一种具有故障切除功能的船舶自动化装置的制作方法

本发明涉及船舶电气技术领域，具体涉及一种具有故障切除功能的船舶自动化装置。

背景技术：

船舶交流供电系统通常采用三相三线制系统，对于供电稳定性和连续性要求高，以保证对船舶供电的可靠性，但船舶交流供电系统复杂度高，船舶电源系统也各有差异，导致船舶交流供电系统发生故障，影响正常运行和对船舶的供电。

其中，单相接地故障是配电系统最常见的故障，单相接地故障发生后，可能发生间歇性弧光接地，造成谐振过电压，产生几倍于正常电压的过电压，过电压将进一步使线路上的绝缘子绝缘击穿，造成严重的短路事故，同时可能烧毁部分配电变压器，使线路上的避雷器、熔断器绝缘击穿、烧毁,也可能发生电气火灾，影响给船舶的安全运行造成隐患。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明的目的是提供一种具有故障切除功能的船舶自动化装置，通过配合使用接触器和保护电路，当接地故障发生后，通过连接在中性点与地之间的可调电抗器产生反向大电压，快速触发断路器动作，缩短断路器的反应时间，及时将故障线路切除，避免进一步影响线路设备的安全性，同时当大电流产生时，通过保护电路产生动作信号，触发接触器动作，将大电流直接接地，进一步保护了线路设备，本发明解决了船舶用电故障切除不及时的技术问题。

为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种具有故障切除功能的船舶自动化装置，包括：

可调电抗器，其连接在三相线路中性点和地线之间；

采集单元，连接在各相线路上，用于采集所在线路上的电信号；

接触器，其触点串联在所述三相线路上断路器的输出端与地线之间，所述触点处于常开状态；以及

保护电路，其输入端与所述采集单元的输出端连接，所述保护电路的输出端与所述接触器线圈的辅助电源的开关连接，所述辅助电源的开关处于常开状态，当所述三相线路发生单相接地故障时，所述保护电路被触发，控制所述辅助电源的开关闭合，使得所述触点闭合，同时所述断路器被触发断开。

优选的，每相线路上分别设置一所述采集单元，各个所述采集单元采集的电信号经过ac/dc变换后共接于所述保护电路的输入端。

优选的，所述接触器的线圈与所述辅助电源、辅助电源开关串联，所述辅助电源开关为一可控开关，所述辅助电源开关的控制端与所述保护电路的输出端连接。

优选的，所述保护电路包括：

差压发生电路，其输入端与所述采集单元的输出端连接，所述差压发生电路通过一第一开关管接地；

第二开关管，其输入端连接一电源端vcc，所述第二开关管的输出端接地，所述第二开关管的控制端与所述差压发生电路的输出端连接；

比较单元，其同相输入端与所述差压发生电路的输出端连接，所述比较单元的反相输入端通过一基准发生单元连接至所述第二开关管的输入端；以及

信号强化单元，其输入端同时与所述比较单元的输出端、第一开关管的控制端连接，所述信号强化单元的输出端连接至所述辅助电源开关的控制端。

优选的，所述差压发生电路包括:

第一电阻，其第一端连接至各个所述采集单元的输出端，所述第一电阻的第二端连接所述第一开关管的输入端；

第二电阻，其并联在所述第一开关管两端；以及

稳压二极管，其串联在所述第二电阻与所述第一开关管输出端之间，所述稳压二极管的正极与所述第一开关管的输出端连接。

优选的，所述第一开关管为n型三极管，所述第二开关管为p型三极管，所述第二开关管的基极与所述稳压二极管的负极连接。

优选的，所述基准发生单元包括：

第一二极管，其负极与所述第二开关管的发射极连接；

第一比较器，其反相输入端连接所述第一二极管的正极，所述第一比较器的反相输入端通过一上拉电阻ra连接电源端vcc，所述第一比较器的同相输入端连接一第一分压电路的输出端，所述第一分压电路包括串联设置的第三电阻和第四电阻，所述第三电阻的第一端连接电源端vcc，所述第四电阻的第二端接地；

