专利名称：新型接地故障保护电子式脱扣器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电器设备领域，尤其是用于切断电流的断路器，具体涉及具有接地故障保护的断路器之电子式脱扣器。
背景技术：
塑壳断路器是塑料外壳式断路器，可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电动机。它的功能相当于闸刀开关、过电流继电器、失压继电器、热继电器及漏电保护器等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中一种重要的保护电器。电子式的塑壳断路器，使用互感器采集各相电流大小，与设定值比较，当电流异常时微处理器发出信号，使电子脱扣器带动操作机构动作。塑壳断路器之电子式脱扣器一般采用CT (电流互感器)电源自供电，CT (电流互感器)既作为电源供电用，也作为信号取样用；因此，CT (电流互感器)信号地与电源地之间必须有共同的参考地电位。目前，市场上贩卖的电子式塑壳断路器厂牌很多，功能差异很大，一般都具备过电流保护功能(4P产品也包含中性线保护)，但不一定都具有接地故障保护；因此，根据是否具有接地故障保护功能，电子式脱扣器可分为接地故障保护型和非接地故障保护型两种； 其中非接地故障保护型产品，其电路设计相对简单经济，体积也较小，其电路原理如图1所示；这种电路结构因其各相电流信号相对独立，经全波整流反相放大后取得，所以无法或很难对整流后的信号进行矢量和运算以利于接地故障保护。接地故障保护型产品也可分为三种类型，其一是采用双线圈CT设计方式，即速饱和CT和信号用空心CT分开，分别用于电源供电与信号取样，其典型电路原理如图2所示； 这种电路结构虽很容易通过各相信号矢量和运算取得接地保护信号，但CT设计是双线圈方式，体积较大，电路结构也较为复杂，成本较高；其二是采用差分设计方式，其典型电路原理如图3所示，这种电路结构，采用各相CT电流矢量和对接地信号进行取样，但因单CT 设计，电流信号地与电源地之间没有共同的参考点，须采用昂贵的高精密差分运放方可实现对接地信号的取样处理，方可保证信号波形不畸变，价格非常昂贵，而且运放须双电源供电，电源设计较为复杂。其三是本公司2011. 05提出申请的发明专利“接地故障保护型电子式脱扣器”(申请号201110112750.4)中提及了采用隔离电源设计方式，其典型电路原理如图4所示，包含四个电流互感器CT，信号取样电路，信号处理电路，整流滤波电路，电流电压转换电路，隔离电源模块，低压差线性稳压器，脱扣电路，微处理器及其周边外围电路；各个电流互感器分别串联于电网主电路的A、B、C三相线和中性线N中，对A、B、C三相线和中性线N的电流进行传感变换，实现信号感应以及电路能量供应，各个电流互感器的输出端依次连接整流滤波电路、电流电压转换电路、隔离稳压模块、低压差线性稳压器，低压差线性稳压器的输出即为系统工作电压；通过在电流电压转换电路的输出端与上述低压差线性稳压器的输入端之间连接有DC-DC隔离稳压模块，实现微处理器与电流电压转换电路之间地电位的隔离，两者之间的地电位没有共同的参考点；信号处理电路包括信号提升电路和运算放大电路，信号取样电路的输入端分别连接于各个电流互感器的采样端，并由信号提升电路实现把信号取样电路的基准电位由0提升至基准电压Vref，信号取样电路的输出端连接于运算放大电路的输入端，微处理器的脱扣输出端连接至脱扣电路的触发端，当电网主电路出现异常状况时，微处理器提供触发信号给脱扣电路，脱扣电路工作切断负载回路，对负载进行保护。信号取样电路中，各相的电流互感器电流取样电阻Ra、Rb、Rc、foi的一端分别与各相电流互感器的电流采样端对应相连接，另一端则互相连接并与接地信号取样电阻Rf的一端短接，形成一个公共节点；接地信号由接地信号取样电阻Rf变换得到，接地信号取样电阻Rf的另一端与整流滤波电路的整流中间公共端相连接。这种电路结构由于引入DC-DC 隔离稳压模块，信号处理相对简单，不必采用精密差分放大器，普通放大器就可实现对信号处理；并且该DC-DC隔离稳压模块属于开关电源范畴，电源转换效率较高，从而降低允许可工作电网电流值，扩大电子式脱扣器的电流工作范围；但该隔离稳压模块成本稍高，其整体成本价格还是比非接地故障保护型产品贵很多。
