一种自复式过欠压保护器及其控制方法

技术领域

本发明涉及保护电器电路技术领域，具体涉及一种自复式过欠压保护器及其控制方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，人民的生活水平不断地提高，家用电器设备的增多，用电的安全性、连续性保障成了日益突出的问题，根据标准JB/T12762-2015《自恢复式过欠压保护器》规定每套住宅应设置自恢复式过欠压保护电器，且标准中规格不带过电流保护OUPA应进行额定限制短路电流能力试验。目前，常规的自恢复式过欠压保护器接通或断开的执行元件普遍采用磁保持继电器，N极采用直通的导线，现有产品在过欠压保护器断开后，设置一个预定的延迟时间进行合闸，但由于在设定延迟合闸的时间时没有考虑到电流的影响，使得继电器在闭合时可能承受较大电流，使产品存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种可靠性高、延时合闸时继电器承受电流较小的自复式过欠压保护器及其控制方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种自复式过欠压保护器，包括连接于主线路的检测电路，与检测电路连接的控制模块以及与控制模块连接的继电器，所述检测电路采集并反馈主线路的电流信号和电压信号，控制模块根据检测电路所反馈的电流信号和电压信号驱动继电器的触头分闸或合闸，所述检测电路包括用于向控制模块反馈电压值和相位信息的电压值及相位检测电路，控制模块通过电压值及相位检测电路获取电流过零点时刻，在主线路存在过欠压故障时，控制模块驱动继电器的触头分闸，在主线路正常运行状态下，控制模块驱动继电器的触头合闸，且使继电器的合闸时刻在电流过零点时刻的前5ms之内。

优选的，所述控制模块根据选择设置功率因数与获取电压波形的特征时刻，控制模块根据特征时刻计算出向继电器发出合闸信号的延时合闸时间，以得到合闸指令输出时刻。

优选的，所述延时合闸时间还包括继电器的固有延时时间，所述固有延时时间为输出合闸指令时刻与继电器的合闸时刻之间的一段时间。

优选的，所述电压波形的特征时刻包括电压值的过零点时刻或峰值时刻。

优选的，在主线路正常运行时，在继电器的合闸时刻与串联的短路保护装置的断开时刻之间为同一个电流过零点时刻。

优选的，所述继电器的合闸时刻与短路保护装置的断开时刻关于电流过零点时刻对称。

优选的，当主线路的电压值大于电压保护阈值并持续预设的过欠压故障保护时间阈值时，或，当主线路的电压值小于电压保护阈值并持续预设的过欠压故障保护时间阈值时，控制模块驱动继电器的触头分闸。

优选的，还包括与控制模块连接的指示模块，所述指示模块根据控制模块输出的控制信号指示当前状态和/或发出警报。

优选的，控制模块使继电器的合闸时刻在电流过零点时刻的前3ms之内。

一种自复式过欠压保护器的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：计算出电流过零点时刻；

步骤S2：根据所计算的电流过零点时刻控制继电器在电流过零点时刻的前5ms内合闸。

进一步，在步骤S1中，首先，根据负载特性选择设置功率因数参数，其次，获取电压波形的特征时刻，最后，根据功率因数与特征时刻计算出电流过零点时刻。

进一步，在步骤S2中，选取继电器的合闸时刻，根据继电器的合闸时刻计算出控制器输出合闸指令的时刻。

进一步，在步骤S2中，根据所选取继电器的合闸时刻以及继电器的固有延时时间计算出控制器输出合闸指令的时刻。

进一步，在步骤S2中，选取电流过零点时刻之前的2.5ms时刻为合闸时刻。

本发明的一种自复式过欠压保护器及其控制方法，控制模块通过电压值及相位检测电路获取电流过零点时刻，通过将继电器的合闸时刻控制在接近电流过零点的时刻，使得继电器可以避开电流峰值，利于提高产品的可靠性和安全性。

此外，继电器的合闸时刻与短路保护装置(SCPD)的断开时刻之间只有一个电流过零点时刻，使流经继电器的电流尽可能的小，进一步提高了产品的可靠性和安全性。

附图说明

图1是本发明一种自复式过欠压保护器的示意图；

图2是本发明一种自复式过欠压保护器的原理示意图；

图3是本发明中一个实施例的电流波形图；

图4是本发明中另一实施例的电流波形图；

图5是本发明中过欠压保护器与短路保护装置的连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图1至5给出的实施例，进一步说明本发明的一种自复式过欠压保护器及其控制方法的具体实施方式。本发明的一种自复式过欠压保护器及其控制方法不限于以下实施例的描述。

