CN102054632B - 带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器，它包括三台独立的单相双断点触头交流接触器，快速电磁斥力机构，智能控制与保护系统，能实现短路故障早期检测判断，在快速电磁斥力机构作用下动作机构快速释放，在短路预期电流峰值到来前开断电路，具有很强的限流作用、极高的短路分断能力与工作可靠稳定等特点，它能实现正常负载时频繁操作，在正常通断电路时具有零电压接通、零电流分断的特点，在发生过载，断相，堵转，过电压，欠电压、相序反等故障时，能分断电路实现保护。

Description

带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器

技术领域

   本发明涉及一种带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器，属于智能电器领域。

背景技术

短路保护是电力系统与自动控制系统正常可靠运行的最重要保证，强的限流作用与高分断能力是断路器的关键技术，对于低压控制与保护集成电器实现强的限流作用与高分断能力是很困难的，陈德桂发表在《低压电器》2008年第9期的“控制与保护开关电器的进展”一文介绍了智能CPS（控制与保护开关电器）的最新进展，在上世纪90年代，法国施耐德公司推出Integral系列CPS，国内也开发了KB0系列，主触头采用桥式结构，依靠冲击电磁铁获得强烈的限流作用。进入新世纪，施耐德公司推出TeSys U系列CPS，它具有断路器、接触器和电动机保护功能，断路器和接触器共用一个触头系统，断路器的操作机构和接触器的电磁铁可通过挡板操作动触头的开闭，断路器依靠触头电动斥力进行限流，无论是采用冲击电磁铁或触头电动斥力都已经比传统断路器的分断速度提高了，但是采用冲击电磁铁或触头电动斥力仍然存在动作机构分断速度不够快的问题，无法满足坚强智能电网的要求，张培铭等所获发明专利“组合式智能交流控制与保护器”（专利号200510125294.1）采用三台独立的交流控制与保护器电磁机构、三台独立的交流控制与保护器触头灭弧装置，实现三相电压零点附近接通；在要求正常分断或发生过载，断相，堵转，过电压，欠电压、相序反等故障时，能准确地在三相电流接近过零时打开，使分断电弧能量更少，能实现少弧或无弧分断；在短路故障发生时，触头能快速打开，切断短路电流，但是这种结构由于电磁机构释放时磁通缓慢衰减造成动作机构分断速度很慢，触头很迟打开，分断能力很弱，对于断路器而言，短路故障发生后，触头打开后立即产生电弧，电弧的形成对短路故障电路起限流作用，因此，触头打开的时刻对于提高分断能力是至关重要的，触头打开越早，其分断能力越大，对于具有接触器、电动机保护器与断路器功能的低压控制与保护集成电器，必须保证短路故障发生后触头打开时刻大幅提前，并且以极快速度增大触头间隙。

发明专利内容：

本发明专利的目的就是提供一种带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器，本电器在短路故障发生时，触头在快速电磁斥力机构打击下快速打开，双断点触头结构增加了触头开距，拉长的电弧更有利于限制短路电流，U型静触桥增加了触头系统回路电动力，使电弧迅速进入灭弧系统，实现在短路预期电流峰值到来前开断电路，通过快速电磁斥力机构与接触器本体电磁机构、触头系统双断点、U型静触桥电动力的共同配合，实现触头在智能控制与保护系统的控制下快速打开触头，产生强烈的限流作用，具有很强的限流作用、极高分断能力与工作可靠稳定等特点，它能实现正常负载时频繁操作，在正常通断电路时具有零电压接通、零电流分断的特点，在发生过载，断相，堵转，过电压，欠电压、相序反等故障时，能分断电路实现保护。

本发明专利的目的是这样实现的，它包括三台独立的单相双断点触头交流接触器，快速电磁斥力机构，智能控制与保护系统，其特征在于，所述的带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器每台单相双断点触头交流接触器电磁机构对应一相双断点触头灭弧装置，三个电流传感器分别套在三台单相双断点触头交流接触器双断点触头灭弧装置的U型静触桥上，快速电磁斥力机构的电容的第一端经第一电子开关接到电源，电容的第一端经第二电子开关接快速电磁斥力机构平板线圈的一端，电容的第二端与快速电磁斥力机构平板线圈另一端相接，平板线圈的上方平行放置一金属盘，金属盘通过三个打击杆同时分别顶住三台单相双断点触头交流接触器处于闭合状态下的动触桥，智能控制与保护系统的输出端分别接三台独立的单相双断点触头交流接触器的电磁机构线圈与快速电磁斥力机构的第一电子开关、第二电子开关的控制端，三个电流互感器的输出端分别接到智能控制与保护系统的三个电流信号输入端。

