一种可自复位及远程复位的电气保护装置及其方法.pdf

本发明公开了一种可自复位及远程复位的电气保护装置，包括前置保护模块、电源转换模块、CPU处理模块、继电保护模块、电源转换模、数据存储模块和通信接口模块，所述的前置保护模块并联接在220V用电线路上，使所述的电气保护装置与用电设备成并联关系；前置保护模块后接电源转换模块，电源转换模块后面分别连接CPU处理模块、数据存储模块和通信接口模块；CPU处理模块直接控制继电保护模块，继电保护模块通过继电器串联接在220V用电线路上，使继电保护模块与用电设备成串联关系。本发明的电气保护装置及其方法，大大提高设备的可靠性、可恢复性、使用寿命，并且使电气故障后的恢复时间大大缩短。

权利要求书1.  一种可自复位及远程复位的电气保护装置，其特征在于：包括前置保护模块、电源转换模块、CPU处理模块、继电保护模块、电源转换模、数据存储模块和通信接口模块，所述的前置保护模块并联接在220V用电线路上，使所述的电气保护装置与用电设备成并联关系；前置保护模块后接电源转换模块，电源转换模块后面分别连接CPU处理模块、数据存储模块和通信接口模块；CPU处理模块直接控制继电保护模块，继电保护模块通过继电器串联接在220V用电线路上，使继电保护模块与用电设备成串联关系。2.  根据权利要求1所述的可自复位及远程复位的电气保护装置，其特征在于：所述的前置保护模块，在220V±20％的范围内，对220V交流电进行初步滤波，用于滤除大部分尖波或脉冲波。3.  根据权利要求1所述的可自复位及远程复位的电气保护装置，其特征在于：所述的前置保护模块，为用电设备两端并联的电容器，或者为用电设备两端串联的电感器，或者为电容、电感器组成的复式滤波电路。4.  根据权利要求1所述的可自复位及远程复位的电气保护装置，其特征在于：所述的电源转换模块，将市电交流电转换为稳定的3.6V或5V的直流电，一方面提供做保护装置内部供电，另一方面提供给CPU处理模块进行电参数分析。5.  根据权利要求1所述的可自复位及远程复位的电气保护装置，其特征在于：所述的电源转换模块，为桥式整流稳压电路，或者为电流与电压互感器，或者为专用的开关电源芯片配合外围电路。6.  根据权利要求1所述的可自复位及远程复位的电气保护装置，其特征在于：所述的CPU处理模块，对开关电源提供来的直流电信号进行分析和监测，及时和有效判断出线路是否出现短路、过流、过压、漏电故障，并决定相应的动作，同时检测各种电参数：电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素、有功电能、无功电能。7.  根据权利要求1所述的可自复位及远程复位的电气保护装置，其特征在于：所述的数据存储模块，对电气保护装置的所有状态和时间进行存储，包括电参数和运行状态，电参数包括电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素、有功电能、无功电能，运行状态通讯故障状态、线路故障状态。8.  根据权利要求1所述的可自复位及远程复位的电气保护装置，其特征在于：所述的通信接口模块，实现保护装置与上位机的信息交互，一方面上位机 可向保护装置发出控制指令，控制继电保护模块上的继电器闭合或断开，实现远程对电路的通断控制；另一方面上位机读取数据存储模块中的数据，或通过通信接口模块载入新的运行程序。9.  根据权利要求1所述的可自复位及远程复位的电气保护装置，其特征在于：所述的继电保护模块，为磁保持继电器，不动作时，不消耗功率；由CPU处理模块直接提供磁保持继电器的动作信号，CPU处理模块会控制继电器的触点在控制指令发出的第一个电压过零点时进行动作。10.  一种可自复位及远程复位的电气保护方法，包含以下顺序的步骤：S1、在电路正常使用情况下，实时地检测电流和电压的大小，当出现电流或电压突变造成电流过高或电压过高时，CPU处理模块及时发出脉冲控制信号，控制继电保护模块的继电器断开，实现对用电设备的保护，此时电路进入电气保护断开状态；S2、在电气保护断开状态，依然实时地检测电流和电压的大小，当电流和电压恢复正常范围并且持续时间达到0.5秒后，则判定电路恢复正常，CPU处理模块发出脉冲控制信号，控制继电保护模块的继电器接通，则用电设备的供电恢复正常，此时电路进入正常使用情况。

