一种断路器及其触头机构的阻抗检测方法与流程

1.本发明涉及低压电器，具体涉及一种断路器及其触头机构的阻抗检测方法。


背景技术：

2.低压断路器又称自动空气开关或自动空气断路器，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等组合。
3.触头机构是低压断路器的重要组成部分，通过合闸或分闸来实现对线路通电或断电的控制，但触头机构的每一次合闸、分闸都会造成触头机构的衰减，引起断路器通路阻抗的增加进而造成功耗增加、输电效率降低，随着功耗不断增加，最终会导致低压断路器失效。目前，现有低压断路器无法实时测量断路器触头机构的导通阻抗，其主要原因在于测量电路与断路器的线路无法做到隔离，测量电路在工作时产生的一个微小电路会流过负载，容易造成漏电风险，存在安全隐患，因此无法实时测量触头机构的导通阻抗，进而也不能准确检测断路器的工作状态以及预测断路器的寿命。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单、能够测量触头阻抗的断路器及其触头机构的阻抗检测方法。
5.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种断路器，包括测量电路和至少一相通电回路，每一相通电回路包括一组用于控制通电回路通断的触头机构，所述测量电路的两端分别与触头机构的第一接线端、第二接线端连接，所述测量电路包括电流传感器、第一电压传感器、第二电压传感器、控制器和隔离电路；
7.所述电流传感器连接在触头机构的第一接线端，第一电压传感器连接在触头机构的第一接线端，电流传感器将电流信号传递至控制器，第一电压传感器将第一电压信号传递至控制器，第二电压传感器连接在触头机构的第二接线端并将第二电压信号传递至控制器，所述隔离电路与控制器连接用于使测量电路不能形成电流回路，控制器根据所获得的电流信号、第一电压信号以及第二电压信号计算得出触头机构的阻抗。
8.优选的，所述隔离电路连接在第二电压传感器与控制器之间，第二电压传感器通过隔离电路向控制器传递第二电压信号，电流传感器、第一电压传感器分别与控制器连接并且直接向控制器传递电流信号、第一电压信号。
9.优选的，所述电流传感器、第一电压传感器分别与隔离电路连接，电流传感器、第一电压传感器分别通过隔离电路向控制器传递电流信号、第一电压信号，第二电压传感器与控制器连接并直接向控制器传递第二电压信号。
10.优选的，所述隔离电路还连接有模数转换电路，电流传感器、第一电压传感器分别
通过模数转换电路与隔离电路连接。
11.优选的，所述测量电路还包括由控制器驱动的可控电流源，所述可控电流源连接在每一相通电回路中，在控制器的驱动下能够增大通电回路的电流。
12.优选的，所述可控电流源包括驱动控制器以及由驱动控制器控制的可控电路，所述可控电路的两端分别连接在第二接线端、通电回路的零线上，所述可控电路包括依次连接的第一导通元件、电阻和第二导通元件，在驱动控制器的驱动下，第一导通元件、第二导通元件导通，驱动控制器根据电阻两端的电压调整可控电路中的电流。
13.优选的，所述测量电路还包括一个或多个用于为测量电路提供工作电源的供电电源。
14.优选的，所述电流传感器为霍尔电流传感器、变压器或电阻，第一电压传感器、第二电压传感器均为霍尔电流传感器、变压器或电阻中的一种或一种以上的组合；所述隔离电路由一个或多个隔离器件组成，所述控制器为单片机。
15.优选的，所述测量电路还包括用于为测量电路提供工作电源的两个供电电源，其中一个供电电源为电流传感器、第一电压传感器供电，另一个供电电源为第二电压传感器供电。
16.优选的，所述测量电路包括作为电流互感器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、控制器、驱动控制器、第一场效应管、第二场效应管、隔离电路、模数转换电路、第一供电电源和第二供电电源；