发明内容
为了解决现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种整体成本很低的新型接地故障保护电子式脱扣器。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案
新型接地故障保护电子式脱扣器，包括电流互感器，整流电路，信号取样电路，电流电压转换电路，低压差线性稳压器，电流信号处理电路，接地信号处理电路，微处理器及其周边外围电路，脱扣电路；电流互感器分别串联于电网主电路的各相中，各相的电流互感器的输出端分别连接到整流电路的相应输入端，整流电路的输出端依次连接电流电压转换电路和低压差线性稳压器，低压差线性稳压器的输出即为系统工作电压；各电流互感器的电流采样端分别连接信号取样电路的相应输入端，信号取样电路的相应输出端分别连接电流信号处理电路和接地信号处理电路的输入端，电流信号处理电路和接地信号处理电路的输出端分别连接至微处理器的输入端，微处理器的输出端连接脱扣电路的触发端；还包括零序电流互感器，上述零序电流互感器串联于各上述电流互感器的输出同名端与上述整流电路的输入端之间，上述零序电流互感器的二次侧输出端连接至上述信号取样电路的相应输入端；零序电流互感器对各电流互感器二次侧电流信号的矢量和感应得到电网各相电流的矢量和，即，得到电网接地故障信号。上述零序电流互感器采用微小电流矢量和感应模块，体积小巧，硅胶灌封，内置剩余电流互感器，预留4条被感应电流导线从剩余电流互感器中心穿过，并且所有输入输出引脚采用SMT贴片设计，便于PCB电路板焊接。上述接地信号处理电路包括电压提升电路和接地信号放大电路，上述信号取样电路的相应输出端连接于上述接地信号放大电路的输入端，上述接地信号放大电路的输出端连接至上述微处理器的输入端；上述电压提升电路为一基准电压模块，上述基准电压模块的输入端连接上述低压差线性稳压器的输出端，上述基准电压模块的输出端提供基准电压，此基准电压为上述系统工作电压的一半。上述信号取样电路包括各相电流互感器电流取样电阻和接地信号取样电阻，上述
4各相电流互感器电流取样电阻的一端分别与上述整流电路的负输出端对应相连接，上述各相电流互感器电流取样电阻的另一端与系统地相连接，上述接地信号取样电阻并联于上述零序电流互感器的二次侧输出端，且上述接地信号取样电阻的一端与上述基准电压模块的输出端相连接，另一端连接至上述接地信号放大电路的相应输入端。采用上述方案后，本发明具有如下有益效果
一、本发明是在非接地故障保护型产品电路结构的基础上增加零序电流互感器、基准电压和接地信号处理电路，通过零序电流互感器实现对各相电流互感器CT的二次侧输出电流的矢量和迭加感应，从而二次转化得到电网接地故障信号。其电路结构非常简单，电子元器件可做到最少化，电路板体积小巧，即不必双CT设计，也不必采用隔离电源，更不必采用昂贵的差分运放，总体成本很低，竞争力强。二、进一步的，本发明的零序电流互感器以及基准电压和接地信号处理电路等当且仅当接地型的产品才必须焊接，对于非接地型的产品完全可以短接或不焊接而得到，因此本方案之非接地型产品其成本价格可做到最小化；并且接地型的产品与非接地型产品其 PCB电路板完全可以共用，以非接地型产品为模板，当客户需求接地型产品时方修改补充器件，可降低电路板的库存量，降低生产成本。三、进一步的，本发明的零序电流互感器采用模块化设计，体积小巧，硅胶灌封，内置剩余电流互感器，预留4条被感应电流导线从剩余电流互感器中心穿过，并且所有输入输出引脚采用SMT贴片设计，可直接焊接于PCB电路板。四、进一步的，本发明的接地信号处理电路由电压提升电路以及普通的信号放大电路组成，不必采用矢量和迭加运算电路；上述电压提升电路为一基准电压模块，上述信号放大电路采用普通的运算放大器，而非精密差分运放，并且采用单电源供电，电路简化，成本降低。