说明书一种可自复位及远程复位的电气保护装置及其方法
技术领域
本发明涉及低压电器制造领域，特别涉及一种可自复位及远程复位的电气保护装置及其方法。
背景技术
传统电气保护装置一般为空气开关和熔断器，可在配电系统中作接通、分段和承载额定电流，并能在用电设备发生过载、短路的情况下对电路和用电设备进行可靠保护。
但是空气开关和熔断器存在以下缺陷：一、检测时间长，动作延时长，不能及时、有效保护用电设备和电路；二、一般采用金属触点，通过机械动作来控制触点的开闭实现对电路的通断控制，在大电流或频繁通断的情况下，触点容易出现火花，有造成火灾的危险，且金属触点寿命不长；三、发生电气保护作用后，需要现场手动复位合闸或者更换熔断器(保险丝)，维护时间长，同时增加人员维护的成本；四、设备故障和动作等信息未有记录，不利于事故原因调查。
因此，有必要设计一种新的电气保护装置来满足人们的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可自复位及远程复位的电气保护装置。
本发明的另一目的在于提供一种可自复位及远程复位的电气保护方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种可自复位及远程复位的电气保护装置，包括前置保护模块、电源转换模块、CPU处理模块、继电保护模块、电源转换模、数据存储模块和通信接口模块，所述的前置保护模块并联接在220V用电线路上，使所述的电气保护装置与用电设备成并联关系；前置保护模块后接电源转换模块，电源转换模块后面分别连接CPU处理模块、数据存储模块和通信接口模块；CPU处理模块直接控制继电保护模块，继电保护模块通过继电器串联接在220V用电线路上，使继电保护模块与用电设备成串联关系。
所述的前置保护模块，为用电设备两端并联的电容器，或者为用电设备两 端串联的电感器，或者为电容、电感器组成的复式滤波电路。
所述的电源转换模块，将市电交流电转换为稳定的3.6V或5V的直流电，一方面提供做保护装置内部供电，另一方面提供给CPU处理模块进行电气故障分析。
所述的电源转换模块，为桥式整流稳压电路，或者为电流与电压互感器，或者为专用的开关电源芯片配合外围电路，将市电交流电转换为稳定的3.6V或5V的直流电，一方面提供做保护装置内部供电，另一方面提供给CPU处理模块进行电参数分析，如：电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素、有功电能、无功电能等。
所述的CPU处理模块，它通过内置的算法，对开关电源提供来的直流电信号进行分析和监测，及时和有效判断出线路是否出现短路、过流、过压、漏电等故障，并决定相应的动作，同时检测各种电参数：电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素、有功电能、无功电能等。
所述的数据存储模块，对电气保护装置的所有状态和时间进行存储，包括电参数和运行状态，电参数包括电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素、有功电能、无功电能，运行状态通讯故障状态、线路故障状态。方便事故后对事故原因的调查。
所述的通信接口模块，实现保护装置与上位机的信息交互，一方面上位机可向保护装置发出控制指令，控制继电保护模块上的继电器闭合或断开，实现远程对电路的通断控制；另一方面上位机读取数据存储模块中的数据，或通过通信接口模块载入新的运行程序。