17.所述电流互感器作为电流传感器，电流互感器的初级线圈串联在触头机构的第一接线端上，电流互感器的次级线圈与模数转换电路的输入端连接，第一电阻和第二电阻作为第一电压传感器，第一电阻的一端连接在电流互感器的初级线圈的一端，第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端、模数转换电路的输入端连接，第二电阻的另一端连接在通电回路的零线上；所述模数转换电路的输出端与隔离电路的输入端连接，隔离电路的输出端与控制器的输入端连接；所述第三电阻和第四电阻作为第二电压传感器，第三电阻的一端与触头机构的第二接线端连接，第三电阻的另一端与第四电阻的一端、控制器的输入端连接，第四电阻的另一端、控制器的一个电源端与通电回路的零线连接；
18.所述控制器的输出端与驱动控制器的输入端连接，第一场效应管的g极、第二场效应管的g极与驱动控制器的输出端连接，第一场效应管的s极、第二场效应管的s极分别与第五电阻的两端连接，第一场效应管的d极与触头机构的第二接线端连接，第二场效应管的d极与通电回路的零线连接；
19.所述第一供电电源的两个电源端分别连接在第一接线端和通电回路的零线上，第一供电电源的输出端与模数转换电路的供电端连接；第二供电电源的两个电源端分别连接在第二接线端和通电回路的零线上，第二供电电源的输出端分别与驱动控器、控制器的供电端连接。
20.一种断路器中触头机构的阻抗检测方法，包括如上所述的断路器，在触头机构合闸时，所述断路器的控制器通过电流传感器获得流过触头机构的电流i，控制器分别通过第一电压传感器、第二电压传感器获取触头机构第一接线端的第一电压v1、第二接线端的第二电压v2，控制器根据触头机构的阻抗z＝(v1-v2)/i计算并储存触头机构的阻抗值。
21.进一步，所述控制器通过比较触头机构的第n次合闸与第n-1次合闸时的阻抗值，
获取触头机构的阻抗变化值，据此判断断路器的工作状况以及预测触头机构的寿命；其中n为大于等于1的整数。
22.本发明的一种断路器，通过测量电路能够检测每一相通电回路中触头机构的阻抗，测量电路中的隔离电路使测量电路不能形成电流回路，避免测量电路产生流经负载的电流，形成断路器的漏电隐患。
23.此外，隔离电路与控制器连接，第一电压传感器或第二电压传感器通过隔离电路向控制器传递电压信号，使第二电压传感器与第一电压传感器、电流传感器相隔离，进而使测量电路不能形成完整的电流回路。
24.此外，测量电路还设有可控电流源，在控制器的驱动下输出可控的电流以增大流经触头机构的电流，以提高测量精度；另外，测量电路还设有提供工作电源的供电电源。
25.本发明的一种断路器中触头机构的阻抗检测方法，基于上述断路器，控制器通过获取触头机构的电流、第一电压以及第二电压计算获得触头机构的阻抗值，方法合理简便，精确度较高。
26.另外，通过与上一次测量获得的触头机构阻抗值相比，据此可以判断触头机构的工作状态以及预测触头机构的寿命。
附图说明
27.图1是本发明一种断路器的示意图；
28.图2是本发明一种断路器中第一实施例的示意图；
29.图3是本发明一种断路器中第二实施例的示意图；
30.图4是本发明一种断路器中第二实施例的电路图；
31.图5是本发明一种断路器中第三实施例的示意图(省略供电电源)；
32.图6是本发明一种断路器中第三实施例的示意图；
33.图7是本发明一种断路器中可控电流源产生电流与通电回路产生电流的波形图(脉冲式)；
34.图8是本发明一种断路器中可控电流源产生电流与通电回路产生电流的波形图(连续式)。
具体实施方式
35.以下结合附图1至8给出的实施例，进一步说明本发明的一种断路器及其触头机构的阻抗检测方法的具体实施方式。本发明的一种断路器及其触头机构的阻抗检测方法不限于以下实施例的描述。
