一种低压断路器的触头检测装置的制作方法

1.本实用新型涉及低压断路器，具体涉及一种低压断路器的触头检测装置。


背景技术：

2.低压断路器是电力系统中重要的开关电器，能够接通和分断正常负荷电流、过负荷电路，还能够接通和分断短路电流，而低压断路器的电气寿命与断路器的触头息息相关，当触头分断时会产生电弧，电弧会烧损触头系统，如此会产生断路器的接触电阻增加、断路器的温升升高以及断路器的分断能力下降的缺陷，从而影响断路器的使用寿命。目前，现有的低压断路器触头系统的电气寿命都是在触头分断时进行电压检测，而未测量触头接通时的电压，这种方法仅仅是进行大概判断，无法准确判断触头的电气寿命。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种精确度高的低压断路器的触头检测装置。
4.为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
5.一种低压断路器的触头检测装置，包括电流采样电路以及控制单元，所述控制单元通过电流采样电路获取主线路的电流信号，在所述主线路的触头机构两端还连接有电压采样电路，控制单元通过电压采样电路获取触头机构分闸和合闸状态的电压信号；
6.所述电压采样电路包括与控制单元连接的模拟开关以及连接在模拟开关上的分压电路，控制单元根据获取的电流信号向模拟开关输出控制信号，通过切换模拟开关的状态选择是否将分压电路接入电压采样电路中。
7.优选的，在触头机构分闸时，控制单元控制模拟开关使分压电路不接入电压采样电路中；在触头机构合闸时，控制单元控制模拟开关使分压电路接入电压采样电路中。
8.优选的，在主线路存在短路电流时，控制单元控制模拟开关使分压电路接入电压采样电路中。
9.优选的，所述模拟开关的常开端通过限流电阻与触头机构连接，模拟开关的公共端与分压电路连接，用于控制切换模拟开关状态的控制端通过一个数字隔离器与控制单元连接。
10.优选的，所述电压采样电路包括与模拟开关连接的放大电路，所述放大电路包括隔离运算放大器和运算放大器，隔离运算放大器与模拟开关连接并向运算放大器输出经过放大后的差分信号，运算放大器将接收的信号进一步放大后传递至控制单元。
11.优选的，所述隔离运算放大器将输入的模拟差分信号放大并转换为能够传递至控制单元的数字信号；或者，所述电压采样电路还包括与放大电路连接的数模转换电路，数模转换电路将放大电路输出的模拟信号转换为数字信号并传递至控制单元。
12.优选的，所述电压采样电路还包括隔离电源，所述隔离电源为模拟开关以及隔离运算放大器的输入侧供电。
13.优选的，所述电压采样电路还包括保护电路，模拟开关通过保护电路连接在主线路上。
14.优选的，还包括与触头机构同步动作的同步辅助触头，电压采样电路通过同步触头连接在触头机构的两端。
15.优选的，所述电压采样电路还包括保护电路，所述保护电路包括电阻r1、电阻r4、稳压二极管zd1和稳压二极管zd2，模拟开关为模拟开关芯片u1，分压电路包括分压电阻r3，所述电阻r1、电阻r4的一端分别与同步辅助触头的两端连接，电阻r1的另一端与模拟开关芯片u1的no引脚连接，电阻r4的另一端通过分压电阻r3连接在模拟开关芯片u1的com引脚，模拟开关芯片u1的 s引脚用于与控制单元连接，模拟开关芯片u1的vcc引脚与隔离电源连接，电容器c13、电容器c1并联后的一端与模拟开关芯片u1的vcc引脚连接，电容器 c13、电容器c1并联后的另一端接地。
