一种三相不平衡调节装置的相间短路保护电路的制作方法

本发明涉及低压配电网三相负荷不平衡治理领域，具体涉及一种三相不平衡调节装置的相间短路保护电路。

背景技术：

单相负荷已成为低压配电网的主要电力负荷。大量的单相负荷具有随机性和不确定性，其时空分布很不平衡，导致低压配电网三相负荷不平衡的现象普遍存在。三相不平衡导致变压器和低压线路的电能损耗增加，影响低压电网的电压质量，甚至会威胁用电安全。

针对三相不平衡的危害，目前已有一些在不影响正常供电的情况下实现相间切换的三相不平衡调节装置投入使用，这种装置主要由控制电路和换相主电路构成，其原理框图如图2所示。该装置的换相主电路由分别接在供电线路三个相线上的三个换相支路并联组成，每个换相支路是一对可控硅反并联后、与磁保持继电器并联；该装置的控制电路主要负责接收磁保持继电器状态反馈信号，采集A、B、C三相的电压和电流，并向换相主电路中的可控硅、磁保持继电器发出控制信号。目前这种三相不平衡调节装置已投入使用。

这种三相不平衡调节装置至少有以下控制信号：分别控制A、B、C三相对应的可控硅导通和关断的控制信号、、，分别控制A、B、C三相对应的磁保持继电器导通的控制信号、、，分别控制A、B、C三相对应的磁保持继电器关断的控制信号、、等九个主要控制信号。同时，这种装置也至少有以下反馈信号：A、B、C三相对应的磁保持继电器状态反馈信号。

这种三相不平衡调节装置的换相过程是在控制电路的协调下进行的，控制电路接收到来自调控中心的换相指令后，结合装置当前的状态控制换相主电路中的可控硅和磁保持继电器完成一系列的开关动作，从而实现相间切换。以C相至A相的相间切换为例，控制电路适时地发出控制信号使换相主电路依次完成下面的动作：导通C相可控硅->断开C相磁保持继电器->关断C相可控硅->导通A相可控硅->闭合A相磁保持继电器->关断A相可控硅。

上述的三相不平衡调节装置一般采用以下的相间短路保护措施：控制电路通过传感器采集换相主电路运行状态信息，再经过软件分析处理并发出控制信号来防止相间短路。这种方式通常能够有效防止相间短路的发生。但是三相不平衡调节装置可能受到环境因素干扰导致控制电路运行出错、传感器返回信号出错、控制电路输出信号受到干扰等现有的相间短路保护措施不能有效处理的情况，进而导致相间短路的发生。这种A、B、C三相中的两个相线通过可控硅或磁保持继电器直接相连的相间短路，可能损坏三相不平衡调节装置，危害供电线路，甚至影响用电户的生命财产安全。为了进一步增强三相不平衡调节装置的稳定性和安全性，需要在现有的软件保护方式的基础上进一步完善三相不平衡调节装置的保护机制。

技术实现要素：

针对现有三相不平衡调节装置受到干扰时可能存在相间短路的安全隐患，本发明的目的是提供一种三相不平衡调节装置的相间短路保护电路。本发明提供的相间短路保护电路能够结合三相不平衡调节装置的换相主电路中磁保持继电器的当前状态，自动阻断可能导致相间短路的控制信号且不影响正常控制信号。

本发明针对具有以下特征的三相不平衡调节装置：该装置包括控制电路和换相主电路；其中换相主电路由分别接在供电线路三个相线上的三个换相支路并联组成，每个换相支路是一对可控硅反并联后、与磁保持继电器并联；所述磁保持继电器有一组主触点和至少一组与主触点开合状态相反的反馈触点。

本发明要解决的技术问题是：

这种三相不平衡调节装置出现相间短路的情况可分为以下四种：

（1）本次控制导通的可控硅与已导通的可控硅形成相间短路

（2）本次控制导通的可控硅与已闭合的磁保持继电器形成相间短路

（3）本次控制闭合的磁保持继电器与已导通的可控硅形成相间短路

（4）本次控制闭合的磁保持继电器与已闭合的磁保持继电器形成相间短路

这种三相不平衡调节装置至少有以下控制信号：分别控制A、B、C三相对应的可控硅导通和关断的控制信号、、，分别控制A、B、C三相对应的磁保持继电器导通的控制信号、、，分别控制A、B、C三相对应的磁保持继电器关断的控制信号、、等九个主要控制信号。