36.一种断路器，包括测量电路和至少一相通电回路，每一相通电回路包括一组用于控制通电回路通断的触头机构，所述测量电路分别与每一相通电回路连接，测量电路的两端分别与一组触头机构的第一接线端、第二接线端连接，所述测量电路包括电流传感器、第一电压传感器、第二电压传感器、控制器和隔离电路；
37.所述电流传感器连接在触头机构的第一接线端，第一电压传感器连接在触头机构的第一接线端，电流传感器将感应到的通电回路中的电流信号传递至控制器，第一电压传感器将感应到的第一接线端的电压作为第一电压信号传递至控制器，第二电压传感器连接
在触头机构的第二接线端并将感应到的第二接线端的电压作为第二电压信号传递至控制器，所述隔离电路与控制器连接用于使测量电路不能形成电流回路，控制器根据所获得的电流信号、第一电压信号以及第二电压信号计算得出触头机构的阻抗。
38.本发明的一种断路器，通过测量电路能够检测每一相通电回路中触头机构的阻抗，测量电路中的隔离电路使测量电路不能形成电流回路，避免测量电路产生流经负载的电流，形成断路器的漏电隐患。
39.结合图1-2提供第一种断路器的实施例，在本实施例中，断路器为单相断路器，断路器的通电回路包括火线和零线，通电回路的触头机构连接在火线上，当然在零线上也同样可以设置一组触头机构，在本实施例中，连接在火线上的触头机构在图1中标记为1；所述测量电路中的电流传感器和第一电压传感器均连接在触头机构的第一接线端，在本实施例中，第一接线端为断路器的进线端，图中标记为a端，电流传感器将感应到的通电回路中的电流信号直接传递至控制器，第一电压传感器通过电流传感器与触头机构的第一接线端连接，第一电压传感器的两个输入端分别与火线和零线连接，第一电压传感器将感应到的第一接线端的电压(图1、2中标记为v1)作为第一电压信号直接传递至控制器；第二电压传感器连接在触头机构的第二接线端，第二电压传感器的两个输入端分别与火线和零线连接，在本实施例中为断路器的出线端，图中标记为b端，所述隔离电路连接在第二电压传感器与控制器之间，第二电压传感器将感应到的第二接线端的电压(图中标记为v2)作为第二电压信号通过隔离电路向控制器传递，控制器根据所获得的电流信号、第一电压信号以及第二电压信号计算得出触头机构的阻抗，具体为第一电压信号与第二电压信号两者之差与电流信号的比值，由于隔离电路将第二电压传感器与控制器、第一电压传感器以及电流传感器相隔离，使测量电路无法形成完整的电流回路，因而不会产生流经负载的电流，避免产生漏电。
40.优选的，测量电路中还包括一个由控制器驱动的可控电流源，在控制器通过电流互感器获得通电回路中的电流较小时，较小的电流不利于精确测量触头机构的阻抗，控制器通过驱动可控电流源输出电流以增大通电回路中的电流，如此可以降低对电流传感器灵敏度的要求，使测量结果更为精确，所述可控电流源产生的额外电流可以是脉冲式的(参见图7)，也可以是连续式的(参见图8)，可控电流源连接在触头机构的第二接线端，也就是断路器的出线端或负载一侧。
41.进一步的，测量电路还包括用于为测量回路提供工作电源的供电电源，在图2中，供电电源的数目为两个，其中一个供电电源为电流传感器、第一电压传感器供电，另一个供电电源为第二电压传感器供电，两个供电电源中的任意一个可以用于为控制器等其它元件供电，图中，第一供电电源为电流传感器、第一电压传感器以及控制器供电，第二供电电源为第二电压传感器、隔离电路以及可控电流源供电，两个供电电源可以直接从通电回路中取电，当然也可以是电池。
42.在本实施例中，所述电流传感器为霍尔电流传感器、变压器或电阻，第一电压传感器、第二电压传感器均为霍尔电流传感器、变压器或电阻中的一种或一种以上的组合；所述隔离电路由一个或多个隔离器件组成，隔离器件可选择光耦或变压器等；所述控制器具有一定逻辑运算能力以及储存功能，优选为单片机。
43.结合图3-4提供第二种断路器的实施例，与第一实施例相同，本实施例的断路器也
