本发明涉及断路器技术领域，更具体地说，它涉及一种具有实时监控功能的单相灭弧式断路器。
背景技术：
断路器在配电系统中不但可以接通和分断正常负荷电流，还可以断开短路故障电流，能够及时有效的切除短路故障，保障电力系统安全稳定运行。
传统的断路器在短路时由机械开关自动跳闸将电源供电系统断开，由于其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，通常在几十毫秒至数百毫秒之间，因短路处接触电阻小，易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等安全事故。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明实施例的第一目的在于提供一种具有实时监控功能的单相灭弧式断路器，具有响应迅速、减少事故发生的优点。
本发明实施例的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种具有实时监控功能的单相灭弧式断路器，包括：
功率电路，包括：连接于输入电网端与输出负载端之间的igbt电路，用于控制输入电网端与输出负载端之间之间电网的通断；
采样电路，用于对所述输入电网端与所述输出负载端之间的正半周电压进行采样并得到第一采样电压，对所述输入电网端与所述输出负载端之间的负半周电压进行采样并得到第二采样电压；
微处理单元，用于将所述采样电路获得的第一采样电压或第二采样电压与一预设基准电压值进行比较，并在所述第一采样电压或第二采样电压大于所述预设基准电压值时输出一控制信号；以及，
驱动电路，用于依据所述控制信号控制所述功率电路断开；以及，
采样显示单元，用于对电网中的实时电压值和实时电流值进行采样显示；
其中，所述采样显示单元包括：
与所述微处理单元连接的、用于获得供电电网中实时电压值的电压采集模块；
与所述微处理单元连接的、用于获得供电电网中实时电流值的电流采集模块；以及，
与所述微处理单元连接的、用于显示所述实时电压值与所述实时电流值的显示器。
通过采用上述技术方案，采样电路对电网中的电压进行采样，并通过微处理单元将第一采样电压和第二采样电压与预设基准电压值进行比较，当发生短路时，第一采样电压或第二采样电压增大至超过预设基准电压值，微处理单元及生成控制信号控制igbt电路关断，起到短路保护的作用，由于整个控制过程经由采样、控制及igbt协同实现，因此响应更加迅速，减小了安全事故发生的几率；同时，电压采集模块采集电网中的实时电压值，电流采集模块采集电网中的实时电流值，并通过显示器进行显示，从而方便对电网中的电压和电流进行实时的监控。
进一步的，所述igbt电路包括：
第一晶体三极管，包括：第一输入端、第一输出端及第一控制端，所述第一输入端连接至输入电网端；
第二晶体三极管，包括：第二输入端、第二输出端及第二控制端，所述第二输入端连接至输出负载端，所述第二输出端与第一输出相连接，所述第二控制端与第一控制端相连接；
第一二极管，包括第一阳极和第一阴极，所述第一阳极连接所述第一输出端，所述第一阴极连接至第一输入端；以及，
第二二极管，包括第二阳极和第二阴极，所述第二阳极连接至第二输出端，所述第二阴极连接至第二输入端。
通过采用上述技术方案，在正常工作时，第一控制端和第二控制端为高电平，igbt电路处于导通状态，当交流电网处于正半周时，第一晶体三极管和第二二极管导通，实现能量由输入电网端向输出负载端传递，当交流电处于负半周时，第二晶体三极管和第一二极管导通，实现能量由输入电网端向输出负载端传递；当发生短路时，采样电压增大至超过预设基准电压值，微处理单元及生成控制信号控制igbt电路关断，即可切断电网的供电，起到短路保护的作用。
进一步的，所述采样电路包括第三二极管和第四二极管，所述第三二极管包括与所述第一阴极相连的第三阴极和与所述微处理单元相连的第三阳极，所述第四二极管包括与所述第二阴极相连的第四阴极和与所述微处理单元相连的第四阳极，所述采样电路经所述第三二极管获得第一采样电压、经所述第四二极管获得第二采样电压。
通过采用上述技术方案，在正常工作时，第三二极管和第四二极管处于截止的状态，即第一采样电压和第二采样电压为零或较低，从而保持小于预设基准电压值的状态，当发生短路时，第三二极管和第四二极管被击穿，第一采样电压或第二采样电压迅速增加至大于预设基准电压值。
进一步的，所述微处理单元包括：
比较芯片，与所述采样电路相连、具有一预设基准电压值、用于将所述第一采样电压和第二采样电压与所述预设基准电压值相比较、并生成指令信号；以及，