其中，可控硅控制信号、、或磁保持继电器闭合的控制信号、、出错可能导致相间短路。因此需要对这六个信号加以保护，以确保不会因两个可控硅同时导通、两个磁保持继电器同时导通、不同换相支路的可控硅和磁保持继电器同时导通等情况造成相间短路。经本发明相间短路保护电路后输出的六个控制信号分别为：、、、、、。

其中，磁保持继电器关断的控制信号、、即使错误也不会导致相间短路，在设备未被损坏的情况只可能造成短暂的断电。这三个控制信号出错概率小、不易造成严重后果、可由控制电路发出导通信号使设备恢复工作，因此本发明所述的相间短路保护电路未对这三个控制信号进行保护。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

基于以上分析，本发明从防止三相不平衡调节装置的换相主电路收到的控制信号出错导致本次控制导通的可控硅或本次控制闭合的磁保持继电器与此前已导通的可控硅或此前已闭合的磁保持继电器之间形成相间短路的角度，提供一种可以阻断任何可能导致相间短路的控制信号的电路。

本三相不平衡调节装置的相间短路保护电路的输入端与所述三相不平衡调节装置的控制电路连接，接收控制电路的控制信号；中间接入磁保持继电器的反馈触点；输出部分连接三相不平衡调节装置的换相主电路，向其输出安全的控制信号。

本三相不平衡调节装置的相间短路保护电路主要由MOS管等可控开关器件、二极管、直流电源等组成。所述三相不平衡调节装置的控制电路的供电电源与所述直流电源共地，所述直流电源的电压和所述三相不平衡调节装置控制信号的正电压可适当选取较高的电压，以增强控制信号的抗干扰能力。

为实现上述构思，本发明采用的技术方案是：

如图3和图4所示，本发明一种三相不平衡调节装置的相间短路保护电路包括一个可控硅控制信号互锁电路、一个结合磁保持继电器状态的可控硅控制信号保护电路和一个磁保持继电器控制信号保护电路。所述可控硅控制信号互锁电路经结合磁保持继电器状态的可控硅控制信号保护电路连接磁保持继电器控制信号保护电路，可控硅控制信号互锁电路的输入端连接三相不平衡调节装置的控制电路，而磁保持继电器控制信号保护电路的输出端连接三相不平衡调节装置的换相主电路。本相间短路保护电路用于阻断三相不平衡调节装置的控制电路输出的异常控制信号，其中，可控硅控制信号互锁电路确保经本发明保护电路保护后同一时间最多输出一个可控硅导通信号，再经过结合磁保持继电器状态的可控硅控制信号保护电路保护后确保本次控制导通的可控硅不会与已导通的可控硅或磁保持继电器形成相间短路，再经过磁保持继电器控制信号保护电路保护后，确保本次控制导通的磁保持继电器或可控硅不会与已导通的可控硅或磁保持继电器形成相间短路。三相不平衡调节装置的控制电路输出的A、B、C三相对应的可控硅通断控制信号、、及A、B、C三相对应的磁保持继电器导通的控制信号、、经过本相间短路保护电路保护后向三相不平衡调节装置的换相主电路输出安全的A、B、C三相对应的可控硅通断控制信号、、及A、B、C三相对应的磁保持继电器导通的控制信号、、。

上述可控硅控制信号互锁电路由三个可控开关器件SV1、SV2、SV3组成。可控开关器件SV1、SV2、SV3的控制端分别接入、、信号线；可控开关器件SV1、SV2、SV3的一个触点分别接入、、信号线，另一触点分别接入、、信号线。可控开关器件SV1、SV2、SV3在其控制端收到可控硅导通信号时关断，在其控制端未收到可控硅导通信号时导通。

