一种智能熔断器

技术领域

本发明属于智能电网技术领域，尤其涉及一种智能熔断器。

背景技术

熔断器一种简单而有效的保护电器。在电路中主要起短路保护作用。熔断器主要由熔体和安装熔体的绝缘管(绝缘座)组成。使用时，熔断器的原理是利用电流流经导体会使导体发热，达到导体的熔点后导体融化所以断开电路保护用电器和线路不被烧坏。它是热量的一个累积，所以也可以实现过载保护。

现有的熔断器是将熔断器与导电铜排并联，在正常状态下，电流(按照不同比例)同时流过熔断器和铜排。在故障发生时由系统中央控制器做出判断并发出动作信号，引爆熔断器内预置的炸药驱动撞针切断铜排，从而诱发并联熔断器断开，最终切断故障电流。在正常状态下，熔断器和铜排并联，协同分流。尽管通过熔断器的电流要比铜排上的电流小很多，其代价是熔断器的电阻要比铜排的电阻高很多，结果是在正常状态下熔断器也有比较明显的发热。

然而，上述的熔断器的电流采集精度低，无法采集电压信号，无法快速监测熔断器跌落状态，无法分析熔断器跌落原因，无法准确监控触头温度，以及产品使用寿命短，取电能力弱和产品运行功耗比较大等熔断器问题。

发明内容

本发明实施例提供一种智能熔断器，旨在解决现有熔断器的电流采集精度低，无法采集电压信号，无法快速监测熔断器跌落状态，无法分析熔断器跌落原因，无法准确监控触头温度，以及产品使用寿命短，取电能力弱和产品运行功耗比较大等熔断器问题。

本发明实施例提供一种智能熔断器，包括：在线取电电路、备用电源充放电电路、感应电场采集电路、电流采集电路、温度采样电路、无线数据收发电路、主控操作系统单元、跌落检测电路以及稳压电源；

所述在线取电电路与所述备用电源充放电电路电连接，所述在线取电电路与所述备用电源充放电电路分别与所述稳压电源连接，所述稳压电源用于分别为所述在线取电电路与所述备用电源充放电电路提供稳定的电源电压；

所述主控操作系统单元分别与所述感应电场采集电路、所述电流采集电路、所述跌落检测电路和所述无线数据收发电路电连接，所述主控操作系统单元分别用于控制所述感应电场采集电路、所述电流采集电路、所述跌落检测电路和所述无线数据收发电路工作。

进一步的，所述在线取电电路包括：高导能材料制作的取电线圈、可调电阻、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第五二极管、第二电容、第三电容以及第六二极管；

所述取电线圈的第一端连接所述可调电阻的第一端，所述取电线圈的第二端连接所述可调电阻的第二端；

所述第一二极管的正极分别连接所述可调电阻的第一端和所述第二二极管的负极，所述第一二极管的负极分别连接所述第一电容的第一端和所述第三二极管的负极；所述第二二极管的正极分别连接所述第一电容的第二端和所述第四二极管的正极，所述第三二极管的正极分别连接所述第四二极管的负极和所述可调电阻的第二端；

所述第五二极管的负极分别与所述第一电容的第一端、所述第二电容的正极、所述第三电容的第一端共同连接后连接至电源电压，所述第五二极管的正极分别与所述第一电容的第二端、所述第二电容的负极、所述第三电容的第二端共同连接后并接地，所述第六二极管的正极连接所述第三电容的第一端，所述第六二极管的负极连接VALL端。

进一步的，所述备用电源充放电电路包括：第一三极管、第一电阻、芯片U11、第四电容、第二电阻、第三电阻、第四电阻、芯片U3以及第一电感；

所述第一三极管的基极用于连接PWM脉冲信号，所述第一三极管的集电极分别连接所述第一电阻的第一端和所述芯片U11的4脚，所述第一电阻的第二端分别连接所述电源电压和所述芯片U1 1的1脚、2脚和3脚；所述芯片U11的5脚、6脚、7脚及8脚共同连接至所述第四电容的正极，所述第四电容的负极接地；

