专利名称：电动机多功能保护断路器的制作方法
技术领域：
本实用新型属三相异步电动机保护装置，特别是一种具有多种保护功能的断路器。适合于三相三线制及三相四线制低压配电线路上的各种规格电动机配套使用。
现用的DZ15L系列漏电断路器，其结构主要由触头系统、灭弧室、操作机构、漏电检测系统、电磁脱扣系统、液压式电磁过电流脱扣(简称过电流脱扣器)系统和绝缘外壳组成。其性能是对电动机作漏电、过载和短路保护。过电流脱扣器特性是工作电流是脱扣器额定电流1.2倍时2小时内脱扣，作过载保护；6倍可返回时间≥1秒，12倍＜0.2秒脱扣，作短路保护。漏电保护特性是漏电电流≥50mA时0.2秒脱扣切断电源。
在实际应用中，当电动机出现三相电流不平衡，甚至是三相电流严重不平衡的断相故障时，两相故障电流是正常工作电流的1.73倍。这时，过电流脱扣器需一定时间才可脱扣，长时间运转致使电动机绕组发热发化，甚至烧毁。据概率统计，电动机76％断相烧毁，10％漏电烧毁，10％过载烧毁。在农村季节性负荷变化大，断相比较频繁，只利用现行的过电流脱扣器对断相故障作间接保护，不能有效地保护电动机。因此，解决电动机运动中断相瞬时脱扣问题，是保护电动机的主要课题。
为解决这个问题，1977年由上海市业余工业大学编著，科学出版社出版的电子技术讲座〈四〉《晶体管开关电路》一书中第234页，讲解了题为《磁芯晶体管式三相异步电动机断相保护装置》，它根据出现断相后，电动机三相电流相位差由120°变为180°，利用矩磁铁淦氧材料的磁化特性，在这种磁芯上绕有两个相同的绕组。三相电源线分别串行过三个磁芯，得到六组感应信号，将这些信号同门电路组合在一起。因三相电流平衡时，三相电流相位差120°，同一时刻磁芯线圈感应信号不会同时出现；出现断相后感应信号将同时出现，在门电路输出端即可得到中断信号。中断信号又经过单稳电路加宽信号脉冲，送进延时环节最后带动反相器，由继电器执行切断电源。这种方法对部分断相故障是可以检测的。例如三相三线制动力线路上高压供电、低压配电、设备用电断相；三相四线制光力混变线路上的设备用电断相。这些情况出现断相后，中断相均无返回电流。但象三相四线制光力混变线路上的高压供电，低压配电断相时，中断相均有对零线返回电流，这个电流是由两个工作相经电动机绕组提供的。结果上述断相保护装置就不能检测(其原因见后述)。近年来，市场上就有用这种原理制造的断相保护装置，有同起动设备配合使用的，也有同漏电断路器配合的产品。这些产品的工作电路不论中断信号是用何种方式处理，或是直流电源供电方式如何变化，其信号检测的方法都一样。
另外象电动机绕组匝间、相间短路不十分严重(等于过电流脱扣器额定电流2倍时)，漏电断路器及上述断相保护装置都不能瞬时脱扣，导致电动机故障扩大。因此解决电动机绕组匝间、相间短路故障瞬时脱扣也是十分有意义的。
本实用新型的任务是要提供一种改进的电动机保护断路器，它保留了原漏电断路器的过载、短路、漏电保护功能，新增了三相电流不平衡保护功能。新功能不但对各种供电线路上断相故障瞬时脱扣，而且能够在三相不平衡电流误差≥2倍时对电动机绕组匝间和相间短路瞬时脱扣。
本实用新型的任务是以如下方式完成的断路器内设置两具相同的过电流脱扣线圈和一个电磁脱扣线圈，三个脱扣线圈分别作用于操作机构的脱扣连杆上。三相电源分别接在上端三个接线端子上，静触头与接线端子成一体。三个动触头由操作机构牵动，与对应静触头接合或分离，起快速通断电源作用。一相动触头馈线串过电流互感器(新增的小型穿芯式电流互感器简称)和零序互感器后接在负载接线端子上。另两相动触头引馈线同过电流脱扣线圈的头端相连接，脱扣线圈尾端引馈线分别串过对应相的电流互感器，再共同串过零序互感器到负载接线端子上。当流过断路器的电流连接达到过电流脱扣器额定电流值1，2倍以上时，脱扣器在二小时内脱扣，电流越大，脱扣越快，起到过载保护作用；当电流达到6倍以上时，脱扣器瞬时脱扣，起短路保护作用；当三相不平衡电流误差≥2倍时，由三个电流互感器感应出故障信号由控制机构给电磁线圈通电，电磁脱扣器动作切断电源，当三相电任一相对地漏电达50mA时，漏电检测由电磁脱扣器动作切断电源。这样各种功能相互配合，就可以有效保护电动机安全运行。