第二分压电路，其包括串联设置的第五电阻和第六电阻，所述第五电阻的第一端连接所述第一比较器的输出端，所述第六电阻的第二端接地。

优选的，所述比较单元包括：

第二二极管，其负极与所述稳压二极管的负极连接；

第二比较器，其同相输入端通过一上拉电阻ra连接电源端vcc，所述第二比较器的反相输入端与所述第二分压电路的输出端连接；所述第二比较器的输出端与所述第一开关管的基极连接。

优选的，所述信号强化单元包括：

第三比较器，其同相输入端与所述第二比较器的输出端连接，所述第三比较器的同相输入端通过一上拉电阻ra连接电源端vcc；

第三分压电路，其包括串联的第七电阻和第八电阻，所述第七电阻的第一端连接电源端vcc，所述第八电阻的第二端接地，所述第三分压电路的输出端连接所述第三比较器的反相输入端；

非门，其连接在所述第三比较器的输出端，所述非门输出端与所述辅助电源开关的控制端连接。

优选的，当所述非门输出低电平时，所述接触器保持断开状态；当所述非门输出高电平时，触发所述辅助电源开关闭合，进而触发所述接触器的触头闭合，所述断路器的输出端通过所述接触器直接接地。

与现有技术相比，本发明包含的有益效果在于：

1、本发明可以提高故障发生时断路器动作灵敏性，缩短断路器的反应时间，及时将故障线路切除，避免进一步影响线路设备的安全性；

2、同时当大电流产生时，通过保护电路产生动作信号，触发接触器动作，将大电流直接接地，避免大电流损坏设备，进一步保护了线路设备；

3、当接地故障消除时，接触器和保护电路自动复位，无需人工操作，简单、安全、可靠。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明的整体示意图；

图2是保护电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明文字能够据以实施。

如图1-2所示，本发明提供了一种具有故障切除功能的船舶自动化装置，包括可调电抗器tc、采集单元、接触器ka和保护电路。

可调电抗器tc连接在三相线路中性点和地线之间，当线路发生单相接地故障时，中性点电压绝对值从0v上升为故障相电压绝对值，从而在可调电抗器tc上产生反激脉冲电压，该脉冲电压流经断路器qs即可触发断路器qs动作将线路开断，保护设备安全，避免线路长期运行在接地故障状态从而损坏设备。

虽然通过设置可调电抗器tc可以快速触发断路器qs动作，缩短断路器qs的开断时间，有效保护设备的运行安全，但是触发断路器qs动作的脉冲电压也会瞬间对线路造成冲击，容易损坏设备，为此本发明设置了接触器和保护电路来将脉冲电压引入接地系统中，即提高了断路器qs的反应灵敏性，有保障了线路设备不受脉冲电压冲击而损坏。

具体的，在各相线路上分别设置有一个采集单元ta1-ta3，采集单元用于采集所在线路上的电信号，各个所述采集单元采集的电信号经过整流模块vc1-vc3的ac/dc变换后共接于所述保护电路的输入端，也就是将各相线路上的电信号转变成数字信号后传送至保护电路中，保护电路根据接受到的电压大小来发出触发信号，控制接触器ka动作。

接触器ka的触点串联在所述三相线路上断路器qs的输出端与地线之间，所述触点处于常开状态。触点的动作受接触器线圈控制，当线圈通电时，则触发触点动作闭合，进而控制接触器ka闭合，也就是将断路器qs的输出端通过接触器ka直接接地，将线路上的脉冲电压引入接地系统，保护线路上设备的运行安全。

所述接触器ka的线圈与一辅助电源、辅助电源开关串联，所述辅助电源开关为一可控开关，所述辅助电源开关的控制端与所述保护电路的输出端连接，从而通过保护电路来控制接触器ka线圈是否得电，也就是控制所述接触器ka是否闭合。

保护电路的输入端与所述采集单元的输出端连接，所述保护电路的输出端与所述接触器ka线圈的辅助电源开关连接，所述辅助电源的开关处于常开状态，当所述三相线路发生单相接地故障时，所述保护电路被触发，控制所述辅助电源的开关闭合，使得所述触点闭合，将脉冲电流接地，保护设备，同时所述断路器qs被触发断开，将故障切除。

