专利名称：灭弧式电气防火短路保护装置及方法
技术领域：
本发明涉及家庭用电、民用、工业用电、电子电气(器)产品的过载短路保护、电气 防火领域，尤其涉及一种灭弧式电气防火短路保护装置及方法。
背景技术：
在现有的电源供电系统中，当负载电流过大，特别是在负载输出短路的情况下，此 时供电回路中的电流快速上升，很容易造成用电安全事故，所以用电设备都在供电回路中 增加检测过电流现象的短路保护装置，对用电回路进行保护。断路器是现有普遍采用的一种过流短路保护装置，当用电后级发生过流或者短路 时，其能自动切断后级电源。空气开关是最常见的一种过流短路装置，也称断路器，它是一 种既有手动开关作用，又能自动进行过载短路保护的电气装置。一旦断路器供电回路发生 严重的过载或者短路等故障时其能自动切断电源，其功能相当于熔断器式开关与过热继电 器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，已获得了非常广泛的应用。但是，由于传统断路器内部机械开关的固有特性其切断电源供电系统的时间较 长(在几十毫秒至数百毫秒之间)，因短路处接触电阻小，从而导致供电回路的电流急剧增 大、供电回路导体的温度急剧上升、短路点产生很强的危险电弧火花，其产生的高温和电弧 极易引起火灾或触电事故，对人民的生命财产和安全构成严重威胁，在一些特殊的场合(如 加油站、液化气供应站、烟花爆竹制造点等)可能还会造成更加恶劣的后果。
发明内容
本发明提出一种灭弧式电气防火短路保护装置及方法，以解决现有技术中存在的 因负载短路时电源切断时间过长而引发的各种安全事故，使得电源切断的时间由目前的毫 秒级降低到微秒级，最终在短路端只形成微小的电弧火花甚至看不到火花，从而最大限度 的降低因负载短路而导致的安全隐患。为了实现上述目的，本发明提供了一种灭弧式电气防火短路保护装置，包括
1.主电源模块，为装置其余模块提供电源；
2.电流采样模块；用于实时监测负载电流；
3.切断开关模块，所述切断开关模块和所述电流采样模块相连，且串联于负载回路
中；
4.控制模块，所述控制模块和所述电流采样模块、所述切断开关模块相连；
5.显示报警和参数设定模块，所述显示报警和参数设定模块和所述控制模块相连； 所述切断开关模块还包括
1.可控硅模块，所述可控硅模块和所述电流采样模块、所述控制模块相连；
2.IGBT模块，所述IGBT模块和所述可控硅模块、所述控制模块相连；
3.用于提供反向电流信号的辅助电源模块，所述辅助电源模块和所述IGBT模块、所述 可控硅模块相连。
可选的，所述可控硅模块为一个双向可控硅或者为两个反向并联的单向可控硅。可选的，所述电流采样模块为霍尔电流传感器。可选的，所述控制模块为一 MCU(Micrc) Control Unit)，中文名称为微控制单元， 又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)。可选的，所述灭弧式电气防火短路保护装置还包括一电阻和一电容，所述电阻和 所述电容与所述可控硅模块相连。为了实现上述目的，本发明还提供一种灭弧式电气防火短路保护方法，包括以下 步骤
步骤1 主电源模块为装置其余模块供电；
步骤2 电流采样模块采集电流数据，并将所述电流数据传送至控制模块；步骤3 所 述控制模块判断所述电流数据是否正常，若是，循环监测电流数据，控制模块不发出任何信 号；若否，则转入步骤4;
步骤4 所述控制模块发出信号给切断开关模块，所述切断开关模块切断负载供电；所 述步骤4进一步包括
步骤41:所述控制模块发出信号给所述切断开关模块的可控硅模块和所述切断开关 模块的IGBT模块；
步骤42:所述切断开关模块的辅助电源模块提供一反向电流信号； 步骤43 所述反向电流信号通过所述IGBT模块施加到所述可控硅模块； 步骤44 所述可控硅模块切断负载供电。可选的，所述控制模块发出信号给所述切断开关模块的一个双向可控硅或者为两 个反向并联的单向可控硅。可选的，采用霍尔电流采样模块采集所述电流数据。可选的，所述控制模块为一 MCU。本发明的具体工作过程如下主电源模块向各模块(电流采样模块、控制模块、切 断开关模块、显示报警和参数设定模块)提供工作电源；电流采样模块不断采集负载中的电 流数据，并将采集到的电流数据传送至控制模块；控制模块判断所述电流数据是否正常，若 正常，循环监测电流数据，控制模块不发出任何信号；若不正常，则由控制模块发出信号给 切断开关模块的可控硅模块和IGBT模块；在本发明装置的切断开关模块中设有一用于提 供反向电流信号的辅助电源模块，当控制模块发出信号给IGBT模块时，IGBT模块导通，此 时与IGBT模块串联的辅助电源模块的反向电流信号叠加到可控硅模块上，此时可控硅模 块瞬间切断负载电源，将负载电源切断时间控制在微秒级。