基于热电混合式过载保护系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及电气控制领域，具体指一种可W实现电流过载保护的系统结构和 设计方法。
【背景技术】 阳〇〇引 电器在电能的生产、输送和使用中起着十分重要的作用，例如，发电厂中，发电机 将其他形式的一次能源(势能、热能、核能、太阳能、风能等）转换为电能，而安全可靠的发电 过程需要众多电器的参与才能得W实现，其中包括发电机运行的控制电器和保护电器，如 断路器、热继电器等等。
[0003] 低压断路器主要分为万能式断路器ACB、塑壳式断路器MCCB和小型断路器MCB。 其中，ACB主要应用于配电网中，用来分配电能，保护线路和电源设备。智能型ACB采用模 块化结构，对配电系统可能出现的故障均能实现有效的保护。据统计2008年国内ACB总量 超过60万台，其中智能化产品比例按台数占45%，按产值占80%。目前国内高端产品从技术 水平看与国外产品相差不大。MCCB主要用来分配电能和保护线路、电源设备或电机免受过 载、短路或欠压故障的损坏。国内MCCB的年需求量约2400万台，其中智能型占的比例还不 到1%。然而，MCCB的智能化工作从来没有停止。MCB主要用于终端配电线路，对线路提供 过载和短路保护。MCB的年产量超过5亿台，大部分用于终端配电和民用建筑。目前尚未见 智能化MCB的相关报道。
[0004] 上述资料表明，ACB智能化产品的需求量相对较高，运主要缘于ACB保护的重要性 和保护功能的多样性。那么是什么原因限制了MCCB和MCB的智能化进程呢？远^^护功能 相对较少，传统热磁脱扣方式也可实现相应的保护，且价格低，体积小。因此，还有广泛的市 场需求；磬MCCB和MCB体积较小，特别是MCB，除非有新技术、新体积原理或新结构，否则， 智能化后的很难与现有尺寸相当；霞MCCB智能化产品规格少，动热稳定性不高W及部分厂 家产品质量不稳定等，都是影响其推广使用的原因。在非智能化的断路器中，热磁脱扣方式 还大量使用。 阳〇化]热脱扣是通过双金属片受热弯曲推动传动机构的一种脱扣方式，主要用于断路器 中的过载长延时保护，也被广泛用于热继电器中。热脱扣的过载保护方法简单、体积小、成 本低，可在一定程度上获得反时限保护特性。但由于双金属片材料及特性分散性较大、反 时限特性单一、调整误差大、重复性差、易受环境溫度影响误动或拒动等原因，很难满足过 载保护要求。早在1994年国家经贸委就发出第六号令，要求立即淘汰基于热脱扣原理的 JR0-JR16热继电器，1996年国家"八部委"联合发出文件，要求1997年12月31日前停止 JR0-JR16热继电器的生产、销售和使用，直到2005年底发改委颁布的《产业结构调整指导 目录》中还再次明令淘汰JR0-JR16热继电器。现在JR0-JR16很少见了，取而代之的是JR36， JR20等型号繁多（还有一些外国品牌）却基于相同的原理的热继电器。我们不得不面对的 现实是，尽管国家=申五令，但热继电器的生产销售却有增无减，究其原因是多方面的，但 与简单有效的热保护原理没有突破性进展不无关系。虽然"淘汰令"是针对热继电器的，但 基于相同热脱扣原理的断路器所面临的问题是相同的。
[0006] 目前，用于低压断路器过载保护的还有一种方式，即电子式过电流保护。它采用电 流传感器检测过电流，配合单片机系统实现过载保护。与热保护相比，电子式过电流保护的 主要优点在于保护特性多样且方便调节、不受环境溫度影响、重复性和稳定性较好、便于智 能化。然而，电流互感器多采用的是电磁式和空屯、式。电磁式电流互感器由于有铁屯、，测量 大电流时铁屯、会饱和，尤其是在电机启动时，电流可达到额定电流的6~8倍，因此电磁式互 感器对电流的测量范围有限，并且铁屯、损耗也会随着增加，产生高热，会损坏绝缘，要想保 证绝缘，就必须增大尺寸，成本就会随之增加。空屯、式是一种采用罗柯夫斯基线圈的输出正 比于电流导数原理制成的无铁屯、的空屯、线圈。虽然空屯、式不存在饱和现象，但是小电流测 量时存在输出信号弱，并且测量精度易受环境溫度影响，空屯、式电流互感器的结构与二次 侧的线圈应数密切相关，线圈骨架和应数密度直接影响散热。除此之外，目前应用的过载保 护系统由于有电流互感器的存在，其体积都比较大，因而从结构尺寸上限制了MCB、MCCB和 热继电器等电器的智能化和小型化的发展。
【发明内容】
[0007] 实用新型目的
[0008] 针对W上问题，本实用新型提供一种基于热电混合式过载保护系统及其设计方 法，解决热脱扣方式存在的弊端和影响或限制MCCB、MCB、热继电器等智能化进程的主要问 题。
[0009] 技术方案
[0010] 一种基于热电混合式过载保护系统，其特征在于：该系统包括包括热元件、绝缘材 料、溫度传感器、单片机系统和电磁机构；热元件连接绝缘材料，绝缘材料连接溫度传感器， 溫度传感器连接单片机系统，单片机系统连接开关。
[0011] 在单片机系统上还连接有补偿溫度传感器。
[0012] 基于热电混合式过载保护系统的设计方法，其特征在于：该方法的步骤如下：首 先，采用溫度场和热路方程相结合的方法研究热元件与溫度传感器之间的溫度场分布W及 绝缘材料和环境溫度对热交换的影响，建立合理的热力学系统；