所述第四电容的正极还分别连接所述第二电阻的第一端、所述芯片U3的6脚及所述第一电感的第一端，所述第二电阻的第二端连接所述芯片U3的4脚，所述第一电感的第二端连接所述芯片U3的1脚；

所述芯片U3的5脚连接所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端分别连接所述芯片U3的3脚和所述第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端分别连接所述芯片U3的2脚和接地。

进一步的，所述感应电场采集电路包括：第七二极管、第八二极管、第五电阻、第六电阻、第五电容、第六电容、第七电阻、第八电阻、第九电阻以及芯片U19；

所述第七二极管的负极用于连接偏置电压VREF，所述第七二极管的正极分别连接所述第八二极管的负极和所述第五电阻的第一端，所述第八二极管的正极接地，所述第五电阻的第二端分别连接所述芯片U19的4脚、所述第六电阻的第一端及所述第五电容的第一端，所述第六电阻的第二端与所述第五电容的第二端连接，所述第七电阻的第一端分别连接所述第六电阻的第二端和所述芯片U19的1脚，所述第七电阻的第二端用于连接ADC电压，所述芯片U19的2脚接地，所述芯片U19的3脚分别连接所述第八电阻的第一端和所述第九电阻的第一端，所述第八电阻的第二端用于连接VBIAS端；所述芯片U19的5引脚连接所述第六电容的第一端，所述第六电容的第二端接地。

进一步的，所述电流采集电路包括：电流线圈、第十电阻、第九二极管、第十二极管、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第七电容以及芯片U1；

所述电流线圈的两端分别连接所述第十电阻的第一端和所述第十电阻的第二端，所述第十电阻的第一端还分别连接所述第九二极管的负极、所述第十二极管的正极和所述第十一电阻的第一端，所述第九二极管的正极接地，所述第十二极管的负极用于连接偏置电压VREF，所述第十一电阻的第二端分别连接所述芯片U1和所述第十二电阻的第一端，所述第十二电阻的第二端连接所述芯片U1，所述第十三电阻的第一端连接所述芯片U1，所述第十三电阻的第二端连接所述第七电容的第一端，所述第七电容的第二端接地。

进一步的，所述温度采样电路包括：热敏电阻NTC、第二三极管、第十四电阻、第十五电阻以及第八电容；

所述第二三极管的基极连接CTRL端，所述第二三极管的集电极连接所述热敏电阻，所述第二三极管的发射极分别连接所述第十四电阻的第一端和所述第十五电阻的第一端，所述第十五电阻的第二端接地，所述第十四电阻的第二端分别连接ADC端和所述第八电容的第一端，所述第八电容的第二端接地。

进一步的，所述无线数据收发电路包括：芯片U12、第十六电阻、第九电容、第十电容、第十七电阻、第十一电容以及跳线接口JP1；

所述第十六电阻和所述第九电容的第一端连接并共同连接至所述芯片U12，所述第九电容的第二端接地，所述第十电容的第一端与所述第十七电阻的第一端连接并共同连接至所述芯片U12，所述第十电容的第二端接地，所述第十七电阻的第二端分别连接跳线接口和所述第十一电容的第一端，所述第十一电容的第二端接地。

进一步的，所述跌落检测电路包括：芯片U10、第十二电容和第十三电容；所述第十二电容的第一端和所述第十三电容的第一端连接并共同接地，所述第十二电容的第二端和所述第十三电容的第二端连接并共同连接至所述芯片U10和供电电压VCC。

进一步的，所述稳压电源包括：第十八电阻、第十四电容、第十五电容、第十六电容、第十七电容、第十八电容、第十九电容以及芯片U5；

所述第十四电容的第一端接地，所述第十四电容的第二端分别连接所述第十八电阻的第一端和所述芯片U5，所述第十八电阻的第二端还连接至所述芯片U5；所述第十五电容、所述第十六电容、所述第十七电容、所述第十八电容以及所述第十九电容并联设置；所述第十五电容的两端分别连接所述芯片U5。

