接，所述分 合闸输出模块（14)依次与光耦隔离模块（13)、IGBT全桥驱动模块（3)连接，所述IGBT全 桥驱动模块（3)与电容器电压监测模块（5)连接，所述电容器电压监测模块（5)与断路器 内的分合闸线圈（4)连接。
2. 根据权利要求1所述的单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置，其特征在 于，所述MCU(l)内部集成了 12位A/D转换器。
3. 根据权利要求1所述的单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置，其特征在 于，所述电源切换电路（2)，包括有电源转换电路（9)，所述电源转换电路（9)通过导线与电 源切换电路（10)连接，所述电源切换电路（10)分别通过导线与开关电源（21)、蓄电池组 (12)连接； 所述电源切换电路（10)还通过导线与电容器电压监测模块（5)内的电容充电模块 (16)连接。
4. 根据权利要求1或3所述的单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置，其特征 在于，所述电容器电压监测模块（5)，包括有储能电容器（15)，所述储能电容器（15)分别通 过导线与电容充电模块（16)、电容电压监测电路（11)连接； 所述电容电压监测电路（11)通过导线与IGBT全桥驱动模块（3)连接。
5. 根据权利要求4所述的单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置，其特征在 于，所述IGBT全桥驱动模块（3)由四个G160N60型IGBT组成； 所述电容电压监测电路（11)内采用LM2903芯片。
6. 根据权利要求3所述的单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置，其特征在 于，所述开关电源（21)为24V开关电源； 所述蓄电池组（12)由两个DC12V的蓄电池组成。
7. 根据权利要求1所述的单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置，其特征在 于，所述人机交互模块（8)包括有故障告警模块（17)、液晶显示模块（18)、LED状态显示模 块（19)及按键设置模块（20)，所述故障告警模块（17)、液晶显示模块（18)、LED状态显示 模块（19)及按键设置模块（20)分别通过导线与所述MCU(l)连接。
8. 根据权利要求1、2或7所述的单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置，其特 征在于，所述MCU(l)为STM32F103处理器。
9. 根据权利要求1所述的单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置，其特征在 于，所述通信接口（7)为RS232接口或RS485接口。
10. 根据权利要求1所述的单稳态柱上永磁机构断路器操作脉冲控制装置，其特征在 于，所述信号调理模块（6)采用的是MCP609信号调理模块。
【文档编号】H02J13/00GK203911591SQ201420342857
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】黄新波, 王岩妹, 朱海涛, 朱永灿, 遵明伟, 薛卜玮, 赵阳, 刘磊, 吴孟魁 申请人:西安工程大学