16.本实用新型的一种低压断路器的触头检测装置，控制单元通过控制模拟开关使分压电路能够选择性地被接入电压采样电路中，使电压采样电路能够实时采样获取触头机构在分闸、合闸时的电压，利于准确测量触头机构的电压进而获取精确的触头寿命预测结果。
17.此外，电压采样电路中的模拟开关选择性接入分压电路，能够准确获得触头机构电压，特别是在接入分压电路后，能够测量触头机构合闸以及主线路存在电流过大时的电压，保证了电压值的测量稳定性。
附图说明
18.图1是本实用新型一种低压断路器的触头检测装置的示意图；
19.图2是本实用新型一种低压断路器的触头检测装置中模拟开关和分压电路的电路图；
20.图3是本实用新型一种低压断路器的触头检测装置中放大电路的电路图 (隔离运算放大器)；
21.图4是本实用新型一种低压断路器的触头检测装置中放大电路的电路图 (运算放大器)；
22.图5是本实用新型一种低压断路器的触头检测装置中数字隔离器的电路图。
具体实施方式
23.以下结合附图1至5给出的实施例，进一步说明本实用新型的一种低压断路器的触头检测装置的具体实施方式。本实用新型的一种低压断路器的触头检测装置不限于以下实施例的描述。
24.一种低压断路器的触头检测装置，包括控制单元以及连接在主线路上的检测电路，控制单元与检测电路连接并通过检测电路获取触头机构的电流、电压，控制单元基于获取的电流、电压计算获得触头机构的阻抗，实现对触头机构使用状态的判断与预测。
25.所述检测电路包括分别与控制单元连接的电流采样电路和电压采样电路，其中，所述电流互感器包括电流互感器，电流互感器连接在断路器的主线路上，控制单元通过电流互感器获取主线路的电流信号，所述电压采样电路连接在触头机构的两端，控制单元通过电压采样电路获取触头机构的电压信号。
26.所述电压采样电路包括模拟开关以及连接在模拟开关上的分压电路，控制单元根据获取的电流信号向模拟开关输出控制信号，模拟开关通过切换常开或常闭状态能够选择性地将分压电路接入电压采样电路中，相比现有仅在触头机构分闸时检测，本技术的改进点在于，通过控制模拟开关使分压电路被选择性接入电压采样电路中，使控制单元能够实时获取不同状态下的电压信号，即在触头机构分闸、合闸状态下均能够使控制单元获取触头机构的电压，提高了检测精度，利于准确预测触头机构的寿命。
27.具体的，控制单元是根据获取的电流信号判断是否需要将分压电路接入电压采样电路中，当触头机构合闸时，主线路以及触头机构中流过电流较大，控制单元输出控制信号使模拟开关由常开切换至常闭，此时模拟开关将分压电路接入电压采样电路中，控制单元通过分压电路获取电压信号；当触头机构分闸时，控制单元根据获取的电流信号输出控制信号使模拟开关由常闭切换至常开，使模拟开关不再被接入电压采样电路中，控制单元直接通过电压采样电路获取电压信号；此外，当发生短路故障或者其他主线路中电流过大时，控制单元输出控制信号使模拟开关切换至常闭并将分压电路接入电压采样电路中，控制单元通过分压电路获取电压信号。
28.需要说明的是，所述电压采样电路获取的是触头机构在分闸时刻的电压，在完全分闸后，触头机构的两端无电压。一种获取分闸时刻的电压的具体过程为，在控制单元发出分闸指令后，控制单元对电流互感器采集的三相电流录波数据进行拟合，预测之后电流变化并与实际电流数据进行对比，求出电流畸变量，当畸变量大于设定阈值d1时，该时间点为断路器触头机构的始分点，采集此时的电压值即为触头机构分闸时的电压，通过放大电路实时对触头机构两端的电压进行放大，经过滤波除去高频噪声，最后通过模拟转换电路将模拟信号转换为数字信号输入控制器内；当相电流小于设定阈值d2时，该时间点为熄弧点，始分点和熄弧点之差为燃弧时间，采集燃弧时间内的电弧电压和电弧电流进行积分得出燃弧时间内的燃弧能力，最后通过燃弧能量来评估触头的寿命。当然，也可以通过其它方式得到触头机构在分闸时刻的电压，本技术的改进点之一在于通过控制模拟开关使分压电路被选择性接入电压采样电路中，以实现通过分压电路获取电压信号。