为单相断路器，断路器的通电回路也包括火线和零线，触头机构连接在火线上并在图3、4中也标记为1；所述电流传感器连接在触头机构的第一接线端，图3、4中也标记为a端，第一电压传感器与第一接线端连接，第一电压传感器的一个输入端通过电流传感器与触头机构的第一接线端的火线连接，另一个输入端与通电回路的零线连接，电流传感器、第一电压传感器分别与隔离电路连接，电流传感器将感应到的通电回路中的电流信号(图3中标记为i)通过隔离电路传递至控制器，第一电压传感器将感应到的第一接线端的电压(图3中标记为v1)作为第一电压信号通过隔离电路传递至控制器，第二电压传感器的两端分别与第二接线端、控制器连接，第二传感器将感应到第二接线端的电压(图3标记为v2)作为第二电压信号直接传递至控制器。与第一实施例相同，控制器根据所获得的电流信号、第一电压信号以及第二电压信号计算得出触头机构的阻抗，由于隔离电路将第二电压传感器、控制器与第一电压传感器、电流传感器相隔离，使测量电路无法形成完整的电流回路，因而不会产生流经负载的电流，避免产生漏电。
44.在本实施例中，优选还设有可控电流源，所述可控电流源在控制器的驱动下产生可控的额外电流，所述额外电流可以是脉冲式电流，也可以是连续性电流，可控电流源的启动是在控制器通过电流传感器测得电流较低时才启动，并且可控电流源设置在触头机构的第二接线端。如此，在通电回路中流过电流较小时，控制器驱动可控电流源产生额外电流，依次降低对电流传感器灵敏度的要求，提高了测量精度。
45.具体的，所述可控电流源包括驱动控制器以及由驱动控制器控制的可控电路，所述可控电路的两端分别连接在触头机构的第二接线端、通电回路的零线上，所述可控电路包括依次连接的第一导通元件、电阻和第二导通元件，在驱动控制器的驱动下，第一导通元件、第二导通元件导通使可控电路中流过电流，驱动控制器根据电阻两端的电压调整可控电路中的电流。
46.优选的，测量电路还包括一个模数转换电路，电流传感器、第一电压传感器分别通过模数转换电路与隔离电路连接，模数转换电路将电流传感器传递的电压信号转换成数字信号，再由隔离电路将电流值传递至控制器；第一电压传感器将获得的电压转成小信号传递至模数转换电路，再由模数转换电路转换成数字信号后由隔离电路将电压值传送至控制器。
47.进一步的，所述测量电路还包括一个或多个用于为测量电路提供工作电源的供电电源，在本实施例中同样设有两个供电电源，第一供电电源用于为电流传感器、第一电压传感器、模数转换电路以及隔离电路供电，第二供电电源用于为第二电压传感器、控制器以及可控电流源中的驱动控制器供电。
48.在本实施例中，所述电流传感器为霍尔电流传感器、变压器或电阻，第一电压传感器、第二电压传感器均为霍尔电流传感器、变压器或电阻中的一种或一种以上的组合；所述隔离电路由一个或多个隔离器件组成，隔离器件可选择光耦或变压器等；所述控制器具有一定逻辑运算能力以及储存功能，优选为单片机；所述模数转换电路可以为包含模数转换芯片的电路，例如adc0809ccvx组成的电路，所述驱动控制器可以为包含芯片的电路，例如由hef4011芯片组成的电路，第一导通元件和第二导通元件优选为场效应管。
49.结合图4提供本实施例中测量电路的连接方式，所述测量电路包括作为电流互感器t1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、控制器、驱动控制
器、第一场效应管m1、第二场效应管m2、隔离电路、模数转换电路、第一供电电源和第二供电电源；
50.所述电流互感器t1作为电流传感器，电流互感器t1的初级线圈串联在触头机构的第一接线端上，电流互感器t1的次级线圈与模数转换电路的输入端连接，第一电阻r1和第二电阻r2作为第一电压传感器，第一电阻r1的一端连接在电流互感器t1的初级线圈的一端，使第一电阻r1通过初级线圈与触头机构的第一接线端连接(在实际应用中，电流互感器的初级线圈为火线，其阻抗可以忽略不计，或者可以直接将第一电阻r1的一端连接在触头机构的第一接线端上)，第一电阻r1的另一端分别与第二电阻r2的一端、模数转换电路的输入端连接，第二电阻r2的另一端连接在通电回路的零线上；所述模数转换电路的输出端与隔离电路的输入端连接，隔离电路的输出端与控制器的输入端连接；所述第三电阻r3和第四电阻r4作为第二电压传感器，第三电阻r3的一端与触头机构的第二接线端连接，第三电阻r3的另一端与第四电阻r4的一端、控制器的输入端连接，第四电阻r4的另一端、控制器的一个电源端与通电回路的零线连接；