微处理芯片，与所述比较芯片相连、用于对所述指令信号进行处理、并在所述第一采样电压和所述第二采样电压中任意一个大于所述预设基准电压值时输出所述控制信号，所述采样显示单元连接于所述微处理芯片。
通过采用上述技术方案，由比较芯片将第一采样电压和第二采样电压与预设基准电压值进行比较，并依据比较结果生成指令信号发送至微处理芯片，再由微处理芯片进行处理，生成控制信号。
进一步的，所述驱动电路包括：
驱动芯片，与所述微处理芯片相连、用依据所述控制信号关断所述功率电路；以及，
开关电路，包括：第三晶体三极管和第四晶体三极管，所述第三晶体三极管包括：第三输入端、第三输出端和第三控制端，所述第三输入端与所述驱动芯片的高电位输出端相连，所述第三控制端与所述驱动芯片的输出端相连，所述第四晶体三极管包括：第四输入端、第四输出端和第四控制端，所述第四输出端与所述驱动芯片的低电位输出端相连，所述第四控制端与所述驱动芯片的输出端相连，所述第四输入端所述第三输出端相连，且所述第三输出端和第四输入端与第一控制端和第二控制端相连。
通过采用上述技术方案，控制信号发送到驱动芯片后，驱动芯片的输出端输出低电平信号，第三晶体三极管和第四晶体三极管处于关断状态，从而使得第一控制端和第二控制端也处于低电平状态，将igbt电路断开。
进一步的，所述电压采集模块包括：连接于电网的火线和零线之间的霍尔电压传感器，以及，与所述霍尔电压传感器相连、用于将输入电压调整至所述微处理芯片工作电压范围内的电压调整电路。
进一步的，所述电流采集模块包括：连接于电网的零线的霍尔电流传感器，以及，与所述霍尔电流传感器用于将输入电流调整至所述微处理芯片工作电流范围内的电流调整电路。
进一步的，所述显示器包括液晶显示屏和/或led显示屏；所述电压调整电路包括稳压电路和/或降压电路；所述电流调整电路包括整流电路和/或滤波电路。
通过采用上述技术方案，电网中的电压经霍尔电压传感器采集后由电压调整电路调整后输送至微处理芯片，并由显示器进行显示；同样地，电网中的电流经霍尔电流传感器采集后由电流调整电路调整后输送至微处理芯片，并由显示器进行显示。
进一步的，所述微处理芯片还连接有输入设备，所述输入设备包括按键。
通过采用上述技术方案，通过输入设备方便进行参数的设定和开关机操作。
本发明实施例的第二目的在于提供一种短路保护方法，具有响应迅速、减少事故发生的优点。
本发明实施例的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种短路保护方法，该方法基于上述任一技术方案所述的断路器，包括：
获得交流电在正半周时的第一采样电压、交流电在负半周时的第二采样电压、以及供电电网中的实时电压值和实时电流值；
将所述第一采样电压和所述第二采样电压与一预设基准电压值相比较，且在所述第一采样电压和所述第二采样电压中任意一个大于所述预设基准电压值时输出所述控制信号，并通过显示器对所述对所述实时电压值和所述实时电流值进行显示；
依据所述控制信号控制输入电网端与输出负载端之间的功率电路断开。
通过采用上述技术方案，在交流电的正半周和负半周分别进行第一采样电压和第二采样电压的采集，将第一采样电压和第二采样电压与预设基准电压值进行比较，当出现短路时，第一采样电压或第二采样电压会升高而大于预设基准电压值，此时迅速关断功率电路，实现了电路保护的作用，且响应迅速，减少了安全事故发生的几率；同时通过采集供电电网中的实时电压值和实时电流值，并通过显示器进行显示，从而方便对电网中的电压和电流进行实时的监控。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
其一，响应更加迅速，减小了安全事故发生的几率；
其二，可对电网中的实时电压和实时电流状态进行监控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例中功率电路、微处理芯片和采样显示单元的电路原理图。
图3为本发明实施例中比较芯片及其外围电路的电路原理图。
图4为本发明实施例中驱动电路的电路原理图。
图5为本发明实施例中短路保护方法的流程图。