上述技术方案中，如图2所示，所述保护电路包括：差压发生电路、第二开关管、比较单元和信号强化单元。

其中，差压发生电路的输入端与各个所述采集单元的输出端连接，3个采集单元将采集到的电压信号整流成直流电后共接与差压发生电路的输入端，所述差压发生电路通过一第一开关管t1接地。

具体的，所述差压发生电路包括:

第一电阻r1，其第一端连接至各个所述采集单元的输出端，所述第一电阻r1的第二端连接所述第一开关管t1的输入端，所述第一开关管t1为n型三极管；

第二电阻r2，其并联在所述第一开关管t1两端；以及

稳压二极管dz，其串联在所述第二电阻r2与所述第一开关管t1输出端之间，所述稳压二极管dz的正极与所述第一开关管t1的输出端连接。

正常状态下，采集到的三相电流同时流入在差压发生电路，通过差压发生电路后接地，当第一开关管t1两端电压处于正常范围时，也就是三相线路处于正常运行状态时，第一开关管t1处于导通状态，采集电流经过第一电阻r1和第一开关管t1后直接接地。

而当三相线路发生单相接地故障后，中性点电压的绝对值从0v上升为故障相电压的绝对值，可调电抗器产生反向大电压，快速触发断路器动作，缩短断路器的反应时间，及时将故障线路切除，避免进一步影响线路设备的安全性，同时当大电流产生时，也就是采集到故障发生时的脉冲电压时，最终该脉冲电压分压在第一电阻r1和第一开关管t1两端，当第一开关管t1两端的电压大于稳压二极管dz的击穿电压时，就会击穿稳压二极管dz。而当故障消除后，第一开关管t1两端的电压小于稳压二极管dz的击穿电压，稳压二极管dz即可自动恢复。

第二开关管t2的输入端连接一电源端vcc，所述第二开关管t2的输出端接地，所述第二开关管t2的控制端与所述差压发生电路的输出端连接，从而使得第二开关管t2的通断受差压发生电路的控制。本实施例中，所述第二开关管t2为p型三极管，所述第二开关管t2的基极与所述稳压二极管dz的负极连接。

上述技术方案中，比较单元的同相输入端与所述差压发生电路的输出端连接，所述比较单元的反相输入端通过一基准发生单元连接至所述第二开关管t2的输入端。基准发生单元用于产生一基准信号，用于同步控制比较单元的输出信号。

具体的，所述基准发生单元包括：

第一二极管d1，其负极与所述第二开关管t2的发射极连接；

第一比较器op1，其反相输入端连接所述第一二极管d1的正极，所述第一比较器op1的反相输入端通过一上拉电阻ra连接电源端vcc，所述第一比较器op1的同相输入端连接一第一分压电路的输出端，所述第一分压电路包括串联设置的第三电阻r3和第四电阻r4，所述第三电阻r3的第一端连接电源端vcc，所述第四电阻r4的第二端接地；

第二分压电路，其包括串联设置的第五电阻r5和第六电阻r6，所述第五电阻r5的第一端连接所述第一比较器op1的输出端，所述第六电阻r6的第二端接地。

正常状态时，稳压二极管dz不导通，稳压二极管dz的负极处于高电位，第二开关管t2处于断开状态，也就是第一比较器op1的反相输入端处于高电位状态，并且该电位高于第一分压电路的输出电压，也就是高于第一比较器op1的同相输入端电压，使得第一比较器op1输出低电平信号，进而使得第二分压电路输出低电平信号。

而三相线路发生单相接地故障时，稳压二极管dz被击穿而接地，稳压二极管dz的负极处于低电位，触发第二开关管t2导通接地，也就是第一比较器op1的反相输入端处于低电位状态，使得第一比较器op1输出高电平信号，进而使得第二分压电路输出高电平信号。