此部分电路用以确保同一时间最多只有一个换相支路的可控硅收到导通信号。当为导通信号时，SV2为关断状态，信号被阻断，因此必不是导通信号，同理，当为导通信号时必不是导通信号,当为导通信号时必不是导通信号。本部分电路所有可能的输入导通信号与其对应的输出导通信号如表1所示，可以看出本部分保护电路可以确保同一时间最多只输出一路可控硅导通信号。

上述结合磁保持继电器状态的可控硅控制信号保护电路包括：六个可控开关器件SV4、SV5、SV6、SV7、SV8、SV9，三个二极管D1、D2、D3，三相不平衡调节装置中磁保持继电器反馈触点Ka、Kb、Kc和直流电源DC。可控开关器件SV4和SV7、SV5和SV8、SV6和SV9的控制端接入、、信号线；直流电源DC正极、可控开关器件SV4、反馈触点Kb、二极管D2、反馈触点Kc、可控开关器件SV7、信号线依次首尾相连；直流电源DC正极、可控开关器件SV5、反馈触点Kc、二极管D3、反馈触点Ka、可控开关器件SV8、信号线依次首尾相连；直流电源DC正极、可控开关器件SV6、反馈触点Ka、二极管D1、反馈触点Kb、可控开关器件SV9、信号线依次首尾相连。可控开关器件SV4、SV5、SV6、SV7、SV8、SV9在其控制端收到可控硅导通信号时导通，在其控制端未收到可控硅导通信号时关断。

此部分电路用以阻断可能与已闭合的磁保持继电器造成相间短路的可控硅的导通信号。只有当为导通信号且B、C相磁保持继电器都断开的情况下输出导通信号；只有当为导通信号且A、C相磁保持继电器都断开的情况下输出为导通信号；只有当为导通信号且A、B相磁保持继电器都断开的情况下输出为导通信号。

上述磁保持继电器控制信号保护电路主要由三个可控开关器件SV10、SV11、SV12组成，可控开关器件SV10、SV11、SV12控制端分别接入、、信号线；可控开关器件SV10、SV11、SV12的一个触点分别接入、、信号线，另一触点分别接入、、信号线。可控开关器件SV10、SV11、SV12在其控制端收到磁保持继电器闭合信号时导通，在其控制端未收到磁保持继电器闭合信号时关断。

此部分电路用以确保只有收到导通信号的可控硅所在换相支路的磁保持继电器可导通。以A相为例，若A相可控硅控制信号为导通信号，则此时B、C相的可控硅必定不会收到导通信号且B、C相的磁保持继电器是关断的，此时导通A相磁保持继电器是安全的。

上述的三个部分组成完整的三相不平衡调节装置的相间短路保护电路，能够实现本发明的目的。

需要指出的是，该保护电路要求使某磁保持继电器导通必先使其所在换相支路的可控硅导通。因此部分现有的三相不平衡调节装置若要使用本发明保护电路，需要对其控制电路的控制算法略做调整，该调整只在该装置所有可控硅、磁保持继电器都断开的状态下才启用，对三相不平衡调节装置正常换相工作的算法无需调整，不影响其整体控制策略。

本发明一种三相不平衡调节装置的相间短路保护电路用于阻断三相不平衡调节装置的换相主电路收到可能导致相间短路的错误控制信号，该电路的工作包含以下步骤：

（1）当三相不平衡调节装置的换相主电路三个换相支路中有两个或两个以上可控硅有导通信号时，阻断过多的可控硅导通信号，确保最多只有一个换相支路的可控硅有导通信号，避免本次控制导通的可控硅与已导通的可控硅形成相间短路；

（2）当某一换相支路可控硅有导通信号且其他换相支路有磁保持继电器已闭合时，阻断该可控硅导通信号，避免本次控制导通的可控硅与已闭合的磁保持继电器形成相间短路；

（3）只允许满足下述条件的磁保持继电器闭合控制信号通过，阻断其它情况的磁保持继电器闭合控制信号：经步骤（1）（2）保护后，该磁保持继电器所在换相支路的可控硅有导通信号。该步骤避免本次控制闭合的磁保持继电器与已闭合的磁保持继电器形成相间短路、本次控制闭合的磁保持继电器与已导通的可控硅形成相间短路。

