一种限流式电气防火短路保护装置及其短路保护方法

摘要

本发明涉及基于互联网智慧安全用电的短路保护技术领域，尤其涉及一种限流式电气防火短路保护装置，包括安装有智慧城市用电安全监控云平台的云服务器、物联网Zigbee网关设备和多个限流式电气防火短路保护器，各限流式电气防火短路保护器均包括电流采样电路、电压采样电路、相位差测量电路、快速电子开关电路、滤波电路、微处理器、Zigbee模块、可充电电源模块，各限流式电气防火短路保护器的微处理器内均烧写有安装地址信息。上述各电路模块间配合连接。本限流式电气防火短路保护装置能区分短路电流和大功率负载起动电流，防止误操作；能智能预判短路情况发生，在电路短路形成电弧之前及时断开电源，防止短路电弧导致安全隐患。

说明书

技术领域

本发明涉及基于互联网智慧安全用电的短路保护技术领域，尤其涉及一种限流式电气防火短路保护装置及其短路保护方法。

背景技术

短路是指电路中的线路发生短接，短路时电源提供的电流将比通路时提供的电流大得多，一般情况下不允许短路，短路时若不及时断开电路会烧毁电源或用电设备，甚至由于电源或用电设备烧毁引燃周边可燃物继而导致火灾事故发生。因此，低压配电网络和电力拖动系统中一般配置空气开关(空气开关，又名空气断路器，是断路器的一种，是一种只要电路中电流超过额定电流就会自动断开的开关)，目前常见的空气开关内部结构如2015年01月25日申请的中国专利授权公告号CN204348664U所公开的一种空气开关，该空气开关在线路发生短路时，空气开关的过电流脱扣器动作，切断电源，达到短路保护的目的。但是，在实际短路场景中，空气开关内部的过电流脱扣器的脱扣时间比较长，一般在几十毫秒到数百毫秒数量级之间，而这段时间电路中发生短路位置处会产生一团温度极高、亮度极强并能导电的气体，称为电弧，高温电弧会烧坏设备造成严重事故，所以必须更迅速断开电路，迅速熄灭电弧。

为了实现迅速熄灭电弧的目的，现有的技术是采用灭弧式短路保护器，例如2018年05月03日申请的中国专利授权公告号CN208209503U所公开的一种单相灭弧式短路保护器，其技术方案要点是包括连接于电网端与输出负载端之间的IGBT电路，IGBT电路包括：负载模块，负载模块用于检测电网端火线与零线之间的电压，包括并联于火线与零线之间的第二电阻；控制模块，控制模块连接于负载模块并且实时检测第二电阻的电压信号，当第二电阻的电压信号发生极具变化时，控制IGBT电路断路，该单相灭弧式短路保护器可以快速判断单相电路中是否短路，并且及时对电路进行断路，实现迅速熄灭电弧的效果。再如2018年05月03日申请的中国专利授权公告号CN208209504U所公开的一种单相主动灭弧式短路保护装置，其技术方案要点是通过比较电路将采样电压与基准值进行比较，当采样电压高于基准值时输出高电平信号；驱动电路：连接比较电路并且响应于比较电路的高电平信号，而后控制IGBT电路进行关断。再如2010年12月31日申请的中国专利申请公布号CN102035167A公开了灭弧式电气防火短路保护装置，其内设置超高精度控制元件；由超高精度控制元件对电流进行监视和控制，当发生短路或过载时，超高精度控制元件迅速切断电源，迅速熄灭电弧。

本发明人在实际的使用过程中，发现上述空气开关和灭弧式短路保护器均不具备短路预判的能力。换句话说，上述空气开关和灭弧式短路保护器均是通过判断电路中电流超过设定的短路电流阈值，空气开关和灭弧式短路保护器才会自动断开。例如，设定灭弧式短路保护器设定的短路电流阈值为20A,当电路中电流超过20A时灭弧式短路保护器才断开电源，而用电设备在短路发生时刻到电流达到20A这段时间电路的电流激增会导致电弧产生，会使用电设备内部的一些精密电子元器件造成损坏，灭弧式短路保护器的目的是为了迅速断开电源而达到迅速熄灭电弧的目的。现有的空气开关和灭弧式短路保护器均不能智能预判短路发生，不是在电弧产生之前预防电弧产生，而是在电弧产生之后快速熄灭电弧。