本发明中，如果控制模块直接控制可控硅模块切断负载，而不采用辅助电源模块 的反向电流信号通过IGBT模块来作用于可控硅模块切断负载，则会导致可控硅模块切断 电源的时间最坏情况下达到数毫秒，此情形极易导致可控硅模块的失控损坏、短路端势必 会产生极强的电弧火花，从而不能及时切断负载。本发明中，为了达到高速切断负载电源的目的，摒弃了一般电流短路保护装置中 采用的电流互感器来采集电流信号的方式，而采用霍尔电流采样模块采集电流信号，这样 采集电流信号的速度大大加快，与后续的可控硅加IGBT组合进行负载电源的高速切断，整 体响应速度大为提高，从发生短路起至断开负载电源，其时间可以控制在微秒级。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明灭弧式 电气防火短路保护装置及方法由于采用了可控硅加IGBT组合的方案来高速切断电源，从 而使得切断电源的时间由目前的毫秒级降低到微秒级，最终在短路端只可能形成微小的电 弧火花甚至看不到火花，最大限度的降低因用电短路而导致的母线电压电流畸变、电气火 灾、触电事故等安全隐患，保证用电的安全。
图1为本发明灭弧式电气防火短路保护装置的结构框图。图2为本发明灭弧式电气防火短路保护装置在负载端短路前电子开关和负载端 电压的示意图。图3为本发明灭弧式电气防火短路保护装置在负载端短路后电子开关和负载端 电压状态变化示意图。图4为本发明灭弧式电气防火短路保护装置的实施例结构框图。图5为本发明灭弧式电气防火短路保护装置的方法流程示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步的说明。图1为本发明灭弧式电气防火短路保护装置的结构框图，图中示出本发明灭弧式 电气防火短路保护装置包括
1)主电源模块21，主电源模块将220V交流电(或者直流电)变换为系统所需直流电，为 其他模块提供工作电源；
2)电流采样模块221，采样到的电流信号值作为控制模块判断是否过载或短路的依据， 控制模块根据采样到的信号发出开启或关闭切断开关的指令，所述电流采样模块为霍尔电 流传感器及相关器件构成，霍尔电流采样模块能够保证在-40°C 125°C工业级温度范围内 优良的线性度和可靠的反应速度，目前，霍尔电流采样器件可以采用霍尼韦尔公司、松下公 司、欧姆龙公司等厂家制造的霍尔传感器。3)切断开关模块222，和所述电流采样模块相连，且串联于负载(LOAD)回路中，当 负载(LOAD)发生短路或者过载时由控制模块发出的信号给切断开关模块，切断开关模块立 刻切断负载(LOAD)供电，关于切断开关模块下面会作更加详细的介绍，图1中将电流采样 模块和切断开关模块放在了同一虚框22中；
4)控制模块对，和所述电流采样模块221、所述切断开关模块222相连，用来运算处理， 短路、过载信号的控制、显示、通讯等功能，所述控制模块M为一 MCU即图中的Ml，MCU可 以采用多家半导体厂商提供的单片机、ARM、DSP、FPGA等器件；
5)显示报警和参数设定模块23，和所述控制模块M相连，显示实时负载电流值、通讯 状态、参数设置。各参数(如短路阀值、过载值)均能通过操作面板方便设定，设定之参数保 存在MCU内部EEPROM中，防止掉电后参数丢失。图2和图3 图2为本发明灭弧式电气防火短路保护装置在短路前切断开关的状 态和负载端电压示意图，图3为本发明灭弧式电气防火短路保护装置在负载端短路后切断 开关和负载端电压的状态变化示意图。图2为正常状态切断开关模块321闭合，负载端(LOAD)得电，图2中显示负载端(LOAD)电压220V ；图3为负载端短路发生后的状态由电 流采样传感器反馈信号到控制模块，控制模块发出信号至切断开关模块322，此时后级短路 端的电源迅速被切断，图3中显示负载端(LOAD)的电压为0V，使短路处不产生危险火花。图4为本发明灭弧式电气防火短路保护装置的实施例结构框图，从图4中可以看 出，本发明灭弧式电气防火短路保护装置的实施例结构包括主电源模块51 ；电流采样模块 521 ；切断开关模块，和所述电流采样模块521相连，且串联于负载(LOAD)回路中，电流采样 模块和切断开关模块位于同一虚框52中；控制模块M，和所述电流采样模块521、所述切断 开关模块相连，所述控制模块M为一 MCU即图中541 ；显示报警和参数设定模块53，和所述 控制模块M相连。上述基本结构均和图1相同。在本实施例中，所述切断开关模块包括
1)可控硅模块522，和所述电流采样模块521、所述控制模块M相连，本实施例中所述 可控硅模块为两个反向并联的单向可控硅，也可以用一个双向可控硅代替，两只单向可控 硅同样采用反并联的接法分别负责交流正半周和负半周的导通，为负载提供电源；
2)IGBT模块523，即绝缘栅双极型晶体管模块，和所述可控硅模块522、所述控制模块 54相连；