正常运行通断电路时快速电磁机构不工作，只依靠智能控制与保护系统接通或断开三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构，此时本带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器的智能控制与保护系统在适当时刻接通三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构线圈电流，能保证三台独立的单相双断点触头交流接触器触头灭弧装置的触头分别准确地在三相电压零点附近接通，在要求正常分断或发生过载，断相，堵转，过电压，欠电压、相序反等故障时，智能控制与保护系统在适当时刻切断三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构线圈电流，能保证三台交流控制与保护器触头灭弧装置的触头分别准确地在三相电流接近过零时打开，本电器在开始运行后，智能控制与保护系统立即触发快速电磁斥力机构的第一电子开关使快速电磁斥力机构的电容在经整流后的电源作用下迅速充电，电容充满电荷后自行停止充电，如果发生短路故障，智能控制与保护系统判断短路故障发生后立即触发快速电磁斥力机构的第二电子开关，同时关断三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构线圈电流，快速电磁斥力机构的电容快速向匝数少线径粗电感很小的平板线圈放电，极大上升率且巨大的放电电流在平板线圈的上方平行放置的金属盘里产生涡流，平板线圈的放电电流与铜盘里产生的涡流方向相反，使铜盘在强大的电动斥力作用下快速运动，并通过打击杆快速打击三台单相双断点触头交流接触器处于闭合状态下的动触桥，在释放的三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构与触头系统回路电动力及触头电动斥力合理配合下，将触头以极高的速度打开并快速加大触头间隙，实现强烈的短路故障限流作用，快速切断电路，双断点触头结构增加了触头开距，拉长的电弧更有利于限制短路电流，U型静触桥增加了触头系统回路电动力，使电弧迅速进入灭弧系统，增加了限流作用，提高了分断能力。

附图说明：

图1为本发明专利的结构示意图。

图2为本发明专利的智能控制与保护系统电路部分连接示意框图。

图3为本发明专利的每相一套快速电磁斥力机构的结构示意图。

图4为铜盘涡流斥力随时间变化关系曲线图。

图5为平板线圈电流随时间变化关系曲线图。

图6为6kA短路电流下触头运动规律图。

具体实施方式

图1中：

标号说明：A为三台独立的单相双断点触头交流接触器，B为快速电磁斥力机构，C为智能控制与保护系统，E为三台独立的单相交流接触器电磁机构，D为双断点触头灭弧装置，F为三个电流传感器，D1为动触桥，D2为动触头，D3为静触头，D4为U型静触桥，B1为打击杆，B2为铜盘，B3为快速电磁斥力机构平板线圈，B4为第二电子开关，B5为第一电子开关，B6为电源，B7为快速电磁斥力机构的电容，E1为三台独立的单相双断点触头交流接触器的电磁机构动铁心，E2为三台独立的单相双断点触头交流接触器的电磁机构线圈，E3为三台独立的单相双断点触头交流接触器的电磁机构静铁心。

从图1可知，所述的带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器每台单相双断点触头交流接触器电磁机构对应一相双断点触头灭弧装置，三个电流传感器分别套在三台单相双断点触头交流接触器双断点触头灭弧装置的U型静触桥上，快速电磁斥力机构的电容经第一电子开关接到电源，电容的一端经第二电子开关接快速电磁斥力机构平板线圈的一端，电容的另一端与快速电磁斥力机构平板线圈另一端相接，平板线圈的上方平行放置一金属盘，要说明的是本实施例中，该金属盘我们采用铜盘，其也可以是铝盘，但并不以此为限；所述的铜盘通过三个打击杆同时分别顶住三台单相双断点触头交流接触器处于闭合状态下的动触桥，智能控制与保护系统的输出端分别接三台独立的单相双断点触头交流接触器的电磁机构线圈与快速电磁斥力机构的第一电子开关、第二电子开关的控制端，三个电流互感器的输出端分别接到智能控制与保护系统的三个电流信号输入端。