进一步的，所述智能熔断器还包括采样参考电路和电池采样电路，所述主控操作系统单元分别与所述采样参考电路和所述电池采样电路电连接。

本发明所达到的有益效果：本发明通过提供一种智能熔断器，通过将所述在线取电电路与所述备用电源充放电电路电连接，所述在线取电电路与所述备用电源充放电电路分别与所述稳压电源连接，所述稳压电源用于分别为所述在线取电电路与所述备用电源充放电电路提供稳定的电源电压；所述主控操作系统单元分别与所述感应电场采集电路、所述电流采集电路、所述跌落检测电路和所述无线数据收发电路电连接，所述主控操作系统单元分别用于控制所述感应电场采集电路、所述电流采集电路、所述跌落检测电路和所述无线数据收发电路工作。本发明的智能熔断器具有采集精度高，数据分析处理能力强，全速运行启动电流低，睡眠功耗极低，运行安全可靠，可有效避免采集误差误报情况，电路灵活性高，设备体积小，能较好融合到智能配电终端系统里面。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种智能熔断器的模块图；

图2是本发明实施例提供的在线取电电路的电路图；

图3是本发明实施例提供的备用电源充放电电路的电路图；

图4是本发明实施例提供的感应电场采集电路的电路图；

图5是本发明实施例提供的电流采集电路的电路图；

图6是本发明实施例提供的温度采样电路的电路图；

图7是本发明实施例提供的无线数据收发电路的电路图；

图8是本发明实施例提供的主控操作系统单元的电路图；

图9是本发明实施例提供的跌落检测电路的电路图；

图10是本发明实施例提供的稳压电源的电路图；

图11是本发明实施例提供的采样参考电路的电路图；

图12是本发明实施例提供的电池采样电路的电路图。

其中，100、智能熔断器，1、在线取电电路，2、备用电源充放电电路，3、感应电场采集电路，4、电流采集电路，5、温度采样电路，6、无线数据收发电路，7、主控操作系统单元，8、跌落检测电路，9、稳压电源，10、采样参考电路，11、电池采样电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术方案中，由于现有熔断器的电流采集精度低，无法采集电压信号，无法快速监测熔断器跌落状态，无法分析熔断器跌落原因，无法准确监控触头温度，以及产品使用寿命短，取电能力弱和产品运行功耗比较大等熔断器问题。。而本申请是通过将所述在线取电电路与所述备用电源充放电电路电连接，所述在线取电电路与所述备用电源充放电电路分别与所述稳压电源连接，所述稳压电源用于分别为所述在线取电电路与所述备用电源充放电电路提供稳定的电源电压；所述主控操作系统单元分别与所述感应电场采集电路、所述电流采集电路、所述跌落检测电路和所述无线数据收发电路电连接，所述主控操作系统单元分别用于控制所述感应电场采集电路、所述电流采集电路、所述跌落检测电路和所述无线数据收发电路工作。本发明的智能熔断器具有采集精度高，数据分析处理能力强，全速运行启动电流低，睡眠功耗极低，运行安全可靠，可有效避免采集误差误报情况，电路灵活性高，设备体积小，能较好融合到智能配电终端系统里面。

参见图1-图12所示，图1是本发明实施例提供的一种智能熔断器的模块图；图2是本发明实施例提供的在线取电电路的电路图；图3是本发明实施例提供的备用电源充放电电路的电路图；图4是本发明实施例提供的感应电场采集电路的电路图；图5是本发明实施例提供的电流采集电路的电路图；图6是本发明实施例提供的温度采样电路的电路图；图7是本发明实施例提供的无线数据收发电路的电路图；图8是本发明实施例提供的主控操作系统单元的电路图；图9是本发明实施例提供的跌落检测电路的电路图；图10是本发明实施例提供的稳压电源的电路图；图11是本发明实施例提供的采样参考电路的电路图；图12是本发明实施例提供的电池采样电路的电路图。