一种自复式过欠压保护器，包括连接于主线路的检测电路，与检测电路连接的控制模块以及与控制模块连接的继电器，所述检测电路采集并反馈主线路的电流信号和电压信号，控制模块根据检测电路所反馈的电流信号和电压信号驱动继电器的触头分闸或合闸，所述检测电路包括用于向控制模块反馈电压值和相位信息的电压值及相位检测电路，控制模块通过电压值及相位检测电路获取电流过零点时刻，在主线路存在过欠压故障时，控制模块根据电压值驱动继电器的触头分闸，在主线路正常运行状态下，控制模块驱动继电器的触头合闸，且使继电器的合闸时刻接近电流过零点时刻，也就是在继电器的合闸时刻在电流过零点时刻的前5ms之内。

本发明的一种自复式过欠压保护器，控制模块通过电压值及相位检测电路获取电流过零点时刻，通过将继电器的合闸时刻控制在接近电流过零点的时刻，使得继电器可以避开电流峰值，利于提高产品的可靠性和安全性。

结合图1-3提供一种实施例，所述自复式过欠压保护器包括控制模块以及分别连接于控制模块的检测电路、指示模块和继电器，检测电路连接在控制模块与主线路之间，检测电路用于采集主线路的电流信号和电压信号并以信号的形式反馈至控制模块，控制模块通过处理与判断检测电路所反馈的信号驱动继电器的触头合闸或分闸，同时，控制模块向指示模块输出的控制信号，使指示模块指示保护器的当前状态和/或发出警报。自复式过欠压保护器还包括电源电路模块，电源电路模块为控制模块、继电器以及指示模块提供所需的工作电源。在本实施例中，控制模块包括控制器以及与控制器连接的外围电路，控制器优选为MCU，由外围电路分别与继电器、检测电路以及指示模块连接并进行信号传递。

在本实施例中，所述检测电路包括电压值及相位检测电路，所述电压值及相位检测电路向控制模块反馈主线路的电压值和相位信息，控制模块通过电压值及相位检测电路获取电流过零点时刻，在主线路存在过欠压故障时，控制模块根据电压值驱动继电器的触头分闸，同时，控制模块向指示模块输出控制信号，使指示模块指示保护器当前处于分闸状态，并可以由指示模块发出警报，在主线路正常运行状态下，如电压和电流符合运行要求状态下，控制模块根据功率因数、电压值和相位信息计算继电器的延时合闸时间，使电压符合合闸要求的情况下在延时合闸时间后向继电器发出合闸信号，使继电器的合闸时刻接近电流过零点时刻，也就是在继电器的合闸时刻在电流过零点时刻的前5ms之内。更优选的为继电器的合闸时刻在电流过零点时刻的前3ms之内。

具体如图2所示，当继电器的触头处于合闸状态时，控制模块根据检测电路反馈的电压信号判断，若主线路出现过欠压故障时，也就是当主线路的电压值大于过电压保护阈值并持续一段时间，或，当主线路的电压值小于欠电压保护阈值并持续一段时间，在持续时间大于等于控制模块预先设定的过欠压故障保护时间阈值时，控制模块驱动继电器的触头分闸。若主线路处于正常运行状态时，继电器的触头保持在合闸状态。当继电器的触头处于分闸状态时，控制模块根据检测电路反馈的电压信号判断，当主线路仍存在过欠压故障时，继电器的触头保持在分闸状态，当主线路不存在过欠压故障，也就是主线路处于正常运行状态时，控制模块根据功率因数获得电压波形的特征时刻，其中特征时刻优选为电压值的过零点时刻或峰值时刻，结合特征时刻，由控制模块根据电压值和相位信息计算出延时合闸时间，以得到向继电器发出合闸指令的合闸指令输出时刻，控制模块在合闸指令输出时刻发出合闸命令，使继电器的触头在电流过零点附近完成合闸动作，也就是继电器的合闸时刻在电流过零点时刻之前的5ms之内，同时，控制模块输出控制信号，使指示模块指示合闸状态。

进一步的，如图5所示，过欠压保护器与短路保护装置(SCPD)串联在主线路中，且过欠压保护器级联在SCPD下级，SCPD根据自身保护特性动作，不受控于过欠压保护器，SCPD限制短路电流下的断开时间为小于5ms；在继电器的合闸时刻与SCPD的断开时刻之间为同一个电流过零点时刻，也就是继电器的触头合闸持续时间仅跨过一个电流过零点时刻(参见图3)，使得期间承受的电流最小，优选继电器的合闸时刻与SCPD的断开时刻关于该电流过零点时刻对称，一个为电流过零点时刻之前，一个为电流过零点时刻之后，例如均距电流过零点时刻2ms，如此，在保证继电器不在电流峰值闭合的同时，还使得继电器在触头合闸期间流过的电流尽可能的小，进一步提高了产品的可靠性和安全性。

