一种带故障定位功能的低压空气开关的设计研究

引言

低压空气开关是集控制和多种保护功能于一身,通过判断当前电流超过额定电流、短路或者失压等情况,能切断过电流的用户线路以达到保护作用的一种电气设备。

由于用户不一定能准确判断停电原因和故障的位置,且检修人员到达现场时还需要通过分段验电等方法来寻找故障位置,影响了复电效率。基于此,研制一种能迅速分析故障原因和定位故障位置的开关装置,已成为用户拥有更好的用电体验的迫切需求。

1传统低压空气开关

低压空气开关实际上是一种过载保护开关,采用热动原理,当电流超过额定电流时,超负荷的电流会导致热元件产生热量使双金属片变形让脱扣器脱扣,断开电路。传统的低压空气开关并不具备故障定位功能,如需查找线路故障,用户还需要聘请专业人士排查故障位置,严重影响了供电效率。

2带故障定位功能的低压空气开关设计

本发明提供了一种带故障定位功能的低压空气开关,主要技术核心为低压故障定位模块,同时与低压用户空气开关断路器相结合,实现故障断电、保护断电和故障定位功能。图1为设备外观设计图。

根据现场实际和工作需要,借鉴日常空气开关的外壳,采取导轨式的外壳设计,把独立供电模块、互感器模块、显示模块和控制模块集结起来。

本设备主要分为以下4大部分:电源部分、互感器部分、SPI显示屏部分和控制部分。

(1)电源部分:电源部分内部带有一个稳压器和充电模块。正常工作时,市电同时给设备供电和给储能电池充电:突发停电时,UPs电源开始工作,储能电池供给负载所需电源,保障线路没电时设备还能正常可靠工作。

(2)互感器部分:互感器部分由3个电压互感器和1个电流互感器组成,3个电压互感器通过接线端子分别和小区、电箱和用户的线路相连,然后通过1个二极管逻辑电路和控制模块的单片机相连,主要作用是采集电压信号,为控制模块提供判断依据。电流互感器则与用户家庭地线相连,主要检测用户室内是否有接地信号。

(3)SPI显示屏部分:显示屏模块在停电的黑暗环境中也能把故障信息和线路状态呈现给用户,辅助用户处理停电事件。

(4)控制部分:根据工作需要,控制部分采用STM32F103单片机,STM32F系列中低端的32位ARM微控制器,主要对互感器传送过来的信号进行判定,分析故障信息。

3定位模块故障定位及故障类型显示原理

根据设备设计方案和效果需求,设备原理如图2所示。

(1)在用户电能表与低压空气开关间加装一电流互感器(见图2中④),检测通过电能表进入用户房内的电流值It,可判断用户是否停电,若定位模块判断出用户停电,则记录电流值用以判断故障类型。

(2)收集记录电流互感器It,若It变为0,则将上一次采集的数据进行锁存,用以故障定位以及故障类型分析。

(3)定位模块判断为停电后,对比故障时的电压值。1)若U1=0,判断为整栋楼停电,属于开关入线故障。2)若U1≠0,U2=0,判断为楼总电箱内部出现故障,即电表入线故障。3)若U1≠0,U2≠0,U3=0,判断为用户电能表或空气开关出现故障。4)若U1≠0,U2≠0,U3≠0,判断为用户室内线路故障。

上述4种情况中,前3种归类为供电故障,第4种属于用户自身设备故障,定位模块分析后将故障类型输出至LED显示器。

4技术优势及特点

(1)该带故障定位功能的低压空气开关的使用能方便电工和用户查找线路故障,解决住宅线路故障难以查找和判定的问题。

(2)采取导轨式的外壳设计,集成化程度高,方便安装。

(3)外接显示器能将故障信息直接明了地展示给用户,黑暗环境下也能保证信息的提供。

(4)UPs电源保证了设备供电的可靠性,避免了停电时故障定位模块的失效。

5结语

本文提出的带故障定位功能的低压空气开关操作方式简洁,展示方法直接,安装方法简单,使用场景广泛,产品可靠性高,使用寿命长,可在配电领域全面推广,具有很好的应用发展前景。