除此之外，电路中频繁切入大功率负载，如大功率电机等设备，电路中电流波动较大，会造成空气开关或灭弧式短路保护器误操作，这不利于正常用电。

发明内容

因此，针对上述的问题，本发明提出一种限流式电气防火短路保护装置及其短路保护方法，该限流式电气防火短路保护装置能够区分短路电流和大功率负载起动电流防止误操作，能够智能预判短路情况发生，在电路短路形成电弧之前及时断开电源，防止形成电弧而导致安全隐患。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种限流式电气防火短路保护装置，包括安装有智慧城市用电安全监控云平台的云服务器、物联网Zigbee网关设备和多个限流式电气防火短路保护器；各所述限流式电气防火短路保护器均包括电流采样电路、电压采样电路、相位差测量电路、快速电子开关电路、滤波电路、微处理器、Zigbee模块、可充电电源模块，各所述限流式电气防火短路保护器的微处理器内均烧写有安装地址信息；

所述电流采样电路用于检测负载电路的负载电流I_t，所述电流采样电路与相位差测量电路的电流输入端电连接，所述电流采样电路与滤波电路的输入端电连接，所述滤波电路的输出端与微处理器的输入端电连接；

所述电压采样电路用于检测负载电路的负载电压U_t，所述电压采样电路与相位差测量电路的电压输入端电连接，所述电压采样电路的输出端与微处理器的输入端电连接；

所述相位差测量电路根据负载电流I_t和负载电压U_t计算得出负载电流I_t和负载电压U_t之间的相位差φ并传递给微处理器；

所述快速电子开关电路串联于负载电路中，所述快速电子开关电路与微处理器的输出端电连接，通过微处理器控制快速电子开关电路导通或断路；

所述Zigbee模块与微处理器通信连接，各所述限流式电气防火短路保护器的Zigbee模块形成Zigbee网状网络；

所述微处理器设定每T秒刷新接收的负载电流I_t数据和相位差φ数据，并且设定短路电流参考变化率为K_t，微处理器计算相邻的两次负载电流I_t数据差值的绝对值为|di|安培，微处理器计算负载电流I_t实时变化率为K＝|di|÷T，微处理器计算相邻的两次相位差φ数据的差值为Δφ；若微处理器计算连续n次K≥K_t，且Δφ＝0，则所述微处理器判断负载电路发生短路，所述微处理器控制快速电子开关电路的快速断路，同时微处理器形成短路信号通过Zigbee模块发送无线信号经Zigbee网状网络传输到物联网Zigbee网关设备；若微处理器计算连续n次K≥K_t，且Δφ≠0，则所述微处理器判断负载电路中可能切入大功率负载，此时快速电子开关电路保持导通；

所述物联网Zigbee网关设备连接于Zigbee网状网络；所述物联网Zigbee网关设备通过互联网将短路信号传输到云服务器的智慧城市用电安全监控云平台，所述短路信号包括短路发生时间和该限流式电气防火短路保护器的安装地址信息，用户可通过智能手机访问智慧城市用电安全监控云平台查看各限流式电气防火短路保护器是否发生短路情况；

所述可充电电源模块分别为相位差测量电路、微处理器、Zigbee模块供电。

进一步的，所述T的取值区间为[1×10^-5，2×10^-5]；所述n的取值区间为[10，50]，n为整数。

进一步的，所述K_t＝I_max÷I_e；I_max为负载电路发生短路时短路电流最大瞬时值，I_e为负载电路的额定电流值。

进一步的，所述快速电子开关电路包括电阻R6、电阻R7、瞬态抑制二极管TVS、IGBT管Q1，所述电阻R6的第一端与微处理器的输出端电连接，所述电阻R6的第二端与IGBT管Q1的栅极G，所述电阻R6的第二端通过瞬态抑制二极管TVS连接IGBT管Q1的发射极E,所述电阻R7与瞬态抑制二极管TVS并联，所述IGBT管Q1的集电极C和发射极E串联于负载回路中。

进一步的，所述限流式电气防火短路保护器还包括复位按键、断路按键、参数设置按键、显示屏、警报器和通信接口，所述复位按键、断路按键、参数设置按键分别与微处理器的输入端电连接，所述警报器与微处理器的输出端电连接，所述显示屏和通信接口分别与微处理器通信连接，所述可充电电源模块分别为显示屏、警报器和通信接口供电。

一种限流式电气防火短路保护装置的短路保护方法，应用于上述一种限流式电气防火短路保护装置，包括以下步骤：

步骤一,各所述限流式电气防火短路保护器的电流采样电路实时检测负载电路的负载电流I_t数据并传递给相位差测量电路和微处理器，电压采样电路实时检测负载电路的负载电压U_t数据并传递给相位差测量电路；微处理器控制显示屏显示实时负载电流I_t数据、负载电压U_t数据和相位差φ数据；

所述微处理器设定每T秒刷新接收的负载电流I_t数据和相位差φ数据，并且设定短路电流参考变化率为K_t，微处理器计算相邻的两次负载电流I_t数据差值的绝对值为|di|安培,微处理器计算相邻的两次相位差φ的差值为Δφ,微处理器计算负载电流I_t实时变化率为K＝|di|÷T,当微处理器判断K和K_t值的大小，直至K≥K_t时进入步骤二；