本发明通过提供了一种智能熔断器100，包括：在线取电电路1、备用电源充放电电路2、感应电场采集电路3、电流采集电路4、温度采样电路5、无线数据收发电路6、主控操作系统单元7、跌落检测电路8以及稳压电源9。

所述在线取电电路1与所述备用电源充放电电路2电连接，所述在线取电电路1与所述备用电源充放电电路2分别与所述稳压电源9连接，所述稳压电源9用于分别为所述在线取电电路1与所述备用电源充放电电路2提供稳定的电源电压VDD。

所述主控操作系统单元7分别与所述感应电场采集电路3、所述电流采集电路4、所述跌落检测电路8和所述无线数据收发电路6电连接，所述主控操作系统单元7分别用于控制所述感应电场采集电路3、所述电流采集电路4、所述跌落检测电路8和所述无线数据收发电路6工作。

本实施例中，通过将所述在线取电电路1与所述备用电源充放电电路2电连接，所述在线取电电路1与所述备用电源充放电电路2分别与所述稳压电源9连接，所述稳压电源9用于分别为所述在线取电电路1与所述备用电源充放电电路2提供稳定的电源电压；所述主控操作系统单元7分别与所述感应电场采集电路3、所述电流采集电路4、所述跌落检测电路8和所述无线数据收发电路6电连接，所述主控操作系统单元7分别用于控制所述感应电场采集电路3、所述电流采集电路4、所述跌落检测电路8和所述无线数据收发电路6工作。本发明的智能熔断器100具有采集精度高，数据分析处理能力强，全速运行启动电流低，睡眠功耗极低，运行安全可靠，可有效避免采集误差误报情况，电路灵活性高，设备体积小，能较好融合到智能配电终端系统里面。本发明增加电场采集信号，结合具有高精度电流采样数据、触头温度数据参数，更全面的分析熔断器的工作状态，让用电单位更全面了解熔断器的使用情况，提供供电可靠性；采用多种电源供电，实现低功耗运行，解决市面上使用寿命不长的问题；高精度触头测温，让设备温度更接近接触点的温度，可以快速准确的反应故障预警，降低停电故障时间，缩减了停电的损失。

更具体的，所述在线取电电路1包括：高导能材料制作的取电线圈、可调电阻VR1、第一二极管D9、第二二极管D10、第三二极管D11、第四二极管D12、第一电容C17、第五二极管D2、第二电容C54、第三电容C11以及第六二极管D13。

所述取电线圈的第一端CN4-1连接所述可调电阻VR1的第一端，所述取电线圈的第二端CN4-2连接所述可调电阻VR1的第二端。

所述第一二极管D9的正极分别连接所述可调电阻VR1的第一端和所述第二二极管D10的负极，所述第一二极管D9的负极分别连接所述第一电容C17的第一端和所述第三二极管D11的负极；所述第二二极管D10的正极分别连接所述第一电容C17的第二端和所述第四二极管D12的正极，所述第三二极管D11的正极分别连接所述第四二极管D12的负极和所述可调电阻VR1的第二端。

所述第五二极管D2的负极分别与所述第一电容C17的第一端、所述第二电容C54的正极、所述第三电容C11的第一端共同连接后连接至电源电压VDD，所述第五二极管D2的正极分别与所述第一电容C17的第二端、所述第二电容C54的负极、所述第三电容C11的第二端共同连接后并接地，所述第六二极管D13的正极连接所述第三电容C11的第一端，所述第六二极管D13的负极连接VALL端。在线取电电路1采用高导能材料制作的线圈，结合低导通的整流电路和稳压电路，功能模块可以在一次侧极地的负荷电流下，获取到系统方案需要的足够电源能量，因此确保设备可以全速工作在更小负荷的电网系统中。