29.本技术还有一个改进点在于，所述检测电路还包括向控制单元反馈主线路温度的温度采样电路，所述控制单元通过温度采样电路获取主线路的温度信号，所述温度采样电路包括温度传感器，温度传感器在获取断路器的接线板的温度后，通过温度信号传递至控制单元，这种在计算触头阻值时参考温度因素的测量方式，利于提高结果的准确性。
30.具体计算方法为：
31.首先，获取触头机构在常温与高温下的原始标准阻值；
32.其次，获取温度电阻变化率t，以铜线为例，其计算公式为：
33.t＝r
高温
/r
常温
*(t1+234.5)-234.5，其中，t1为常温温度，234.5为铜的电阻温度系数；
34.最后，上电检测运行状态下电阻变化情况，以互感器电流和连接板温度作为标准输入量，根据公式r＝u/i*t计算触头机构的阻值。
35.上述计算过程由控制单元执行，在所述控制单元上可以设置报警功能，当检测出触头机构出现瞬间电阻增大，且通过与上次阻值比较变化过大，控制单元发出警报，当与下一次阻值进行比较，阻值恢复正常后解除警报；进一步的，所述控制单元还可以设置判断故
障类型的功能，在使用多次后，触头机构的阻值会逐渐变大，当触头机构的阻值呈线性变化时，则判断为触头磨损，否则判断为触头存在异物或者为机构磨损；此外，控制单元构还可以设置提醒更换的功能，在控制单元计算获得阻值为出厂阻值2倍以上时，控制单元提醒更换触头机构。
36.结合图1-5提供第一种实施例，所述低压断路器的触头检测装置包括检测电路和控制单元，所述检测电路包括连接在断路器主线路上的电流互感器、电压采样电路以及温度传感器(未示出)，其中电流传感器、温度传感器分别与控制单元连接用于反馈主线路的电流信号、温度信号，优选控制单元为单片机；所述电压采样电路连接在触头机构的两端用于向控制单元反馈电压信号，优选电压采样电路通过同步辅助触头连接在主线路上，所述电压采样电路包括保护电路、模拟开关、分压电路、隔离电源、放大电路和数模转换电路。
37.如图1、2所示，所述模拟开关通过保护电路连接在主线路上的，模拟开关的常开端通过限流电阻与触头机构连接，模拟开关的公共端与分压电路连接，用于控制切换模拟开关状态的控制端与控制单元连接，具体的，在模拟开关的控制端与控制单元通过一个数字隔离器实现信号传递。
38.所述保护电路包括电阻r1、电阻r4、稳压二极管zd1和稳压二极管zd2，模拟开关采用型号为pi5a3157cex的模拟开关芯片，在图中标记为u1，分压电路包括分压电阻r3，所述电阻r1、电阻r4的一端分别与同步辅助触头的两端连接，电阻r1的另一端与模拟开关芯片u1的no引脚连接，电阻r4的另一端通过分压电阻r3连接在模拟开关芯片u1的com引脚，模拟开关芯片u1的s引脚用于与控制单元的io口连接，优选在模拟开关芯片u1的s引脚上串联一个电阻r2，模拟开关芯片u1的vcc引脚与隔离电源连接，隔离电源为模拟开关提供3.3v的工作电压，电容器c13、电容器c1并联后的一端与模拟开关芯片u1 的vcc引脚连接，电容器c13、电容器c1并联后的另一端与gnd2连接，模拟开关芯片u1的gnd引脚与gnd2连接。
39.如图3、4所示，所述放大电路包括隔离运算放大器和运算放大器，其中隔离运算放大器的输入侧与模拟开关的常开触点连接，隔离运算放大器的输出侧与运算放大器的输入端连接，隔离运算放大器输出经过放大的差分信号并由运算放大器进一步放大，最终传递至控制单元。