所述的继电保护模块，主要为磁保持继电器，不动作时，不消耗功率；由CPU处理模块直接提供磁保持继电器的动作信号，CPU处理模块会控制继电器的触点在控制指令发出的第一个电压过零点时进行动作。以正常市电50HZ来计算，过零点出现的周期为0.01秒，所以故障响应的时间小于10ms，能够在最短时间内切断线路，对线路和用电设备起到及时和有效的保护；由于触点在电压过零点处进行动作，不产生电气火花，避免电气火灾的危险，同时提高触点的使用寿命。
本发明的另一目的通过以下的技术方案来实现：
一种可自复位及远程复位的电气保护方法，包含以下顺序的步骤：
S1、在电路正常使用情况下，实时地检测电流和电压的大小，当出现电流或电压突变造成电流过高或电压过高时，CPU处理模块及时发出脉冲控制信号，控制继电保护模块的继电器断开，实现对用电设备的保护，此时电路进入电气保护断开状态；
S2、在电气保护断开状态，依然实时地检测电流和电压的大小，当电流和电压恢复正常范围并且持续时间达到0.5秒后，则判定电路恢复正常，CPU处理模块发出脉冲控制信号，控制继电保护模块的继电器接通，则用电设备的供电恢复正常，此时电路进入正常使用情况。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明用弱电的思路解决过去强电的思路难以解决技术问题，用物联网的思路解决过去操作与维护的管理问题。
2、技术问题上，本发明通过对电子电路的改进，通过嵌入式系统来分析和管理整个电气保护装置，电气保护装置内部根据不同的功能需求，将电流划分成三个不同电压级别的回路，同时在电压过零点时才驱动继电器的通断，使设备的可靠性、可恢复性和使用寿命都大大提高，而以往的电气保护装置的保护原理为“牺牲自己，保护他人”，电气故障时虽然能够保护用电设备，但自身都会造成损坏。
3、管理问题上，由于本发明将继电保护电流回路与设备供电回路进行区分，两者不存在直接的关系，所以当电气故障时，继电保护模块断开并不影响保护装置本身的正常运行。当电气故障解除后，保护装置通过判断，可自动闭合继电器，即自行恢复电路的通电。
4、本发明通过设置通信模块，使保护装置可以联网，通过物联网，可实时将电参数和运行状态上传至上位机，同时，上位机可实时向保护装置发出控制信号，对保护装置进行恢复与操作，极大地减少日常管理工作，而以往的电气保护装置往往在电气故障后需要较多的时间和人力进行维护。
附图说明
图1为本发明所述的一种可自复位及远程复位的电气保护装置的结构示意图；
图2为图1所述装置的电流流向示意图；
图3为图1所述装置的信号流向示意图；
图4为图1所述装置的电参数检测装置的结构示意图；
图5为图1所述装置的自复位与远程复位实现过程逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
从附图1可知：本发明至少包括前置保护模块、电源转换模块、CPU处理模块、数据存储模块、通信接口模块和继电保护模块。各模块的主要功能与构成如下。
1)前置保护模块在220V±20％的范围内，对220V交流电进行初步的滤波，可以滤除大部分尖波或脉冲波。对前置保护模块的构成，可于负载两端并联电容器或与负载串联电感器，或由电容、电感组成而成的各种复式滤波电路。
2)电源转换模块可将市电交流电转换为稳定的3.6V或5V的直流电，一方面提供做保护装置内部供电，包括另一方面提供给CPU处理模块进行电气故障分析。电源转换模块的构成，可选择常用的桥式整流稳压电路，也可选择电流与电压互感器构成，或选择专用的开关电源芯片配合外围电路构成。
3)CPU处理模块为电气保护装置的核心部分，它通过内置的算法，对开关电源提供来的直流电信号进行分析和监测，可及时和有效判断出线路是否出现短路、过流、过压、漏电等故障，并决定相应的动作，同时可以检测各种电参数：电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素、有功电能、无功电能等。
4)数据存储模块可以对电气保护装置的所有状态和时间进行存储，包括电参数和运行状态，电参数包括电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素、有功电能、无功电能等，运行状态通讯故障状态、线路故障状态等，方便事故后对事故原因的调查。