[0013] 其次，建立传感器溫度与主回路电流之间的动态数学模型，分析热力学参数对动 态特性的影响，优化响应速度，并W该动态数学模型为基础，借由单片机完成过载电流与脱 扣时间的递推算法研究，其中包括护％、巫、标准反时限馈、过反时限巧、超反时限蛛等 多种保护特性，完成根据溫度测量电流的研究。采用环境溫度补偿算法，对过载长延时保护 特性的方法进行调整，完成微型热电混合式过载保护脱扣器的研究。
[0014] 优点及效果
[0015] 本实用新型所提出一种基于热电混合式过载保护系统及其设计方法，是一种简单 有效的新方法。本实用新型能够达到电流过载保护的目的，同时还能减小电器设备的体积， 避免大电流时铁屯、饱和，增大电流的监控范围。对MCB、MCCB、热继电器等的智能化、小型化 也有重要的参考价值。
[0016] 采用热电混合式过载保护有如下几个特点：
[0017]I)采用热元件和溫度传感器组合代替电流互感器，不但可W减小体积，也可避免 大电流时铁屯、饱和，增大电流测量范围。
[0018] 2)电流过载保护特性由单片机通过算法完成，与双金属片单一的特性相比，易于 实现保护特性的多样化。
[0019]3)采用环境溫度补偿算法，可减少甚至消除环境溫度的影响，提高重复性和稳定 性。
[0020] 电流转变成溫度的过程有很强的滤波作用，可W有效减小电流中的高频干扰。
【附图说明】
[0021] 图1是本实用新型的结构原理图。
[0022] 附图标记说明：1-热元件，2-绝缘材料，3-溫度传感器，4-补偿溫度传感器，5-单 片机系统，6-电磁机构。
[0023] 图2是本实用新型的技术路线图。
【具体实施方式】 [0024] ：
[00巧]下面结合附图和具体的实施例对本实用新型做进一步的说明：
[00%] 如图1所示，本实用新型是一种基于热电混合式过载保护系统，该系统包括包括 热元件1、绝缘材料2、溫度传感器3、单片机系统5和电磁机构6;热元件1连接绝缘材料2， 绝缘材料2连接溫度传感器3,溫度传感器3连接单片机系统5,单片机系统5连接开关。
[0027] 在单片机系统5上还连接有补偿溫度传感器4。
[0028] 基于热电混合式过载保护系统的设计方法，该方法的步骤如下：首先，采用溫度场 和热路方程相结合的方法研究热元件与溫度传感器之间的溫度场分布W及绝缘材料和环 境溫度对热交换的影响，建立合理的热力学系统；
[0029]其次，建立传感器溫度与主回路电流之间的动态数学模型，分析热力学参数对动 态特性的影响，优化响应速度，并W该动态数学模型为基础，借由单片机完成过载电流与脱 扣时间的递推算法研究，其中包括換刊、逝、标准反时限錢;、过反时限巧、超反时限發等 多种保护特性，完成根据溫度测量电流的研究。采用环境溫度补偿算法，对过载长延时保护 特性的方法进行调整，完成微型热电混合式过载保护脱扣器的研究。
[0030] 本实用新型是一种能够实现电器设备巧日断路器、热继电器）过载保护的热电混合 式系统结构，如图1所示，本实用新型首先通过热元件1来反映电流，绝缘材料2是导热性 能好的绝缘材料，通过绝缘材料2将溫度传递到溫度传感器3,然后通过溫度传感器3来将 溫度变换成电信号，考虑到环境溫度的影响，采用补偿溫度传感器4进行修正。最后，将电 信号传送到单片机系统5,进行计算，然后发出相应指令，通过电磁机构6控制主回路的通 断。由于其系统结构采用热元件和溫度传感器组合代替电流互感器，减小了断路器的体积， 同时增大了电流的测量范围，对MCB、MCCB和热继电器等的智能化和小型化有重要的参考 价值。本实用新型的关键之处在于建立一个合理的借由单片机实现电流过载保护特性的递 推算法，技术路线如图2所示，首先，提出热电混合式过载保护的系统结构和设计方法。然 后，建立综合考虑绝缘材料热性能和环境溫度的电流-溫度动态数学模型。最后，根据保护 特性的要求，研究多种过载保护特性的递推算法并进行仿真验证，最终达到过载保护的最 优化控制。本实用新型的设计方法通过单片机的递推算法实现了电流的过载保护，适用性 强，可靠性高。
【主权项】
1. 一种基于热电混合式过载保护系统，其特征在于：该系统包括包括热元件（1)、绝缘 材料（2 )、温度传感器（3 )、单片机系统（5 )和电磁机构（6 );热元件（1)连接绝缘材料（2 )， 绝缘材料（2 )连接温度传感器（3 )，温度传感器（3 )连接单片机系统（5 )，单片机系统（5 )连 接开关。2. 根据权利要求1所述的基于热电混合式过载保护系统，其特征在于：在单片机系统 (5)上还连接有补偿温度传感器（4)。
【专利摘要】一种基于热电混合式过载保护系统，该系统包括热元件、绝缘材料、温度传感器、单片机系统和电磁机构；其是一种简单有效的新方法。本实用新型能够达到电流过载保护的目的，同时还能减小电器设备的体积，避免大电流时铁心饱和，增大电流的监控范围。对MCB、MCCB、热继电器等的智能化、小型化也有重要的参考价值。
【IPC分类】H02H7/22, G06F17/50, H02H5/04
【公开号】CN204992549
【申请号】CN201520392165
【发明人】宗鸣, 宫赫
【申请人】沈阳工业大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年6月9日