40.具体的，所述放大电路包括隔离运算放大器、运算放大器、电阻r5、电阻 r8、电阻r9、电阻r10、电容器c2、电容器c3、电容器c4、电容器c5、电容器c6、电容器c7和电容器c8，在本实施例中，隔离运算放大器采用型号为 nsi1300的隔离运算放大芯片u2，运算放大器采用型号为mcp6001u的运算放大器u3，因此在放大电路与控制单元之间设置有数模转换电路，由数模转换电路实现模拟信号与数字信号的转换使控制单元获取采集后的信息。
41.所述隔离运算放大芯片u2的inp引脚与inn引脚分别与模拟开关的常开触点连接，即inp引脚与模拟开关的no引脚连接，使inn引脚通过分压电阻r3 连接在模拟开关的com引脚上；优选的，在inp引脚、inn引脚上分别串联有电阻r102、电阻r103，所述电容器c2并联在inp引脚与inn引脚之间，隔离电源连接在隔离运算放大芯片u2的vdd1引脚上，隔离电源为隔离运算放大芯片 u2的输入侧(也就是高压侧)提供3.3v的电压，电容器c5和电容器c6并联在隔离运算放大芯片u2的vdd1引脚与gnd1引脚之间，隔离运算放大器的gnd1 引脚与gnd2连接；隔离运算放大芯片u2的outp引脚、outn引脚分别与运算放大器连接，用于输出放大后的差分信号，隔离运算放大芯片u2的vdd2引脚接入5v电压，电容器c4、电容器c5并联在
隔离运算放大芯片u2的vdd2引脚与 gnd2引脚之间，隔离运算放大器的gnd2引脚与gnd1连接。
42.在运算放大器u3的同向输入端、反向输入端分别串联电阻r10、电阻r8，其中运算放大器u3的同向输入端通过电阻r10与隔离运算放大芯片u2的outp 引脚连接，运算放大器u3的反向输入端通过电阻r8与隔离运算放大芯片u2的 outn引脚连接，运算放大器u3的输出端通过电阻r9与数模转换电路连接(图中未示出数模转换电路，仅标注为adc out)，控制单元通过数模转换电路获取放大电路输出的信号。
43.如图5所示，所述模拟开关通过数字隔离器u4与控制单元连接，在本实施例中，数字隔离器的型号为nsip8941，隔离电源为数字隔离器提供3.8v的电压，数字隔离器的viso引脚、第一gnd2引脚分别与隔离电源、gnd2连接，并且在 viso引脚与第一gnd2引脚之间并联有两个电容器，分别为电容器c11、电容器 c12，数字隔离器的vdd引脚接入5v电压，数字隔离器的第一gnd1引脚与gnd1 连接，并在vdd引脚与第一gnd1引脚之间并联有两个电容器，分别为电容器c9 和电容器c10，数字隔离器的outb引脚与模拟开关的控制端连接，即与模拟开关的s引脚连接，数字隔离器的inb引脚与控制单元连接，并且inb引脚通过电阻r11与gnd1连接，数字隔离器的第二gnd1引脚、第二gnd引脚分别与gnd1、 gnd2连接。
44.提供第二种实施例(未示出)，与第一实施例所不同的是，放大电路中的隔离运算放大器的型号为nsi1306，所述隔离运算放大器将输入的模拟差分信号放大并转换为能够传递至控制单元的数字信号，此类隔离运算放大器采用电容隔离技术，使输入和输出分离，将输入的模拟信号经放大并由二阶σ-δ调制器连续采样，然后转换为高速、单比特数据流，输出的数据与控制单元时钟同步，频率范围在5mhz至21mhz，数据流可以通过一个外部的数字滤波器(例如sinc3 滤波器)输入控制单元，如此，在本实施例中可以省略数模转换电路，本实施例其余部分与第一实施例相同。
45.以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。