5)通信接口模块是为了实现保护装置与上位机的信息交互，一方面上位机可向保护装置发出控制指令，控制保护装置上的继电器闭合或断开，实现远程对电路的通断控制；另一方面上位机读取控制装置上的存储模块中的数据，或通过通信模块载入新的运行程序。
6)继电保护模块主要为磁保持继电器，不动作时，不消耗功率。由CPU处理模块直接提供继电器的动作信号，CPU处理模块会控制继电器的触点在控制指令发出的第一个电压过零点时进行动作。以正常市电50HZ来计算，过零点出现的周期为0.01秒，所以，故障响应的时间小于10ms，能够在最短时间内切 断线路，对线路和用电设备起到及时和有效的保护。由于触点在电压过零点处进行动作，不产生电气火花，避免电气火灾的危险，同时提高触点的使用寿命。
附图2描述了本发明内部电流的处理与应用过程。
从附图2可知：本发明的电流分成三个部分。回路①为市电配电回路，即220V单相交流电回路，用电设备接在此回路上，可通过继电器对其通断进行控制。继电器接在电源转换模块的后面，在继电器断开时，电源转换模块仍可正常工作，此时，除了继电保护模块处于断开状态外，本发明的核心部分，包括前置保护模块、电源转换模块、CPU处理模块、数据存储模块、通信接口模块和继电保护模块仍可正常工作，从而为保护装置的自复位和远程复位提供了可能性。回路②为5V交流回路，主要作用为供CPU进行分析。将回路①转换为回路②的过程中，保持交流电的波形不变，相位不变，保证了分析结果与直接对用电设备两端的电压进行分析的结果一致；幅值按220：5的比例进行转换，可降低220V检测检测带来的风险以及保护装置本身漏电的危险。回路③为3.6V直流回路，主要作用为保护装置内部供电。
附图3描述了本发明内部信号的处理与应用过程。
从附图3可知，本发明系统内部的信号主要分为两种，一种为检测信号，另一种为控制信号。检测信号包括各种电参数、运行状态和电压过零点信号。CPU处理模块对低压直流电进行分析后，得到电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素、有功电能、无功电能等电参数和电压过零点信号。另外，系统内部的检测信号还包络保护装置的正常运行状态、继电保护状态和故障报警状态信息。控制信号包括CPU处理模块对继电保护模块发出的脉冲控制信号，以及上位机对保护装置发出的时钟同步信号和远程控制信号。
附图4描述了本发明对电参数进行分析与监测的电参数检测装置的结构示意图。
从附图4可知，本发明电参数检测装置主要通过设置于CPU处理模块中的电参数检测芯片，对电源转换后的低压交流信号进行分析与检测，电参数检测芯片的检测结果直接传送到CPU处理器中，CPU处理器对电信号进行分析与处理，从而分析和计算出电路的实际电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素等电参数以及电压过零点信号。
附图5描述了本发明的自复位与远程复位实现过程逻辑示意图。
从附图5可知，本发明的复位方式的实现，依赖于不间断地对实时电流和 电压的判断。无论用电设备所在配电回路是否接通或用电设备是否正常使用，即无论电路处于正常使用情况或是电气保护断开状态，均不影响本发明的核心部分，包括前置保护模块、电源转换模块、CPU处理模块、数据存储模块、通信接口模块和继电保护模块的正常工作。在电路正常使用情况下，本发明实时地检测电流和电压的大小，当出现电流或电压突变造成电流过高或电压过高时，CPU处理模块及时发出脉冲控制信号，控制继电器断开，实现对用电设备的保护，此时电路进入电气保护断开状态。在电气保护断开状态，本发明一样实时地检测电流和电压的大小，当电流和电压恢复正常范围达到0.5秒后，则判定电路恢复正常，CPU处理模块发出脉冲控制信号，控制继电器接通，则用电设备的供电恢复正常，此时电路进入正常使用情况。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。