当故障消除后，稳压二极管dz自动恢复，第二开关管t2自动断开，第二分压电路恢复输出低电平信号。

所述比较单元包括：

第二二极管d2，其负极与所述稳压二极管dz的负极连接；

第二比较器op2，其同相输入端通过一上拉电阻ra连接电源端vcc，所述第二比较器op2的反相输入端与所述第二分压电路的输出端连接；所述第二比较器op2的输出端与所述第一开关管t1的基极连接，控制第一开关管t1的通断。

正常状态时，第二分压电路输出低电平信号，也即是第二比较器op2的反相输入端处于低电位，第二比较器op2的同相输入端处于高电位，使得第二比较器op2输出高电平，进而使得第一开关管t1保持在导通状态。

当单相接地故障发生时，第二分压电路输出高电平信号，也即是第二比较器op2的反相输入端处于高电位，第二比较器op2的同相输入端通过稳压二极管dz后接地，也即是处于低电位，使得第二比较器op2输出低电平，进而使得第一开关管t1处于断开状态，采集电流经过电阻r1、电阻r2和稳压二极管dz后接地。

而当故障消除后，稳压二极管dz自动恢复，第二开关管t2自动断开，第二分压电路恢复输出低电平信号，第二比较器op2输出高电平，第一开关管t1重新导通。

上述技术方案中，信号强化单元用于提高保护电路输出信号的经确定，为辅助电源开关提供可靠的控制信号，避免辅助电源开关误动作或不动作。具体的，信号强化单元输入端同时与所述比较单元的输出端、第一开关管t1的控制端连接，所述信号强化单元的输出端连接至所述辅助电源开关的控制端。

如图2所示，所述信号强化单元包括：

第三比较器op3，其同相输入端与所述第二比较器op2的输出端连接，所述第三比较器op3的同相输入端通过一上拉电阻ra连接电源端vcc；

第三分压电路，其包括串联的第七电阻r7和第八电阻r8，所述第七电阻r7的第一端连接电源端vcc，所述第八电阻r7的第二端接地，所述第三分压电路的输出端连接所述第三比较器op3的反相输入端；

非门u，其连接在所述第三比较器op3的输出端，所述非门u输出端与所述辅助电源开关的控制端连接。

正常状态时，第一开关管t1保持在导通状态，第二比较器op2输出高电平，也就是第三比较器op3的同相输入端处于高电平状态，且高于第三分压电路的输出电压值，使得第三比较器op3输出高电平信号。所述非门u输出低电平，接触器ka线圈不通电，所述接触器ka保持断开状态。

当单相接地故障发生时，第一开关管t1处于断开状态，第二比较器op2输出低电平，也就是第三比较器op3的同相输入端处于低电平状态，且小于第三分压电路的输出电压值，使得第三比较器op3输出低电平信号。所述非门u输出高电平，触发所述辅助电源开关闭合，进而触发所述接触器ka的触头闭合，所述断路器qs的输出端通过所述接触器ka直接接地，将脉冲电流经过断路器qs后直接接地，触发断路器qs及时动作将故障切除，同时将大电流引入接地系统后，保护线路上的设备避免受冲击而损坏。

而当故障消除后，稳压二极管dz自动恢复，第二比较器op2输出高电平，第三比较器op3输出高电平信号，第一开关管t1重新导通，接触器ka重新断开，控制断路器qs复位即可将线路重新投入正常工作状态。

本实施例中，各个电源端vcc的电压为5v，电阻ra的阻值可以是8k欧姆，电阻r1的阻值小于10欧姆，电阻r2的阻值可以是500欧姆，电阻r3-r8的阻值可以相等，比如300欧姆。

由上所述，本发明可以提高故障发生时断路器qs动作灵敏性，缩短断路器qs的反应时间，及时将故障线路切除，避免进一步影响线路设备的安全性；同时当大电流产生时，通过保护电路产生动作信号，触发接触器ka动作，将大电流直接接地，避免大电流损坏设备，进一步保护了线路设备；进一步的，当接地故障消除时，接触器ka和保护电路自动复位，无需人工操作，简单、安全、可靠。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易的实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。