另外，继电器通常设有固有延时时间，在计算延伸合闸时间时需要将固有延时时间考虑在其中，在本实施例中，固有延时时间为输出合闸指令时刻与继电器合闸时刻之间的一段时间。

以图3、4为例详细介绍主线路在正常运行状态下的继电器延时合闸过程。由于过欠压保护器处于分闸，无法直接获取负载电流相位。但过欠压保护器为前端供电，获取电压相位很便捷，所以可以通过检测电压相位间接计算出电流相位。另外电压与电流之间相位关系与系统负载类型相关，即系统功率因数已知就可确认电压与电流之间相位关系。按此方法，控制模块已知系统功率因数，再检测出电压相位，控制模块就可以快速计算出电流相位。例如，控制模块中MCU根据功率因数判断电压与电流相位关系，如功率因数为1，电压与电流同相位，即电压过零时刻与电流过零时刻相同；如功率因数为0.5L，电压超前电流相位60°，控制模块中MCU可计算出电流过零点时间滞后电压过零点时间约3.33ms，其中一个周期2π，20ms，60°约1/6周期。

在图3中，首先设置过欠压保护器系统负载功率因数为1，上电后控制模块根据所设置功率因数1计算出电流与电压相位关系，此时电压与电流同相位。选择电流过零点时刻为特征时刻，继电器固有延时时间取5ms，控制继电器在电流过零点时刻前3ms时合闸。在控制模块检测到电流过零点时，控制模块根据电压值及相位检测电路反馈的电压值和相位信息计算出电流过零特征时刻点：20ms*n；则合闸指令输出时刻为：20ms*n-3ms-5ms。如图3所示，控制模块检测到电流过零点并选择下一个特征点为基点，即n取1,电流过零点时刻点为20ms时刻，则继电器的合闸时刻为17ms(20ms-3ms)(图3中标记为T2)，控制模块发出合闸指令时刻为12ms(20ms-3ms-5ms)。

以图4为例详细介绍如设置过欠压保护器系统负载功率因数为0.5L。首先设置过欠压保护器系统负载功率因数为0.5L，上电后控制模块根据所设置功率因数0.5L计算出电流与电压相位关系，即电压相位超前电流60°，电压过零点时刻为特征时刻(图4,T1)超前电流过零特征时刻(图4，T2)约3.33ms。继电器固有延时时间取5ms，控制继电器在电流过零点时刻前3ms时合闸。在控制模块检测到电压过零点时，控制模块根据电压值及相位检测电路反馈的电压值和相位信息计算出电压过零特征时刻点：20ms*n；电流过零特征时刻点：20ms*n-3.33ms。则合闸指令输出时刻为：20ms*n-3.33ms-3ms-5ms。如图4所示，控制模块检测到电压过零点并选n取1为下一个特征点为基点，电压过零点时刻为20ms时刻，电流过零点时刻为20ms-3.3ms，继电器的合闸时刻为13.7ms(20ms—3.3ms-3ms)，控制模块发出合闸指令时刻为8.7ms(20ms-3.3ms-3ms-5ms)。

理想情况下选择继电器的合闸时刻与SCPD在限制短路条件下断开时刻关于该电流过零点时刻对称，在本实施例中，位于继电器的合闸时刻与SCPD的断开时刻之间的电流过零点时刻为特征时刻之后的第一个电流过零点时刻，当然，当特征时刻为电流峰值时，位于继电器的合闸时刻与SCPD的断开时刻之间的电流过零点时刻为特征时刻之后的第一个电流过零点时刻。

需要说明的是，控制模块还可以通过其它算法计算电流过零点时刻，均属于本发明的保护范围。

一种自复式过欠压保护器的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：计算出电流过零点时刻；

步骤S2：根据所计算的电流过零点时刻控制继电器在电流过零点时刻的前5ms内合闸。

具体过程为，在步骤S1中，首先，根据负载特性选择设置功率因数参数，其次，获取电压波形的特征时刻，最后，根据功率因数与特征时刻计算出电流过零点时刻。

在步骤S2中，选取继电器的合闸时刻，使继电器的合闸时刻位于电流过零点时刻前的5ms内，在本实施例中，根据短路保护装置限制短路电流下的断开时间为小于5ms，选取电流过零点之前的2.5ms时刻为继电器的合闸时刻，根据继电器的合闸时刻计算出控制器输出合闸指令的时刻，优选在计算控制器输出合闸指令时刻充分考虑继电器的固有延时时间。

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。