这里再阐述新增的三相不平衡电流检测基本原理加装的三个相同的电流互感器是由两个相同副绕组绕成的中心抽头线圈，磁芯材料是普通硅钢片。三相平衡电流经过这三个电流互感器时，将产生六组感应正弦波信号，经门电路输出一个连续等幅单向脉动直流电；当流过电流互感器的三相电流不平衡时，门电路输出的是一个断续的等幅单向脉动直流电或是连续不等幅单向脉动直流电。门电路输出的信号再经微分电路，连续等幅单向脉动直流电不能通过微分电路，则微分电路无输出；而断续等幅和连续不等幅单向脉动直流电却能通过微分电路，微分后输出一尖脉冲。这个尖脉冲由于脉冲宽度太窄，直接带动反相器，继电器将来不及动作，所以再经过单稳电路进行脉冲加宽。加宽了的脉冲信号经一个延时环节。当脉冲信号不连续时，延时器不给出触发信号；当脉冲信号连续时，延时器给出信号触发可控硅导通，由电磁脱扣器脱扣切断电源，达到对不平衡电流检测的目的。
电路工作电源由电容降压半波整流获得，不产生对零序互感器干扰磁场。直流电源、三相不平衡电流检测和漏电检测电子元件共同装在一个电路板上。本断路器只需在原漏电断路器下端底部加装三个电流互感器，在电流互感器上面装上电路板，只要合理部置，使其与零序互感器不互相产生磁场干扰即可。所以原漏电断路器结构不变动，同时电子元件成本低廉，尤其是三相电流不平衡瞬时脱扣，性能提高，但成本上升无几。
本技术不仅能实现在漏电断路器中，而且能实现在各种低压起动设备中。电流互感器由于是信号传输器件，磁场很弱，磁干扰很小。
以下将结合附图对实用新型作进一步的详细描述。
图1是本实用新型提出的电动机多功能保护断路器具体结构的剖面图。
图2是本实用新型断路器的整机电路图。
图3是图2中M1、M2、M3电流互感器绕线图。
图4(1)是三相电流平衡时电流互感器感应电压波形图；(2)是图2中G点波形图。
图5(1)是矩磁铁淦氧磁芯感应信号波形图；(2)是三相电流平衡时感应信号波形图；(3)是断相时感应信号波形图。
图6(1)是三相电流严重不平衡(C相断相)时电流互感器感应电压波形图；(2)是图2中G点波形图。
图7(1)是三相不平衡电流误差等于2倍时电流互感器感应电压波形图；(2)是图2中G点波形图；(3)是分析负与门在不同输入电压时输出情况图。
表1是图4(2)波形的对应数值表。
表2是图6(2)波形的对应数值表。
下面结合图1说明本断路器的具体结构。
该装置主要是由触头系统1、灭弧室2、操作机构3、过电流脱扣系统4、电流互感器5、零序互感器6、电子元件电路板7、电磁脱扣系统8和绝缘外壳9组成。
结合图2整机电路图说明该装置的电连接及整机电路工作原理。
三相交流电源分别接在A相、B相、C相三个接线端子上，由开关HK接通或分断电路电流。A相和C相馈线分别接在过电流脱扣线圈DT1、DT2上，脱扣线圈DT1、DT2尾端分别引馈线串过电流互感器M1、M3，再串过零序互感器H到对应的负载接线端子上，中间B相馈线从电磁脱扣线圈J底部穿出再串过电流互感器M2、零序互感器H到负载接线端子上。
三相不平衡电流检测电路首先由电流互感器M1、M2、M3副绕组上感应三相交流信号，这三个互感器具体绕线方式见图3，它们是两个相同匝数组成的中心抽头线圈，绕组W1、W2组成M1，W3、W4组成M2，W5、W6组成M3。根据图3中W1－M6同名端接法接在由D1－D6组成的负与门电路上。W1、W4、D1、D2检C相故障信号，W3、W6、D3、D4检A相故障信号，W2、W5、D5、D6检B相故障信号(其方法参照图6(1)波形及表2对应数值表)。R1、R2、R3是三个门电阻。D7、D8、D9组成三输入负或门电路，在G点可得到任一相故障信号。负与门工作过程参照图7(2)所示分析方法。图4、图6中的波形及数值表是依据图7方法分析得出的。
当三相电流平衡时，三个互感器输出波形如图4(1)，负与门输出电压数值如表1，则负或门G点得到图4(2)所示的电压波形。这个波形是一个三次连续等幅单向脉动直流电压波形；当三相电流严重不平衡即中断相无返回电流时，电流互感器输出波形如图6(1)，表2是门电路输入输出电压数值，G点波形如图6(2)。这个波形是一个断续等幅单向脉动直流电压波形；当三相不平衡电流误差等于2倍时，感应电压波形如图7(1)，同样分析G点可得到如图7(2)所示的波形，这个波形是一个连续不等幅单向脉动直流电压波形。不难推知，三相电流不平衡表现一相大、两相小时，即三角形接法电动机绕组断线故障，运动中因电流变值小不能检测外，当电动机起动时就能够检出故障信号。
