带有电压监视与电压保护以及剩余电流保护的低压断路器的制作方法

本实用新型涉及低压配电领域，尤其涉及带有电压监视与电压保护以及剩余电流保护的低压断路器。

背景技术：

以往的《供电营业规则》规定：“在供电企业规定的电网高峰负荷时：100kVA及以上高压供电的用户功率因数为0.90以上，否则应增添无功补偿装置(1996年颁布的电力工业部第8号令，现已改行2016年颁布的国务院令第196号《电力供应与使用条例》)。因此，配网末端配置了大量并联电容器等无功补偿设备。同时，又由于供电企业对工业用户等实行“两部电费制”：(1)基本电费，每月按所装主变容量(kVA)计缴费；(2)电能电费，按每月耗用电能(kWh)计算电费，并根据月平均功率因数的高低乘一个调整系数。凡月平均功率因数高于规定值的，可减交一定电费。水利电力部、国家物价局文件——(83)水电财字第215号《功率因数调整电费办法》允许按用户每月实用有功电量和无功电量，计算月平均功率因数。因此，相当多的工矿企业配置的并联电容器往往习惯上会被长期全部投运。此外，由于用地紧张以及安全美观等因素城市电网采用了大量的电缆线路，而电缆线路对地电容较大，在诸如深夜等轻载时，会造成无功功率过剩而使得配网末端的电压水平偏高。

另一方面，由于近年来环境与能源安全问题越来越受到关注，在国家法规政策的推动下，用户侧的可再生能源发电应用正逐步快速增加。由于原有配网规划及运行并没有考虑到这一种情况，因此，配网中大量接入可再生能源发电时，配网运行时由以往的单侧电源电网变成多电源电网，又由于可再生能源发电出力变化随机性较大以及需采用电力电子装置经整流逆变后并网，可能会给配网的电能质量、供电可靠性、继电保护的配置与整定等带来一系列影响，原有的配网运行的控制措施可能发挥不出其应有的效用。

目前，电能质量监测和控制主要集中在电网供电侧，若将目前的电能质量监测方案应用到用户侧时，投资过高，同时多指标、高精度、大容量的电能质量监测对于一般用户而言也没有实际意义。对于低压用户而言，影响其用电质量的主要因素为供电电压偏差和谐波电压超过允许值，电压偏差较大或谐波电压超限时均会影响用户设备的正常运行和使用寿命，供电系统内部故障造成供电电压升高而导致大范围用户电器设备损毁的案例也屡见不鲜。而广泛应用于低压配电系统终端的模数化小型断路器中集成了短路保护、过负荷保护以及漏电保护等，但并未考虑电压偏高或偏低以及谐波电压超限时的情况。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供带有电压监视与电压保护以及剩余电流保护的低压断路器。因此，本实用新型采用以下技术方案。

带有电压监视与电压保护以及剩余电流保护的低压断路器，所述低压断路器包括：第一变压模块、第二变压整流模块、模数转换器、分析控制单元、报警模块、电压保护模块、跳闸线圈和剩余电流保护模块；