本发明电路用于现有的三相不平衡调节装置上，具有如下的突出的实质性特点和显著技术进步：

1、本发明电路设计精巧，可选用常用的器件，容易实现，并且电路本身具有较强的抗干扰能力。

2、本发明应用于现有的三相不平衡调节装置，可自动阻断可能导致相间短路的控制信号，在不影响装置原有的软件保护的基础上增加一重硬件保护措施，使得设备在受到强干扰、控制系统运行出错、传感器出错等故障情况下仍不易发生相间短路等安全问题。本发明电路对控制信号保护全面，在三相不平衡调节装置的控制电路发出任何错误控制信号的情况下，本电路都不会向三相不平衡调节装置的换相主电路输出可能导致相间短路的控制信号。

3、本发明可用于部分已生产或已经投入使用的三相不平衡调节装置。对于部分已生产或已投入使用的三相不平衡调节装置，其控制电路与换相主电路通常是分开并用导线连接，加入本发明电路后只需要重新连接导线即可正常工作，必要时结合具体设备增加改变信号电压的电路、修改控制器的部分程序即可。亦可直接集成在新设备上。

附图说明

图1是带相间短路保护电路的三相不平衡调节装置原理框图

图2是一种现有的三相不平衡调节装置原理框图

图3是本发明三相不平衡调节装置的相间短路保护电路框图

图4是本发明三相不平衡调节装置的相间短路保护电路原理图

图5是本发明一个实施例的三相不平衡调节装置的相间短路保护电路原理图

图6是本发明一个实施例的带相间短路保护电路的三相不平衡调节装置框图

图7是本发明一个实施例的磁保持继电器状态反馈电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作进一步说明。

实施例一：

如图1和图3所示，本实施例中三相不平衡调节装置的相间短路保护电路包括三个部分：可控硅控制信号互锁电路、结合磁保持继电器状态的可控硅控制信号保护电路、磁保持继电器控制信号保护电路。可控硅控制信号互锁电路经结合磁保持继电器状态的可控硅控制信号保护电路连接磁保持继电器控制信号保护电路，可控硅控制信号互锁电路的输入端连接三相不平衡调节装置的控制电路，而磁保持继电器控制信号保护电路的输出端连接三相不平衡调节装置的换相主电路。

本实施例相间短路保护电路用于阻断三相不平衡调节装置的控制电路输出的异常控制信号，其中，可控硅控制信号互锁电路确保经本发明保护电路保护后同一时间最多输出一个可控硅导通信号，再经过结合磁保持继电器状态的可控硅控制信号保护电路保护后确保本次控制导通的可控硅不会与已导通的可控硅或磁保持继电器形成相间短路，再经过磁保持继电器控制信号保护电路保护后，确保本次控制导通的磁保持继电器或可控硅不会与已导通的可控硅或磁保持继电器形成相间短路。三相不平衡调节装置的控制电路输出的A、B、C三相对应的可控硅通断控制信号、、及A、B、C三相对应的磁保持继电器导通的控制信号、、经过本相间短路保护电路保护后向三相不平衡调节装置的换相主电路输出安全的A、B、C三相对应的可控硅通断控制信号、、及A、B、C三相对应的磁保持继电器导通的控制信号、、。

三相不平衡调节装置正常换相过程是(以C相至A相的相间切换为例)：

（1）初始状态时，C相磁保持继电器处于闭合状态，用户由C相供电。

（2）控制模块依次触发C相可控硅、断开C相磁保持继电器，这时C相电流经C相的可控硅继续为用户供电。

（3）控制模块根据磁保持继电器反馈电路的反馈信号，停止触发C相可控硅，触发A相可控硅，使C 相可控硅承受反向阳极电压从而使其强制关断，电流流经A相可控硅。

（4）控制模块控制A相的磁保持继电器闭合，停止触发A相可控硅， A相可控硅关断，电流经A相的磁保持继电器，本次换相过程结束。

当三相不平衡调节装置的控制电路发出可能导致相间短路的异常控制信号时，本实施例保护电路发挥阻断作用：

（1）当本次控制导通的可控硅可能与已导通的可控硅形成相间短路时，即本次的可控硅导通信号有多个时，可控硅信号经过本实施例保护电路的可控硅互锁电路后，过多的导通信号会被阻断，最终同一时间最多只输出一个可控硅导通信号，从而避免本次控制导通的可控硅与已导通的可控硅形成相间短路。