51.所述控制器的输出端与驱动控制器的输入端连接，第一场效应管m1的g极、第二场效应管m2的g极与驱动控制器的输出端连接，第一场效应管m1的s极、第二场效应管m2的s极分别与第五电阻r5的两端连接，第一场效应管m1的d极与触头机构的第二接线端连接，第二场效应管m2的d极与通电回路的零线连接；
52.所述第一供电电源的两个电源端分别连接在第一接线端和通电回路的零线上，第一供电电源的输出端与模数转换电路的供电端连接；第二供电电源的两个电源端分别连接在第二接线端和通电回路的零线上，第二供电电源的输出端分别与驱动控制器、控制器的供电端连接。
53.其工作原理为：在触头机构合闸时，电流流过电流互感器t1的初级线圈，电流互感器t1的次级线圈产生相应的电压，由模数转换电流转换为数字信号由隔离电路将电流值经隔离电路传递至控制器；第一电阻r1和第二电阻r2将第一接线端的火线与零线之间的电压v1作为第一电压转换成小信号传递至模数转换电路，由模数转换电路转换成数字信号经隔离电路传递至控制器；第三电阻r3和第四电阻r4将触头机构的第二接线端的火线与零线之间的电压v2作为第二电压转出小信号传递至控制器，控制器根据电流信号、第一电压以及第二电压计算得出触头机构的阻抗值。
54.另外，当电流互感器t1检测到电流过小时，将启动可控电流源，在控制器的驱动下，驱动控制器输出高电位使第一场效应管m1和第二场效应管m2导通，电流流过由第一场效应管m1、第五电阻r5和第二场效应管m2组成的可控电路，在第五电阻r5的两端产生相应的电压，驱动控制器根据第五电阻r5两端电压调整第一场效应管m1和第二场效应管m2导通的电流，使流过的电流受控。
55.结合图5-6提供第三种断路器的实施例，在本实施例中，断路器为三相四线断路器，包括三相通电回路，三相通电回路分别具有a相火线、b相火线和c相火线，在每一相火线上连接有一组触头机构。在本实施例中，在每一相触头机构的第一接线端连接有一个电流传感器，第一电压传感器分别通过三个电流传感器连接在三组触头机构的第一接线端上，三个电流传感器分别与控制器连接用于向控制器传递电流信号，其中a相通电回路的电流为ia，b相通电回路的电流为ib，c相通电回路的电流为ic；第一电压传感器分别向控制器传
递三组触头机构的第一接线端的电压，图中分别用v1a，v1b和v1c代表三相通电回路的第一电压信号；第二电压传感器分别与三组触头机构的第二接线端连接并通过隔离电路向控制器传递三相通电回路的第二电压信号，图中分别用v2a、v2b和v2c代表。
56.优选的，还包括三个可控电流源，所述可控电流源分别连接在一相通电回路中，在控制器的驱动下能使每一相通电回路产生额外的电流，其工作原理参见第二实施例。进一步的，与第一实施例、第二实时相同，本实施例还包括两个为测量电路提供工作电源的供电电源。
57.一种断路器中触头机构的阻抗检测方法，包括如上所述的断路器，在触头机构合闸时，所述控制器通过电流传感器获得流过触头机构的电流i，控制器分别通过第一电压传感器、第二电压传感器获取触头机构第一接线端的第一电压v1、第二接线端的第二电压v2，控制器根据触头机构的阻抗z＝(v1-v2)/i计算并储存触头机构的阻抗值，方法简便、精确。
58.进一步的，所述控制器通过比较触头机构的第n次合闸与第n-1次合闸时的阻抗值，获取触头机构的阻抗变化，据此判断触头机构的工作状况以及预测触头机构的寿命；其中n为大于等于1的整数。
59.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。