所述第一变压模块与所述模数转换器连接，所述第一变压模块将输入的交流电压转换为适合输入到所述模数转换器的电压信号；

所述分析控制单元与所述模数转换器连接，所述模数转换器将输入的电压信号转换成数字信号并输出到所述分析控制单元；

所述分析控制单元与所述报警模块和所述电压保护模块连接，所述电压保护模块包括中间继电器，所述中间继电器控制所述跳闸线圈；

所述第二变压整流模块用于将输入的交流电压转换成直流电压，为所述模数转换器、分析控制单元和电压保护模块供电。

优选的，所述第一变压模块包括电压互感器、电压幅值衰减电路和直流电位偏置电路。

优选的，所述第二变压整流模块包括变压器、整流电路和稳压电路。

优选的，所述电压保护模块还包括输出驱动放大电路。

优选的，所述低压断路器还包括数字通信接口模块，所述数字通信接口模块与所述分析控制单元连接。

优选的，所述数字通信接口模块为RS232通信接口模块或RS485通信接口模块。

优选的，所述剩余电流保护模块包括零序电流互感器和电流继电器，所述电流继电器控制所述跳闸线圈。

优选的，所述报警模块为声光报警。

优选的，所述装置还包括按键和显示屏，所述按键和显示屏与所述分析控制单元连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型基于单片机设计提供了带有电压监视与电压保护以及剩余电流保护的低压断路器，实现对供电电压偏差和电压谐波畸变率的监视并实现电压保护，避免了电压偏差较大或谐波电压超限对用户设备正常运行和使用寿命的影响。另外，本实用新型的装置的整流稳压输入回路与待测电压信号回路各采用一组变压器，以避免整流稳压输入回路对待测电压信号的干扰。

附图说明

图1是本实用新型的带有电压监视与电压保护以及剩余电流保护的低压断路器的结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

带有电压监视与电压保护以及剩余电流保护的低压断路器，低压断路器包括：第一变压模块、第二变压整流模块、模数转换器、分析控制单元、报警模块、电压保护模块、跳闸线圈和剩余电流保护模块；第一变压模块与模数转换器连接，第一变压模块将输入的交流电压转换为适合输入到模数转换器的电压信号；分析控制单元与模数转换器连接，模数转换器将输入的电压信号转换成数字信号并输出到分析控制单元，分析控制单元可以是单片机也可以是MCU，分析控制单元计算电压偏差和电压谐波畸变率；分析控制单元与报警模块和电压保护模块连接，电压保护模块包括中间继电器，中间继电器控制跳闸线圈；第二变压整流模块用于将输入的交流电压转换成直流电压，为模数转换器、分析控制单元和电压保护模块供电。剩余电流保护模块包括零序电流互感器和电流继电器，电流继电器控制跳闸线圈

下面对本实用新型进行详细的说明。

电压偏差又称电压偏移，对电网而言，供电电压偏差是指实际运行电压对系统标称电压的偏差相对值，以百分数表示；对用电设备而言，电压偏差是指给定瞬间设备的端电压U与设备额定电压UN之差对额定电压的百分值，即：

根据GB/T 12325-2008《电能质量供电电压偏差》的规定，20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7％，220V单相供电电压偏差为标称电压的+7％、-10％，特殊情况的用户由供、用电双方协议确定。

参照电网供电电压偏差的测量方法进行统计，即获得电压有效值的基本的测量时间窗口应为10周波，并且每个测量时间窗口应该与紧邻的测量时间窗口不重叠，连续测量并计算电压有效值的平均值，计算获得供电电压偏差值。

电压谐波畸变率通过电压总谐波畸变率THDV、电压第h次谐波含有率HRV^h指标度量：

式中的上标h表示谐波次数，上标为1表示该参数为基波量。

GB/T 14549-93《电能质量公用电网谐波》与谐波电压有关的指标如下表所示：

表1电压谐波畸变率限值

如图1所示，供电电压经电压互感器变换得到0～5V交流电压信号(即输入交流回路)；该电压经由R1、R2、R3组成的无源衰减电路进行降幅，再加上基于基准电压源(TL431)的直流偏置，以保证输入A/D转换器的电压信号在0～+5V之间，A/D转换器通过采样计算将模拟电压信号转换成数字信号(即A/D采样转换电路)并输出到单片机或MCU，单片机或MCU因此得到离散的电压数据(也可采用自带A/D转换功能的单片机)，再基于FFT算法实现对工频及相关次谐波电压(2～25次谐波电压)的提取以及电压偏差和电压谐波畸变率的计算。FFT算法通过单片机或MCU来实现。当计算的电压偏差大于预设值时(如±20％)或电压谐波畸变率超限时，单片机或MCU可以改变对应的引脚的状态(置0)，以启动相连接的报警模块或/和电压保护模块，以发出声光报警提示或/和进行相应的跳闸操作。数字通信接口可以采用RS232数字通信接口或RS485数字通信接口，RS232或RS485数字通信接口可发送数字控制信号，上传数据等(也可作为智能控制的预留通信接口)，可以将电压监视情况上传。通信接口采用MAX485芯片或MAX232芯片时，可分别构成RS485或RS232通信接口。装置的直流电源通过全波整流并加上7805稳压电路获得，为A/D转换器、MCU和数字通信口提供直流电源，为避免对待测电压信号的干扰，整流稳压输入回路采用另一个供电变压器(即供电电压的整流稳压回路)。