本电路对上述G点波形进行微分处理。根据RC微分电路工作原理输出脉冲能够突出输入脉冲的跳变部分，它的输出电压值只决定于输入脉冲的跳变量，与输入电压值无关。上述G点输出的虽不是跳变量很大的方脉冲或矩形脉冲，但G点连续等幅单向脉动直流电波形同连续不等幅和断续等幅单向脉冲直流电波形相比较，后两种波形具有明显的跳变量，而前一种波形连续且等幅，不具备脉冲跳变条件。因此本电路R4C1，组成的微分电路在三相电流平衡时无信号输出，在三相电流不平衡时有信号输出。由于微分电路对输入电压值无关，所以电动机起动电流及不同功率电动机电流所感应的连续等幅单向直流电压对微分电路不会有脉冲干扰，因此一种规格电流互感器能适应多种功率电动机配套。
跳变的负脉冲信号由微分电路输出后，去触发BG1、BG2组成的单稳电路，使输入的窄脉冲经单稳电路处理，在BG1集电极输出一个一定宽度和幅度的正脉冲。R6是两管的公共电阻，起自给偏置作用。并联在输入端的C2是防干扰用的，它起高频旁路作用。D10、D11是两个发光二极管，正常时D11亮，故障时D10亮D11灭，两管随单稳翻转不住地闪动，起到鉴别本装置是否正常的作用。
单稳电路输出的正脉冲经D12向由R7C4组成的延时环节充电。当信号连续时，C4充电电压逐渐升高，当达1.4伏时二极管D13正向导通，触发可控硅SCR的G极，可控硅导通。电流从电源C相经二极管D16、电磁脱扣线圈J到可控硅阳极A、阴极K，止另一相电源A相上。电磁脱扣线圈在电流作用下产生强磁场将脱扣连片吸合，推动连杆，脱扣机构动作切断电源。单向可控硅SCR，其反向直流耐压在1200V以上。D12是防C4在充电过程中向电源放电设置的。同C4并联的R11是释放C4残余电压设置的，目的使每次延时时间保持一致。R12、C5是可控硅控制极防干扰用的。R13、R14、C6并联在可控硅阴阳极，目的是吸收电源的脉冲电压，保护可控硅不发生误动作。
漏电保护部分由零序互感器H、二极管D18、C8组成信号检测电路，三相中任一相对地漏电流达到50mA以上时，零序互感器H的副绕组L1感应出信号，经D18整流得到一正脉冲去触发可控硅导通，电磁脱扣线圈得电脱扣切断电源。L1C8谐振在50赫芝，提高了漏电动作的灵敏度。L2是漏电试验线圈，它利用电容降压的低压交流电短路后，L1感应出信号使开关动作，就可试验出漏电保护部分工作正常与否。电流流向是从电源A相、线圈L2、试验按扭AN、电容C9C10到电源C相。
本电路采用电容降压半波整流方式，C9C10串联接在电源C相上，电源正半周经D15整流得到直流电压，经R15D17稳压、C7滤波后获得12伏直流电压供门电路和单稳电路使用。D14是给电源负半周提供一条通路。R16R17是电容C9C10残余电压释放电阻。
最后再说明一下本说明书开始提到的1977年发表的断相保护装置不能检测有返回电流断相故障的原因。图5是根据原摘录的附图。图5(1)是矩磁铁淦氧磁芯线圈在正弦波电流磁化时所产生的尖脉冲信号；(2)是三相电流正常时各线圈不会同时出现的尖脉冲图；(3)是一相中断后各线圈同时出现的尖脉冲图。在图5(1)中可看到尖脉冲产生在电流过零的瞬间，那么对照图7(1)的波形可知，三相电流不平衡时的波形同样可得到图5(2)的尖脉冲图，从分析可知三相不平衡电流用这种断相保护装置是不能检测的。
权利要求1.一种断路器，在绝缘外壳中，触头系统、过电流脱扣系统和漏电检测系统顺序电连接，其特征是过电流脱扣系统还与一个电子式三相不平衡检系统测电流连接。
2.根据权利要求1所述的断路器，其特征是穿心式电流互感器是由普通硅钢片材料制成的中心抽头双绕组副线圈。
3.根据权利要求1所述的断路器，其特征是三输入负或门电路输出点，串联一支电容器同单稳电路连接。
4.根据权利要求1所述的断路器，其特征是单稳电路输入端对地并联一支高频旁路电容器。
专利摘要本实用新型提供了一种电动机多功能保护断路器，用于三相三线制及三相四线低压配电线路上的各种三相异步电动机保护系统。它是在DZ15L系列漏电断路器具有的漏电保护、过载保护和短路保护基础上，新增了电子式三相电流不平衡瞬时脱扣保护装置，其特性是三相不平衡电流≥2倍时瞬时动作，提高了断路器的保护性能。
文档编号H02H7/085GK2110939SQ91224298
公开日1992年7月22日 申请日期1991年8月28日 优先权日1991年8月28日
发明者贾昌河 申请人:贾昌河