更具体的，所述备用电源充放电电路2包括：第一三极管Q11、第一电阻R39、芯片U11、第四电容C49、第二电阻R45、第三电阻R49、第四电阻R50、芯片U3以及第一电感L1；

所述第一三极管Q11的基极用于连接PWM脉冲信号，所述第一三极管Q11的集电极分别连接所述第一电阻R39的第一端和所述芯片U11的4脚，所述第一电阻R39的第二端分别连接所述电源电压VDD和所述芯片U1 1的1脚、2脚和3脚；所述芯片U11的5脚、6脚、7脚及8脚共同连接至所述第四电容C49的正极，所述第四电容C49的负极接地；

所述第四电容C49的正极还分别连接所述第二电阻R45的第一端、所述芯片U3的6脚及所述第一电感L1的第一端，所述第二电阻R45的第二端连接所述芯片U3的4脚，所述第一电感L1的第二端连接所述芯片U3的1脚；

所述芯片U3的5脚连接所述第三电阻R49的第一端，所述第三电阻R49的第二端分别连接所述芯片U3的3脚和所述第四电阻R50的第一端，所述第四电阻R50的第二端分别连接所述芯片U3的2脚和接地。

这样备用电源充放电电路2能够在电网负荷波动的情况下，对于大负荷下确保系统全速运行情况下，从高能效在线取电电路1中多余的能量，利用储能电容进行储存，当电网负荷变小时，在通过储能电容对整个方案放电，提供全速运行所需要的电能，因此，本发明可以在负荷波动变小时，使用备用电源提供能力，而至于频繁使用电池的供电，延迟电池的使用寿命，确保电源稳定高效输出

更具体的，所述感应电场采集电路3包括：第七二极管D6、第八二极管D14、第五电阻R24、第六电阻R25、第五电容C92、第六电容C98、第七电阻R54、第八电阻R27、第九电阻R29以及芯片U19；

所述第七二极管D6的负极用于连接偏置电压VREF，所述第七二极管D6的正极分别连接所述第八二极管D14的负极和所述第五电阻R24的第一端，所述第八二极管D14的正极接地，所述第五电阻R24的第二端分别连接所述芯片U19的4脚、所述第六电阻R25的第一端及所述第五电容C92的第一端，所述第六电阻R25的第二端与所述第五电容C92的第二端连接，所述第七电阻R54的第一端分别连接所述第六电阻R25的第二端和所述芯片U19的1脚，所述第七电阻R54的第二端用于连接ADC电压，所述芯片U19的2脚接地，所述芯片U19的3脚分别连接所述第八电阻R27的第一端和所述第九电阻R29的第一端，所述第八电阻R27的第二端用于连接VBIAS端；所述芯片U19的5引脚连接所述第六电容C98的第一端，所述第六电容C98的第二端接地。通过高精度的感应电场采集电路3重复利用金属外壳屏蔽效果，通过电容分压原理，得到高精度电场交流感应值；再通过电阻分压，微小信号放大、低通有源滤波和微分调相转换等处理电路，提供给高速主控操作系统单元7进行电场信号模数转换和计算分析。

更具体的，所述电流采集电路4包括：电流线圈、第十电阻R62、第九二极管D7、第十二极管D8、第十一电阻R69、第十二电阻R60、第十三电阻R73、第七电容C51以及芯片U1；