通过按键可实现是否允许电压报警、跳闸设置，电压报警、跳闸阈值设置值的设置，电压报警信号及跳闸控制信号的解除，是否允许通过RS232或RS485数字通信口发送电压报警、跳闸控制信号，是否允许通过RS232或RS485数字通信口将电压合格率、最高/最低电压、电压谐波畸变率等数据上传等；液晶屏可显示当前电压值及电压偏差值、电压谐波畸变率、信号解除前的最高/最低电压值和电压谐波畸变率，是否允许报警、跳闸设置情况，电压报警、跳闸阈值设置值；允许报警设置时，当电压偏差和/或电压谐波畸变率超过允许值，通过声光报警提示；允许跳闸设置时，可根据用电设备工作电压和/或电压谐波畸变率允许范围设置跳闸控制阈值(如1.2UN等)。

单片机引脚电流驱动能力不足，单片机的管脚与电阻R5连接，电阻R5与PNP三极管连接，通过一个PNP三极管增加驱动电流。二极管与中间继电器KM并联。电阻R5、PNP三极管和二极管构成输出驱动放大电路。供电电压超过跳闸阈值且允许跳闸设置时，接中间继电器KM的单片机引脚电平从高电平变为低电平，PNP三极管此时为饱和导通，从而接通中间继电器所在回路，通过该中间继电器动合触点KM接通跳闸线圈实现跳闸，从而实现电压保护。

剩余电流保护模块检测一次回路中的零序电流(即剩余电流)，当零序电流大于整定值时，电流继电器动作，从而接通跳闸线圈实现跳闸，从而实现剩余电流保护。

实际电网中谐波分量通常不大，对在低压家庭、小微企业以及农村电网用户的应用而言，谐波分析只需计算其工频分量及2～25次谐波分量。

对于三相交流供电系统，有三相三线制(每相分别用A、B、C表示，这就有了A相、B相、C相之别)以及三相四线制(除了A相、B相、C相对应的三线，还有1条中性线，用N来表示)。

图1可以表示供电电压为单相电压的情况，可以分为以下两种情况：

1、单相情况1，以相电压为额定电压(额定电压220V)，则图1中的L1、L2可以为A、N，B、N或C、N中的任意一种；

2、单相情况2，以线电压为额定电压(额定电压380V)，则图1中的L1、L2可以为A、B，B、C或C、A中的任意一种。

另外还可以从图1中扩展到供电电压为三相的情况，可以分为以下两种情况：

1、三相情况1，三相三线制，将第一变压模块扩展为三组，即图1中的电压互感器、电阻R1、R2、R3、R4、电容C3和基准电压源扩展为三组，图1中的L1、L2变为三相三线A、B、C。A、B，B、C，C、A分别对应一组第一变压模块，对输入的三相电压分别进行电压转换；

2、三相情况2，三相四线制，将第一变压模块扩展为三组，即图1中的电压互感器、电阻R1、R2、R3、R4、电容C3和基准电压源扩展为三组，图1中的L1、L2变为三相四线A、B、C和中性线N。A、N，B、N，C、N分别对应一组第一变压模块，对输入的三相电压分别进行电压转换。

本实用新型提出了一种基于单片机的带有电压监视与电压保护以及剩余电流保护的低压断路器，开发了基于FFT的电压偏差与电压谐波畸变率分析算法，通过在Proteus平台上的仿真以及装置成本测算，结果表明，该装置能以较低成本且方便地实现低压家庭、小微企业以及农村电网用户侧的电压监视与保护。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。