（2）当本次控制导通的可控硅可能与已闭合的磁保持继电器形成相间短路时，经过本实施例保护电路的结合磁保持继电器状态的可控硅控制信号保护电路后，本次可控硅导通信号会被阻断，从而避免本次控制导通的可控硅与已闭合的磁保持继电器形成相间短路。

（3）当本次控制闭合的磁保持继电器可能与已导通的可控硅形成相间短路时，经过本实施例保护电路的磁保持继电器控制信号保护电路阻断可控硅未导通换相支路的磁保持继电器闭合信号，即只有可控硅已导通的换相支路的磁保持继电器可闭合，显然可以避免本次控制闭合的磁保持继电器与已导通的可控硅形成相间短路。

（4）当本次控制闭合的磁保持继电器可能与已闭合的磁保持继电器形成相间短路时，经过本实施例保护电路的磁保持继电器控制信号保护电路阻断可控硅未导通换相支路的磁保持继电器闭合信号，即只有可控硅已导通的换相支路的磁保持继电器可闭合，由于经过上述（1）（2）（3）步骤后与已导通的可控硅不同相的换相支路的磁保持继电器必为断开状态，从而避免本次控制闭合的磁保持继电器与已闭合的磁保持继电器形成相间短路。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

如图5所示，本实施例中三相不平衡调节装置的相间短路保护电路输入信号有：、、、、、，其高电平相对于地均为18V。其中、、为分别控制A、B、C三相对应的可控硅导通（高电平）和关断（低电平）的控制信号；、、为分别控制A、B、C三相对应的磁保持继电器闭合（高电平）的控制信号。

本实施例中相间短路保护电路输出信号有：、、、、、，其高电平相对于地约为12V，实际考虑二极管、MOS管等压降，其高电平电压小于12V。这些输出信号具有较强的驱动能力，可直接连接光耦器件和磁保持继电器的控制线圈。其中、、为分别控制A、B、C三相对应的可控硅导通（高电平）和关断（低电平）的控制信号；、、为分别控制A、B、C三相对应的磁保持继电器闭合（高电平）的控制信号。

本实施例所述可控硅控制信号互锁电路中Q1、Q2、Q3为三个P沟道MOS管。、、分别连接Q1、Q2、Q3的源极，同时分别连接Q2、Q3、Q1的栅极。、、上都接一个10kΩ下拉电阻R1、R2、R3。Q1、Q2、Q3的漏极即为本部分电路的输出信号、、。

本实施例所述结合磁保持继电器状态的可控硅控制信号保护电路中Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9为六个N沟道MOS管，D1、D2、D3为三个二极管，Ka、Kb、Kc为磁保持继电器的反馈触点。连接Q4、Q7的栅极，连接Q5、Q8的栅极，连接Q6、Q9的栅极。直流电源DC正极、MOS管Q4、反馈触点Kb、二极管D2、反馈触点Kc、MOS管Q7、信号线依次首尾相连；直流电源DC正极、MOS管Q5、反馈触点Kc、二极管D3、反馈触点Ka、MOS管Q8、信号线依次首尾相连；直流电源DC正极、MOS管Q6、反馈触点Ka、二极管D1、反馈触点Kb、MOS管Q9、信号线依次首尾相连。其中Q4、Q5、Q6的漏极连接12V直流电源的正极，Q7、Q8、Q9的漏极分别连接反馈触点Kb、Kc、Ka。、、都接一个10kΩ下拉电阻R4、R5、R6。当Kb、Kc闭合且为导通信号（高电平）时，MOS管Q4、Q7漏极源极导通，12V电源正极、MOS管Q4、反馈触点Kb、二极管D2、反馈触点Kc、MOS管Q7构成正向通路，末端输出为；当Kc、Ka闭合且为导通信号（高电平）时，MOS管Q5、Q8漏极源极导通，12V电源正极、MOS管Q5、反馈触点Kc、二极管D3、反馈触点Ka、MOS管Q8构成正向通路，末端输出为；当Ka、Kb闭合且为导通信号（高电平）时，MOS管Q6、Q9漏极源极导通，12V电源正极、MOS管Q6、反馈触点Ka、二极管D1、反馈触点Kb、MOS管Q9构成正向通路，末端输出为。