所述电流线圈的两端(CN5-1、CN5-2)分别连接所述第十电阻R62的第一端和所述第十电阻R62的第二端，所述第十电阻R62的第一端还分别连接所述第九二极管D7的负极、所述第十二极管D8的正极和所述第十一电阻R69的第一端，所述第九二极管D7的正极接地，所述第十二极管D8的负极用于连接偏置电压VREF，所述第十一电阻R69的第二端分别连接所述芯片U1和所述第十二电阻R60的第一端，所述第十二电阻R60的第二端连接所述芯片U1，所述第十三电阻R73的第一端连接所述芯片U1，所述第十三电阻R73的第二端连接所述第七电容C51的第一端，所述第七电容C51的第二端接地。其中，芯片U1的1脚和2脚连接至第十三电阻R73的第一端，芯片U1的4脚接地，芯片U1的5脚连接VREF2端，芯片U1的6脚连接第十一电阻R69的第一端，芯片U1的7脚连接第十一电阻R69的第二端，芯片U1的8脚连接VREF端。高精度的电流采集电路4利用罗氏线圈感应原理，通过电阻采样，得到小信号交流感应值；再通过微小信号放大、低通有源滤波和微分调相转换等处理电路，提供给高速主控操作系统单元7进行电流信号模数转换和计算分析。

更具体的，所述温度采样电路5包括：热敏电阻NTC、第二三极管Q1、第十四电阻R44、第十五电阻R47以及第八电容C36；

所述第二三极管Q1的基极连接CTRL端，所述第二三极管Q1的集电极连接所述热敏电阻NTC(CN3-1、CN3-2)，所述第二三极Q1管的发射极分别连接所述第十四电阻R44的第一端和所述第十五电阻R47的第一端，所述第十五电阻R47的第二端接地，所述第十四电阻R44的第二端分别连接ADC端和所述第八电容C36的第一端，所述第八电容C36的第二端接地。

更具体的，所述无线数据收发电路6包括：芯片U12、第十六电阻R4、第九电容C6、第十电容C68、第十七电阻R2、第十一电容C67以及跳线接口JP1；

所述第十六电阻R4和所述第九电容C6的第一端连接并共同连接至所述芯片U12，所述第九电容C6的第二端接地，所述第十电容C68的第一端与所述第十七电阻R2的第一端连接并共同连接至所述芯片U12，所述第十电容C68的第二端接地，所述第十七电阻R2的第二端分别连接跳线接口JP1和所述第十一电容C67的第一端，所述第十一电容C67的第二端接地。低功耗远距离的无线数据收发电路6采用微功率无线传输，实现采集数据的远距离传输功能。

更具体的，所述跌落检测电路8包括：芯片U10、第十二电容C9和第十三电容C32；所述第十二电容C9的第一端和所述第十三电容C32的第一端连接并共同接地，所述第十二电容C9的第二端和所述第十三电容C32的第二端连接并共同连接至所述芯片U10和供电电压VCC。高精度跌落检测电路8采用最新三轴加速度传感器采集，具备高精度灵敏度，在熔断器发生微小角度变化时，更够快速记录当前变化值，在达到一定的角度变化或者加速度达到一定阀值时；通过中断通知高速主控操作系统单元7，及时读取多度值，从而实现低功耗实时监测跌落状态。

更具体的，所述稳压电源9包括：第十八电阻R1、第十四电容C12、第十五电容C18、第十六电容C41、第十七电容C40、第十八电容C2、第十九电容C10以及芯片U5；

所述第十四电容C12的第一端接地，所述第十四电容C12的第二端分别连接所述第十八电阻R1的第一端和所述芯片U5，所述第十八电阻R1的第二端还连接至所述芯片U5；所述第十五电容C18、所述第十六电容C41、所述第十七电容C40、所述第十八电容C2以及所述第十九电容C10并联设置；所述第十五电容的两端分别连接所述芯片U5。低功耗系统的稳压电源9能够无缝切换高能取电、备用电源和电池三种电源供电，并将为系统提供采集、无线收发和主控最小系统提供电压，自身转换效率可以达到98％、静态功耗可以达到微安级以下，波动小，电源输出稳定。

进一步的，所述主控操作系统单元7包括芯片U14、X2和多个电容(C27C25C7C8)；芯片U14、X2和多个电容按照电路图的相应方式进行电连接。

更具体的，所述智能熔断器100还包括采样参考电路10和电池采样电路11，所述主控操作系统单元7分别与所述采样参考电路10和所述电池采样电路11电连接。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。