3)辅助电源模块524，和所述IGBT模块523、所述可控硅模块522相连。4)电流采样模块521将采样到的信号传递给控制模块M，若为短路信号，控制模 块M同时发出信号给可控硅模块522和IGBT模块523，辅助电源模块5M用于将一个反向 电流信号通过IGBT模块523施加到可控硅模块522上，使可控硅模块522能瞬间关断，关 断的时间为微秒级。图5为本发明灭弧式电气防火短路保护装置的方法流程示意图，从图5可以看出， 本发明灭弧式电气防火短路保护方法包括以下步骤步骤11 主电源模块供电；步骤12 电流采样模块采集电流数据，并将所述电流数据传送至控制模块；步骤13 所述控制模块 判断所述电流数据是否正常，若是，循环监测电流数据，控制模块不发出任何信号，若否，则 转入步骤15 ；步骤15 所述控制模块发出信号给所述切断开关模块的可控硅模块和所述切 断开关模块的IGBT模块；步骤16 所述切断开关模块的辅助电源模块提供一反向电流信 号；步骤17 所述反向电流信号通过所述IGBT模块施加到所述可控硅模块；步骤18 所述 可控硅模块切断负载供电。其中步骤15至步骤18，可以总结归纳为所述控制模块发出信号给切断开关模 块，所述切断开关模块切断负载供电。虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术 人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应 当以权利要求所限定的范围为准。
权利要求
1.一种灭弧式电气防火短路保护装置，包括1)主电源模块，用于为装置其余模块提供工作电源；2)电流采样模块，用于实时监测负载电流；3)切断开关模块，所述切断开关模块和所述电流采样模块相连，且串联于负载回路中；4)控制模块，所述控制模块和所述电流采样模块、所述切断开关模块相连；5)显示报警和参数设定模块，所述显示报警和参数设定模块和所述控制模块相连； 其特征在于所述切断开关模块包括1)可控硅模块，所述可控硅模块和所述电流采样模块、所述控制模块相连；2)IGBT模块，所述IGBT模块和所述可控硅模块、所述控制模块相连；3)用于提供反向电流信号的辅助电源模块，所述辅助电源模块和所述IGBT模块、所述 可控硅模块相连。
2.根据权利要求1所述的灭弧式电气防火短路保护装置，其特征在于所述可控硅模 块为一个双向可控硅或者为两个反向并联的单向可控硅。
3.根据权利要求1所述的灭弧式电气防火短路保护装置，其特征在于所述电流采样 模块为霍尔电流传感器。
4.根据权利要求1所述的灭弧式电气防火短路保护装置，其特征在于所述控制模块 为一 MCU。
5.根据权利要求1所述的灭弧式电气防火短路保护装置，其特征在于所述灭弧式电 气防火短路保护装置还包括一电阻和一电容，所述电阻和所述电容与所述可控硅模块相 连。
6.一种灭弧式电气防火短路保护方法，包括以下步骤 步骤1 主电源模块为装置其余模块提供电源；步骤2 电流采样模块采集电流数据，并将所述电流数据传送至控制模块； 步骤3 所述控制模块判断所述电流数据是否正常，若是，则循环监测当前状态，若否， 则转入步骤4 ；步骤4 所述控制模块发出信号给切断开关模块，所述切断开关模块切断负载供电； 其特征在于所述步骤4进一步包括步骤4. 1 所述控制模块发出信号给所述切断开关模块的可控硅模块和所述切断开关 模块的IGBT模块；步骤4. 2 所述切断开关模块的辅助电源模块提供一反向电流信号； 步骤4. 3 所述反向电流信号通过所述IGBT模块施加到所述可控硅模块； 步骤4. 4 所述可控硅模块切断负载供电。
7.根据权利要求6所述的灭弧式电气防火短路保护方法，其特征在于所述控制模块 发出信号给所述切断开关模块的一个双向可控硅或者为两个反向并联的单向可控硅。
8.根据权利要求6所述的灭弧式电气防火短路保护方法，其特征在于采用霍尔电流 采样模块采集所述电流数据。
9.根据权利要求6所述的灭弧式电气防火短路保护方法，其特征在于所述控制模块 为一 MCU。
全文摘要
本发明提供一种灭弧式电气防火短路保护装置及方法，所述装置包括主电源模块；电流采样模块；和电流采样模块相连且串联于负载回路中的切断开关模块；和电流采样模块、切断开关模块相连的控制模块；和控制模块相连的显示报警和参数设定模块。切断开关模块包括和电流采样模块、控制模块相连的可控硅模块；和可控硅模块、控制模块相连的IGBT模块；和IGBT模块、可控硅模块相连用于提供反向电流信号的辅助电源模块。本发明灭弧式电气防火短路保护装置及方法采用了可控硅加IGBT组合的方案来高速切断电源，从而使得切断电源的时间由目前的毫秒级降低到微秒级，最终在短路端只形成微小的电弧火花甚至看不到火花，保证了用电安全。
文档编号H02H3/08GK102088177SQ20111006625
公开日2011年6月8日 申请日期2011年3月18日 优先权日2010年12月31日
发明者余龙山 申请人:上海华宿电气技术有限公司