本实施例所述磁保持继电器控制信号保护电路中Q10、Q11、Q12为三个N沟道MOS管。、、分别连接Q10、Q11、Q12的栅极，、、分别连接Q10、Q11、Q12的漏极，Q10、Q11、Q12的源极为本部分电路输出信号、、；、、信号线分别接一个10kΩ下拉电阻R7、R8、R9。

如图6所示，带相间短路保护电路的三相不平衡调节装置主要由三相不平衡调节装置的控制电路、上述三相不平衡调节装置的相间短路保护电路、三相不平衡调节装置的换相主电路、磁保持继电器状态反馈电路构成。

所述三相不平衡调节装置的控制电路发出的、、、、、信号经所述三相不平衡调节装置的相间短路保护电路处理后传递给所述三相不平衡调节装置的换相主电路；所述三相不平衡调节装置的控制电路发出的、、直接传递给所述三相不平衡调节装置的换相主电路；所述的三相不平衡调节装置的换相主电路中磁保持继电器包含两组开合状态与主触点相反的反馈触点；所述磁保持继电器状态反馈电路利用磁保持继电器一组反馈触点向所述三相不平衡调节装置的控制电路反馈三个磁保持继电器的开关状态，同时将三个磁保持继电器另一组反馈触点的六个端子接入所述三相不平衡调节装置的相间短路保护电路。

实施例三：

实施例二中的三相不平衡调节装置的换相主电路的磁保持继电器需有两组开合状态与主触点相反的反馈触点，若磁保持继电器只有一组开合状态与主触点相反的反馈触点，可借助下述电路实现实施例二的功能。

如图7所示，本实施例中磁保持继电器状态反馈电路中Ka、Kb、Kc为磁保持继电器的反馈触点，R10、R11、R12、R13、R14、R15为六个50kΩ电阻。参照图示方向，Ka、Kb、Kc的上端分别经由R10、R11、R12接12V直流电源正极，Ka、Kb、Kc的下端分别经由R13、R14、R15接地。Ka、Kb、Kc的下端分别作为给三相不平衡调节装置的控制电路的反馈信号，Ka、Kb、Kc的上端和下端都接入本实施例所述结合磁保持继电器状态的可控硅控制信号保护电路。该反馈电路既可以向三相不平衡调节装置的控制电路反馈三个磁保持继电器的开关状态，又可以将三个磁保持继电器反馈触点接入本实施例的保护电路，两者功能互不干扰。

上述磁保持继电器状态反馈电路向三相不平衡调节装置的控制电路反馈三个磁保持继电器的开关状态时，分为以下两种情况：

（1）当可控硅控制信号、、都不是导通信号时，若某换相支路的磁保持继电器闭合，即其反馈触点断开，反馈信号电压约为0.3V；若某换相支路的磁保持继电器断开，即其反馈触点闭合，反馈信号电压约为6V。

（2）当可控硅控制信号、、中一个是导通信号时，若某换相支路的磁保持继电器闭合，即其反馈触点断开，反馈信号电压约为0.3V；若某换相支路的磁保持继电器断开，即其反馈触点闭合，反馈信号电压约为10V。由于这种情况下，正常运行时无可控硅导通信号的换相支路的磁保持继电器必为断开状态，此时只有可控硅导通信号的换相支路的反馈信号有实际意义。

综上所诉，当某换相支路的磁保持继电器闭合时，其反馈信号电压约为0.3V；当某换相支路的磁保持继电器断开时，其反馈信号电压大于等于6V。可选择电压阀值为1V和4V，当反馈信号电压大于4V时则认为此换相支路的磁保持继电器为断开状态，当反馈信号电压小于1V时则认为此换相支路的磁保持继电器为闭合状态，当电压处于1-4V之间时为异常状态。