正常运行通断电路时快速电磁机构不工作，只依靠智能控制与保护系统接通或断开三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构，此时本带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器的智能控制与保护系统在适当时刻接通三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构线圈电流，能保证三台独立的单相双断点触头交流接触器触头灭弧装置的触头分别准确地在三相电压零点附近接通，在要求正常分断或发生过载，断相，堵转，过电压，欠电压、相序反等故障时，智能控制与保护系统在适当时刻切断三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构线圈电流，能保证三台交流控制与保护器触头灭弧装置的触头分别准确地在三相电流接近过零时打开，本电器在开始运行后，智能控制与保护系统立即触发快速电磁斥力机构的电子开关1使快速电磁斥力机构的电容在经整流后的电源作用下迅速充电，电容充满电荷后自行停止充电，如果发生短路故障，智能控制与保护系统判断短路故障发生后立即触发快速电磁斥力机构的第二电子开关，同时关断三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构线圈电流，快速电磁斥力机构的电容快速向匝数少线径粗电感很小的平板线圈放电，极大上升率且巨大的放电电流在平板线圈的上方平行放置的铜盘里产生涡流，平板线圈的放电电流与铜盘里产生的涡流方向相反，使铜盘在强大的电动斥力作用下快速运动，并通过打击杆快速打击三台单相双断点触头交流接触器处于闭合状态下的动触桥，在释放的三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构与触头系统回路电动力及触头电动斥力合理配合下，将触头以极高的速度打开并快速加大触头间隙，实现强烈的短路故障限流作用，快速切断电路，双断点触头结构增加了触头开距，拉长的电弧更有利于限制短路电流，U型静触桥增加了触头系统回路电动力，使电弧迅速进入灭弧系统，增加了限流作用，提高了分断能力。

图2中：

标号说明：M为高速信号调理电路，N为信号调理电路，H为高速单片机系统，G为单片机系统，J为主控计算机，L为通信电路，X为强激磁电路，Y为低压保持电路，V为三个电压互感器，F为三个电流互感器，B为快速电磁斥力机构，E2为三台独立的单相双断点触头交流接触器的电磁机构线圈。

从图2可知，所述的带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器，采集三相电源线电压的三个电压互感器V的输出信号端分别接到高速信号调理电路M与信号调理电路N的电压信号输入端，三个电流互感器F的输出信号端分别接到高速信号调理电路M与信号调理电路N的电流信号输入端，高速信号调理电路M的电压、电流输出信号端分别接到高速单片机系统H的电压、电流信号输入端，信号调理电路N的电压、电流输出信号端分别接到单片机系统G的电压、电流信号输入端，高速单片机系统H的信号输出端接到单片机系统G的信号输入端，主控计算机J的控制信号输出端与通信电路L的信号输入端相接，通信电路L的输出端接到单片机系统G的控制信号输入端，单片机系统G的状态信号输出端接到通信电路L的输入端，通信电路L的信号输出端与主控计算机J的信号输入端相接，单片机系统G的第一控制信号输出端1接到强激磁电路X控制端，单片机系统G的第二控制信号输出端2接到低压保持电路Y的控制端，单片机系统G的第三控制信号输出端3接到快速电磁斥力机构B的电子开关B5控制端，单片机系统G的第四控制信号输出端4接到快速电磁斥力机构B的电子开关B4的控制端，强激磁电路X、低压保持电路Y分别与线圈E2相接。

运行中三个电压互感器与三个电流互感器的输出信号分别经高速信号调理电路、信号调理电路处理后分别输入高速单片机系统、单片机系统，如发生短路故障，高速单片机系统根据短路电流信号进行短路故障早期检测，在判断确认为短路故障后将控制信号输入单片机系统，单片机系统立即启动快速电磁斥力机构，快速打击三台独立的单相双断点触头交流接触器的动触桥，同时关断低压保持电路，三台独立的单相双断点触头交流接触器的电磁机构线圈断电，电磁机构释放，使动触桥快速带动动触头打开，迅速限流切断电路，正常运行状态，单片机系统接收到本电器启动信号后立即控制强激磁电路与低压保持电路，使三台独立的单相双断点触头交流接触器的电磁机构线圈分别按强激磁程序通电，强激磁电路使三台接触器动静触头在该电路零电压时接通，动静铁心小撞击能量闭合，完成接通电路任务，此后单片机系统关断强激磁电路，接触器依靠低压保持电路保持接通状态，如果单片机系统接到分断信号，或者电源电压失压、欠压，或者电动机出现过载，断相，堵转，过电压，欠电压、相序反等故障时，单片机系统控制低压保持电路实现三台独立的单相双断点触头交流接触器的动静触头零电流分断，单片机系统经通信电路与主控计算机进行双向通信。