图1为现有技术中非接地故障保护型电子脱扣器的电路原理图2为现有技术中双CT设计的接地故障保护型电子脱扣器的电路原理图； 图3为现有技术中单CT设计的接地故障保护型电子脱扣器的电路原理图； 图4为申请人所有的申请号为201110112750. 4的发明专利申请“接地故障保护型电子式脱扣器”的电路原理图5为本发明的电路原理图； 图6为本发明的零序电流互感器外形图。
具体实施例方式现结合
和具体实施方式
对本发明进一步的详细说明。本发明新型接地故障保护电子式脱扣器，如图5所示，包括4个硅钢磁芯电流互感器CT，一个零序电流互感器ZCT，信号取样电路，电流信号处理电路，接地信号处理电路，整流电路，电流电压转换电路U1，低压差线性稳压器U2，MCU微处理器及其周边外围电路TO， 以及脱扣电路。各个电流互感器CT分别串联于电网主电路的A、B、C、N相线中，对电网主电路各相电流进行传感变换，实现信号感应以及电路能量供应。电流互感器CT的二次侧输出正比于电网电流，其同名端输出的电流方向与电网电流的方向一致。整流电路包括四个二极管整流桥D1、D2、D3、D4，各个电流互感器CT的输出端分别连接到二极管整流桥D1、D2、D3、D4的输入端，通过二极管整流桥D1、D2、D3、D4分别对各相电流互感器感应的交流电流源A、B、C、N进行整流；各个整流桥的正输出端汇集在一起，并接至电流电压转换电路Ul的输入端，各个整流桥的负输出端分别接下述的各相电流信号取样电阻Ra、Rb、Re、foi。零序电流互感器ZCT如图6所示，包含输入端和输出端共10个引脚，其输入引脚分别对应al、a2、bl、b2、cl、c2、nl、n2，可同时对A\B\C\N 4支路进行零序电流矢量和感应，输出引脚zl、z2为零序电流感应输出。本发明设计应用中如图5，零序电流互感器ZCT 连接于各个电流互感器CT的输出同名端以及二极管整流桥Dl、D2、D3、D4的输入端之间， 零序电流互感器ZCT的信号感应输出端zl、z2 (二次侧输出端)则并联一接地信号取样电阻Rf，得到接地故障信号Vf。零序电流互感器ZCT采用微小电流矢量和感应模块，实现对各相电流互感器二次侧电流信号的矢量和迭加。因电流互感器的二次电流信号输出正比于电网电流，且互感器输出电流相位与电网电流一致，通过零序电流互感器对各相电流互感器的矢量和迭加感应就可间接实现对电网各相电流的矢量和迭加感应，从而获得电网接地故障信号。电流互感器CT的输出端依次连接零序电流互感器ZCT、整流电路、电流电压转换电路Ul和低压差线性稳压器U2，经整流电路整流后的直流电流经电流电压变换电路Ul 转换成直流电压V0，该直流电压VO为低压差线性稳压器U2以及脱扣电路提供电源；电压 VO经过低压差线性稳压器U2变换成可供微处理器、信号处理电路等工作的系统工作电压 VCC。接地信号处理电路包括电压提升电路和作为接地信号放大电路的运算放大电路 U4，电压提升电路为一基准电压模块U3，此基准电压模块U3的输入端连接低压差线性稳压器U2的输出端，此基准电压模块U3的输出端提供基准电压Vref，此基准电压Vref为系统工作电压Vcc的一半，即Vref=l/2*Vcc。电流信号处理电路采用反相放大电路U5。信号取样电路包括各相电流互感器的电流取样电阻Ra、Rb、Re、Rn和接地信号取样电阻Rf，电流取样电阻Ra、Rb、Re、Rn的一端分别与二极管整流桥Dl、D2、D3、D4的负输出端相连接，并分别连接至反相放大电路U5的反相输入端，电流取样电阻Ra、Rb、RC、foi的另一端则与系统地相连接；接地信号取样电阻Rf的一端与基准电压模块U3的输出端相连接，接地信号取样电阻Rf的另一端连接至运算放大电路U4的同相输入端。本发明中，电流取样电阻Ra、Rb、Rc、foi得到的电流取样信号Va、Vb、VC、Vn为负的全波整流电压信号，不能满足MCU微处理器AD转换的要求，必须经过反相放大电路U5进行信号处理为正的全波整流电压信号后方可输入微处理器AD输入口。接地故障信号Vf为交流电压信号，不能满足微处理器AD转换的要求，经电压提升电路把这些交变的电压信号转换为正的直流交变信号；该电压提升电路直接把取样电阻Rf的一端与系统电压基准Vref 相连接得到；电压提升后的接地故障取样信号Vf，经运算放大电路U4信号处理后，相对于电压基准Vref上下交变，但其幅值限制在O-Vcc之间。