图中：1、功率电路；2、采样电路；3、微处理单元；31、比较芯片；32、微处理芯片；4、驱动电路；41、驱动芯片；42、开关电路；5、采样显示电路；51、电压采样模块；511、霍尔电压传感器；512、电压调整电路；52、电流采样模块；521、霍尔电流传感器；522、电流调整电路；53、显示器；6、输入设备。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种具有实时监控功能的单相灭弧式断路器，如图1所示，包括：功率电路1，包括连接于输入电网端与输出负载端之间的igbt电路；采样电路2，用于对所述输入电网端与所述输出负载端之间的正半周电压进行采样并得到第一采样电压，对所述输入电网端与所述输出负载端之间的负半周电压进行采样并得到第二采样电压；微处理单元3，用于将所述采样电路2获得的第一采样电压或第二采样电压与一预设基准电压值进行比较，并在所述第一采样电压或第二采样电压大于所述预设基准电压值时输出一控制信号；以及，驱动电路4，用于依据控制信号控制功率电路1断开。
具体地，如图2所示，igbt电路包括：第一晶体三极管q1，包括第一输入端、第一输出端及第一控制端，第一输入端连接至输入电网端；第二晶体三极管q3，包括第二输入端、第二输出端及第二控制端，第二输入端连接至输出负载端，第二输出端与第一输出相连接，第二控制端与第一控制端相连接；第一二极管d1，包括第一阳极和第一阴极，第一阳极连接第一输出端，第一阴极连接至第一输入端；以及，第二二极管d2，包括第二阳极和第二阴极，第二阳极连接至第二输出端，第二阴极连接至第二输入端。
第一输入端、第一输出端及第一控制端即分别为第一晶体三极管q1的集电极、发射极和基极，第二输入端、第二输出端及第二控制端即分别为第二晶体三极管q3的集电极、发射极和基极，在第一晶体三极管q1和第二晶体三极管q3的控制端之间还连接有双向导通二极管d8、d10，电阻r3、r4、r5、r95。
在正常工作时，第一控制端和第二控制端为高电平，igbt电路处于导通状态，当交流电网处于正半周时，第一晶体三极管q1和第二二极管导通d2，实现能量由输入电网端向输出负载端传递，当交流电处于负半周时，第二晶体三极管q3和第一二极管导通d1，实现能量由输入电网端向输出负载端传递。
如图2和图3所示，采样电路2包括第三二极管d6和第四二极管d7，第三二极管d6包括与所述第一阴极相连的第三阴极和与微处理单元3相连的第三阳极，第四二极管d7包括与所述第二阴极相连的第四阴极和与微处理单元3相连的第四阳极，采样电路2经第三二极管d6获得第一采样电压、经第四二极管d7获得第二采样电压。在正常工作时，第三二极管d6和第四二极管d7处于截止的状态，即第一采样电压和第二采样电压为零或较低，从而保持小于预设基准电压值的状态，当发生短路时，第三二极管d6和第四二极管d7被击穿，第一采样电压或第二采样电压迅速增加至大于预设基准电压值。
微处理单元3包括：比较芯片31，与采样电路2相连、具有一预设基准电压值、用于将第一采样电压和第二采样电压与预设基准电压值相比较、并生成指令信号，比较芯片31选用型号为tlv3501；以及，微处理芯片32，与比较芯片31相连、用于对指令信号进行处理、并在第一采样电压和第二采样电压中任意一个大于预设基准电压值时输出控制信号。
具体地，第三二极管d6的第三阴极和第四二极管d7的第四阴极分别连接一续流二极管后与电阻r28的一端相连，且电阻r28与比较芯片31的3号端口连接，另一端接地，比较芯片31的2号端口与电容c30连接后接地，预设基准电压值v_ref1由微处理芯片32下发，比较芯片31的6号端口与微处理芯片32的off信号接收端口相连。
由比较芯片31将第一采样电压和第二采样电压与预设基准电压值进行比较，并依据比较结果生成指令信号发送至微处理芯片32，再由微处理芯片32进行处理，即生成控制信号。
如图2和图4所示，驱动电路4包括：驱动芯片41，与微处理芯片32相连、用依据控制信号关断功率电路1，驱动芯片41选用型号为hcpl-316j；以及，开关电路42，包括：第三晶体三极管q6和第四晶体三极管q7，第三晶体三极管q6包括：第三输入端、第三输出端和第三控制端，第三输入端与驱动芯片41的高电位输出端相连，第三控制端与驱动芯片41的输出端相连，第四晶体三极管q7包括：第四输入端、第四输出端和第四控制端，第四输出端与驱动芯片41的低电位输出端相连，第四控制端与驱动芯片41的输出端相连，第四输入端第三输出端相连，且第三输出端和第四输入端与第一控制端和第二控制端相连。
第三输入端、第三输出端及第三控制端即分别为第三晶体三极管q6的集电极、发射极和基极，第四输入端、第四输出端及第四控制端即分别为第四晶体三极管q6的集电极、发射极和基极，第三控制端与第四控制端均与电阻r21一端连接后连接至驱动芯片41的11号端口，微处理芯片32的igbt_ctrl信号输出端与驱动芯片41的1号端口相连。