图3中：

标号说明：A为三台独立的单相双断点触头交流接触器，B为快速电磁斥力机构，C为智能控制与保护系统，E为三台单相交流接触器电磁机构，D为三台单相交流接触器双断点触头灭弧装置，F为三个电流传感器，D4为三台单相交流接触器双断点触头灭弧装置的U型静触桥，B3为快速电磁斥力机构平板线圈，B2为铜盘，B1为打击杆，D1为动触桥，E2为三台独立的单相双断点触头交流接触器的电磁机构线圈。

如图3所示，所述的带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器每一相都带一套快速电磁斥力机构B，三相共用一套智能控制与保护系统C，每台单相交流接触器电磁机构E对应一相双断点触头灭弧装置D三个电流传感器F分别套在三台单相交流接触器双断点触头灭弧装置D的U型静触桥D4上，三套快速电磁斥力机构B的各自电容B7经各自电子开关1B5接到电源B6，电容B7的一端经各自另一电子开关2B4接快速电磁斥力机构各自平板线圈B3的一端，各自电容B7的另一端与快速电磁斥力机构各自平板线圈B3另一端相接，平板线圈的上方平行放置各自铜盘B2，铜盘通过各自打击杆B1同时分别顶住三台单相双断点触头交流接触器处于闭合状态下的各自动触桥D1，智能控制与保护系统C的输出端分别接三台独立的单相双断点触头交流接触器的电磁机构线圈E2与三套快速电磁斥力机构的电子开关1B5、电子开关2B4的控制端，三个电流互感器F的输出端分别接到智能控制与保护系统C的三个电流信号输入端。

正常运行通断电路时快速电磁机构不工作，只依靠智能控制与保护系统接通或断开三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构，此时本带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器的智能控制与保护系统在适当时刻接通三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构线圈电流，能保证三台独立的单相双断点触头交流接触器触头灭弧装置的触头分别准确地在三相电压零点附近接通，在要求正常分断或发生过载，断相，堵转，过电压，欠电压、相序反等故障时，智能控制与保护系统在适当时刻切断三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构线圈电流，能保证三台交流控制与保护器触头灭弧装置的触头分别准确地在三相电流接近过零时打开，本电器在开始运行后，智能控制与保护系统立即触发三套快速电磁斥力机构的第一电子开关使快速电磁斥力机构的电容在经整流后的电源作用下迅速充电，电容充满电荷后自行停止充电，如果发生短路故障，智能控制与保护系统判断短路故障发生后立即触发三套快速电磁斥力机构的第二电子开关，同时关断三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构线圈电流，三套快速电磁斥力机构的电容快速向匝数少线径粗电感很小的各自平板线圈放电，极大上升率且巨大的放电电流在平板线圈的上方平行放置的铜盘里产生涡流，平板线圈的放电电流与铜盘里产生的涡流方向相反，使铜盘在强大的电动斥力作用下快速运动，并通过各自打击杆快速分别打击三台单相双断点触头交流接触器处于闭合状态下的动触桥，在释放的三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构与触头系统回路电动力及触头电动斥力合理配合下，将触头以极高的速度打开并快速加大触头间隙，实现强烈的短路故障限流作用，快速切断电路，双断点触头结构增加了触头开距，拉长的电弧更有利于限制短路电流，U型静触桥增加了触头系统回路电动力，使电弧迅速进入灭弧系统，增加了限流作用，提高了分断能力。

 下面结合电磁场仿真参数曲线图进行分析。请参见图4至图5，从图中可见，平板线圈放电冲击电流与铜盘涡流斥力峰值很大，上升率很高，在0.15ms内已达峰值。 

图6为在涡流斥力、电动力、弹簧反力、剩磁吸力综合作用下铜盘通过打击杆打击动触头后动触头的运动位移曲线，该曲线描述了从短路故障开始时刻到触头处于完全打开位置时的运动规律（包括发明人提出的形态小波的短路故障早期检测的成果，也就是0.2ms正确判断故障发生的时间），该图是短路电流峰值为6kA时触头运动规律；表一为6kA短路电流下触头运动时间表，从图与表一中可见，在综合作用力作用下触头快速打开，打开之后以越来越大的速度打开，因此具有很强的限流特性和很高的短路分断能力。