脱扣电路由脱扣线圈RELAY、晶体管Q1、以及触发电路等组成；当有故障发生时， 接地故障信号Vf经运算放大电路U4信号处理后进入MCU微处理器，再由MCU微处理器发出一触发信号，触发晶体管Ql导通，脱扣线圈RELAY瞬间动作，带动断路器操作机构，分断主电路。
权利要求
1.新型接地故障保护电子式脱扣器，包括电流互感器，整流电路，信号取样电路，电流电压转换电路，低压差线性稳压器，电流信号处理电路，接地信号处理电路，微处理及其周边外围电路，脱扣电路；电流互感器分别串联于电网主电路的各相中，各相的电流互感器的输出端分别连接到整流电路的相应输入端，整流电路的输出端依次连接电流电压转换电路和低压差线性稳压器，低压差线性稳压器的输出即为系统工作电压；各电流互感器的电流采样端分别连接信号取样电路的相应输入端，信号取样电路的相应输出端分别连接电流信号处理电路和接地信号处理电路的输入端，电流信号处理电路和接地信号处理电路的输出端分别连接至微处理器的输入端，微处理器的输出端连接脱扣电路的触发端；其特征在于还包括零序电流互感器，上述零序电流互感器串联于各上述电流互感器的输出同名端与上述整流电路的输入端之间，上述零序电流互感器的二次侧输出端连接至上述信号取样电路的相应输入端；零序电流互感器对各电流互感器二次侧电流信号的矢量和感应得到电网各相电流的矢量和，即，得到电网接地故障信号。
2.根据权利要求1所述的新型接地故障保护电子式脱扣器，其特征在于上述零序电流互感器采用微小电流矢量和感应模块，体积小巧，硅胶灌封，内置剩余电流互感器，预留 4条被感应电流导线从剩余电流互感器中心穿过，并且所有输入输出引脚采用SMT贴片设计，便于PCB电路板焊接。
3.根据权利要求1所述的新型接地故障保护电子式脱扣器，其特征在于上述接地信号处理电路包括电压提升电路和接地信号放大电路，上述信号取样电路的相应输出端连接于上述接地信号放大电路的输入端，上述接地信号放大电路的输出端连接至上述微处理器的输入端；上述电压提升电路为一基准电压模块，上述基准电压模块的输入端连接上述低压差线性稳压器的输出端，上述基准电压模块的输出端提供基准电压，此基准电压为上述系统工作电压的一半。
4.根据权利要求3所述的新型接地故障保护电子式脱扣器，其特征在于上述信号取样电路包括各相电流互感器电流取样电阻和接地信号取样电阻，上述各相电流互感器电流取样电阻的一端分别与上述整流电路的负输出端对应相连接，上述各相电流互感器电流取样电阻的另一端与系统地相连接，上述接地信号取样电阻并联于上述零序电流互感器的二次侧输出端，且上述接地信号取样电阻的一端与上述基准电压模块的输出端相连接，另一端连接至上述信号放大电路的相应输入端。
全文摘要
本发明公开了一种新型接地故障保护电子式脱扣器，其在非接地故障保护型产品电路结构的基础上增加零序电流互感器、基准电压和接地信号处理电路，通过零序电流互感器实现对各相电流互感器CT的二次侧输出电流的矢量和迭加感应，从而二次转化得到电网接地故障信号。其电路结构非常简单，电子元器件可做到最少化，电路板体积小巧，即不必双CT设计，也不必采用隔离电源，更不必采用昂贵的差分运放，总体成本很低，竞争力强。
文档编号H02H3/32GK102412555SQ20111032227
公开日2012年4月11日 申请日期2011年10月21日 优先权日2011年10月10日
发明者刘剑锋, 方进勇, 林宜 申请人:厦门士林电机有限公司