控制信号发送到驱动芯片41后，驱动芯片41的输出端输出低电平信号，第三晶体三极管q6和第四晶体三极管q7处于关断状态，从而使得第一控制端和第二控制端也处于低电平状态，将igbt电路断开。
如图1所示，断路器还包括采样显示单元，采样显示单元包括：与微处理芯片32连接的、用于获得供电电网中实时电压值的电压采集模块；与微处理芯片32连接的、用于获得供电电网中实时电流值的电流采集模块；以及，与微处理芯片32连接的、用于显示实时电压值与实时电流值的显示器53，显示器53包括液晶显示屏和/或led显示屏，本实施例中选用液晶显示屏。
具体地，电压采集模块包括：连接于电网的火线和零线之间的霍尔电压传感器511，以及，与霍尔电压传感器511相连、用于将输入电压调整至微处理芯片32工作电压范围内的电压调整电路512，电压调整电路512包括稳压电路和/或降压电路。
电流采集模块包括：连接于电网的零线的霍尔电流传感器521，以及，与霍尔电流传感器521用于将输入电流调整至微处理芯片32工作电流范围内的电流调整电路522，电流调整电路522包括整流电路和/或滤波电路。
电网中的电压经霍尔电压传感器511采集后由电压调整电路512调整后输送至微处理芯片32，并由显示器53进行显示，同样地，电网中的电流经霍尔电流传感器521采集后由电流调整电路522调整后输送至微处理芯片32，并由显示器53进行显示；通过对电网的实时电压值和实时电流值进行显示，并及时判断电压是否过零点、电流是否处于过载状态，方便使用者进行实时监控。
同时，在短路时，驱动芯片41产生短路故障信号igbt_error由6号端口发送至微处理芯片32，微处理芯片32的igbt_error信号接收端口接收故障信号，并通过显示器53进行显示。
如图2所示，微处理芯片32还连接有输入设备6，输入设备6包括键盘和/按键，通过输入设备6方便进行参数的设定和开关机操作，具体过程为：微处理芯片32接收输入设备6的指令，进行短路电流设置、开关机判断、故障复位等；开机时，微处理芯片32下发igbt开关机指令igbt_ctrl，如果微处理芯片32接受到输入设备6发来的开机指令，微处理芯片32会首先判断电网电压的过零点，开机指令会在过零点发给驱动芯片41，实现开机功能；同理，如果微处理芯片32接受到输入设备6发来的关机指令，微处理芯片32会首先判断电网电压的过零点，关机指令会在过零点发给驱动芯片41，实现关机功能。
工作时，采样电路2对电网中的电压进行采样，并通过微处理单元3将第一采样电压和第二采样电压与预设基准电压值进行比较，当发生短路时，第一采样电压或第二采样电压增大至超过预设基准电压值，微处理单元3及生成控制信号控制igbt电路关断，起到短路保护的作用，由于整个控制过程经由采样、控制及igbt协同实现，使得短路保护响应时间保持在30-50μs，因此响应更加迅速，减小了安全事故发生的几率。
相应的，本实施例还提供一种短路保护方法，该方法基于上述断路器，如图5所示，包括：
701，获得交流电在正半周时的第一采样电压、交流电在负半周时的第二采样电压、以及供电电网中的实时电压值和实时电流值；
702，将第一采样电压和第二采样电压与一预设基准电压值相比较，且在第一采样电压和第二采样电压中任意一个大于预设基准电压值时输出控制信号，并通过显示器53对对所述实时电压值和实时电流值进行显示；
703，依据控制信号控制输入电网端与输出负载端之间的功率电路1断开。
在交流电的正半周和负半周分别进行第一采样电压和第二采样电压的采集，将第一采样电压和第二采样电压与预设基准电压值进行比较，当出现短路时，第一采样电压或第二采样电压会升高而大于预设基准电压值，此时迅速关断功率电路1，实现了电路保护的作用，且响应迅速，减少了安全事故发生的几率；同时通过采集供电电网中的实时电压值和实时电流值，并通过显示器53进行显示，从而方便对电网中的电压和电流进行实时的监控。
在上述实施例中，对各个实施例的描述各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可能采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所述涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元之间的间接耦合或通信连接，可以是电信或者其它的形式。
上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。