表一：6kA短路电流下触头运动时间表

可见，本发明专利与现有技术相比在短路故障发生时能以快速电磁斥力机构为主，并与三台独立的单相双断点触头交流接触器电磁机构与触头系统回路电动力及触头电动斥力合理配合快速切断短路电流，具有比现有技术高得多的限流作用，具有极高分断能力与工作可靠稳定等特点。

上述叙述是为本发明的较佳实施例。此领域的技艺者应得以领会其是用以说明本发明而非用以限定本发明所主张的专利权利范围。其专利保护范围当视后附的申请专利范围及其等同领域而定。凡熟悉此领域的技艺者，在不脱离本专利精神或范围内，所作的更动或润饰，均属于本发明所揭示精神下所完成的等效改变或设计，且应包含在下述的申请专利范围内。 

Claims (5)

1.一种带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器，其包括三台独立的单相双断点触头交流接触器（A），快速电磁斥力机构（B），智能控制与保护系统（C），其特征在于：所述的带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器每台单相双断点触头交流接触器电磁机构（E）对应一相双断点触头灭弧装置（D）；三个电流传感器（F）分别套在三台单相双断点触头交流接触器双断点触头灭弧装置（D）的U型静触桥（D4）上，快速电磁斥力机构（B）的电容（B7）的第一端经第一电子开关（B5）接到电源（B6），电容（B7）的第一端经第二电子开关（B4）接快速电磁斥力机构平板线圈（B3）的一端，电容（B7）的第二端与快速电磁斥力机构平板线圈（B3）另一端相接，平板线圈的上方平行放置一金属盘（B2），金属盘通过三个打击杆（B1）同时分别顶住三台单相双断点触头交流接触器处于闭合状态下的动触桥（D1），智能控制与保护系统（C）的输出端分别接三台独立的单相双断点触头交流接触器的电磁机构线圈（E2）与快速电磁斥力机构的第一电子开关（B5）、第二电子开关（B4）的控制端，三个电流互感器（F）的输出端分别接到智能控制与保护系统（C）的三个电流信号输入端。

2.根据权利要求1所述的带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器，其特征在于：所述的快速电磁斥力机构（B）的电源（B6）为交流电源经整流后的直流电源。

3.根据权利要求1所述的带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器，其特征在于：所述的快速电磁斥力机构（B）的金属盘（B2）是铜盘或铝盘。

4.根据权利要求1所述的带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器，其特征在于：所述智能控制与保护系统（C）包括高速信号调理电路（M），信号调理电路（N），高速单片机系统（H），单片机系统（G），主控计算机（J），通信电路（L），强激磁电路（X），低压保持电路（Y）；采集三相电源线电压的三个电压互感器（V）；所述三个电压互感器（V）的输出信号端分别接到高速信号调理电路（M）与信号调理电路（N）的电压信号输入端，三个电流互感器（F）的输出信号端分别接到高速信号调理电路（M）与信号调理电路（N）的电流信号输入端，高速信号调理电路（M）的电压、电流输出信号端分别接到高速单片机系统（H）的电压、电流信号输入端，信号调理电路（N）的电压、电流输出信号端分别接到单片机系统（G）的电压、电流信号输入端，高速单片机系统（H）的信号输出端接到单片机系统（G）的信号输入端，所述的主控制计算机（J）经通信电路（L）与单片机系统（G）连接；所述单片机系统（G）的第一控制信号输出端（1）接到强激磁电路（X）控制端，单片机系统（G）的第二控制信号输出端（2）接到低压保持电路（Y）的控制端，单片机系统（G）的第三控制信号输出端（3）接到快速电磁斥力机构（B）的第一电子开关（B5）控制端，单片机系统（G）的第四控制信号输出端（4）接到快速电磁斥力机构（B）的第二电子开关（B4）的控制端；所述的强激磁电路（X）、低压保持电路（Y）分别与电磁机构线圈（E2）相接。

5.根据权利要求1所述的带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器，其特征在于：所述的带快速电磁斥力机构的分相式智能低压双断点集成电器每一相都带一套快速电磁斥力机构（B），三相共用一套智能控制与保护系统（C），短路故障发生后在智能控制与保护系统（C）的控制下，每一相的快速电磁斥力机构（B）的打击杆分别打击各自的动触桥。

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