步骤二，若微处理器计算连续n次负载电流实时变化率K≥K_t，且Δφ＝0，则进入步骤三；若微处理器计算连续n次负载电流K≥K_t，且Δφ≠0，则进入步骤四；

步骤三，微处理器判断负载电路发生短路，微处理器控制快速电子开关电路的IGBT管Q1快速断路，微处理器控制警报器发出警报声，同时进入步骤五；

步骤四，微处理器判断负载电路中可能切入大功率负载，此时快速电子开关电路保持导通，返回步骤一；

步骤五，限流式电气防火短路保护器的微处理器形成短路信号，短路信号包括短路发生时间和该限流式电气防火短路保护器的安装地址信息；

所述限流式电气防火短路保护器的短路信号通过Zigbee网状网络传递给物联网Zigbee网关设备；物联网Zigbee网关设备通过互联网将短路信号输到云服务器的智慧城市用电安全监控云平台。

进一步的，所述参数设置按键用于设定T的取值和n的取值，所述T的取值区间为[1×10^-5，2×10^-5]；所述n的取值区间为[10，50]，n为整数。

进一步的，按下所述限流式电气防火短路保护器的断路按键时，微处理器控制快速电子开关电路的IGBT管Q1快速断路；按下所述限流式电气防火短路保护器的复位按键时，微处理器控制快速电子开关电路的IGBT管Q1快速导通。

通过采用前述技术方案，本发明的有益效果是：本限流式电气防火短路保护装置及其短路保护方法通过检测负载电流I_t和负载电压U_t传递给相位差测量电路用于检测负载电流I_t和负载电压U_t的相位差φ，由于短路时，负载电流I_t和负载电压U_t的大小发生突变，但是负载电流I_t和负载电压U_t的相位差φ大小保持不变，因此通过判断Δφ的变化情况可以作为负载电路是否发生短路的预判参数之一；负载电流I_t实时变化率大小是负载电路是否发生短路的另一个预判参数，微处理器通过设定每T秒刷新接收的负载电流I_t数据，并且设定短路电流参考变化率为K_t，微处理器计算相邻的两次负载电流I_t数据差值的绝对值为|di|安培,微处理器计算负载电流I_t实时变化率为K＝|di|÷T,当微处理器计算连续n次K≥K_t，且Δφ＝0，这时微处理器可以预判负载电路发生短路，微处理器控制快速电子开关电路快速断路，实现短路保护，同时警报器发出警报。若微处理器计算连续n次K≥K_t，但Δφ≠0，这时微处理器判断负载电路中可能切入大功率负载，此时快速电子开关电路保持导通。通过检测负载电路的变化率K和Δφ的变化区分短路电流和大功率负载起动电流防止误操作，能够智能预判短路情况发生，并且能在电路短路形成电弧之前及时断开电源，防止形成电弧而导致安全隐患。每个限流式电气防火短路保护器在安装时通过通信接口烧写安装地址信息，当限流式电气防火短路保护器判断负载电路发生短路时，将短路信号上传至云服务器的智慧城市用电安全监控云平台，短路信号包括短路发生时间和该限流式电气防火短路保护器的安装地址信息，用户可通过智能手机访问智慧城市用电安全监控云平台查看负载电路运行情况，若发生短路，快速检修。

附图说明

图1是本发明实施例的限流式电气防火短路保护装置的整体电路连接框图；

图2是本发明实施例的限流式电气防火短路保护器的电路连接框图；

图3是本发明实施例的快速电子开关电路的电路原理图；

图4是本发明实施例的相位差测量电路的电路原理图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例一：

参考图1、图2、图3和图4，本实施例提供一种限流式电气防火短路保护装置，包括安装有智慧城市用电安全监控云平台的云服务器100、物联网Zigbee网关设备200和多个限流式电气防火短路保护器300，本实施例一中采用五个限流式电气防火短路保护器300进行说明。所述物联网Zigbee网关设备200采用Zigbee组网通讯路由器，所述智慧城市用电安全监控云平台是福建省润泽智能科技有限公司所开发的云平台，该智慧城市用电安全监控云平可通过云电侠APP访问并获取相关数据，该智慧城市用电安全监控云平台及云电侠APP均为现有技术，该智慧城市用电安全监控云平台是采用物联网技术，借助大数据分析与挖掘，解决智慧城市用电安全问题。具体的，是通过采集设备实时监测用电安全数据并通过物联网通讯层布置的智能网关上传到智慧城市用电安全监控云平台,在此不再详细赘述该智慧城市用电安全监控云平台的技术原理。在本技术方案中，限流式电气防火短路保护器300即采集设备，智能网关即物联网Zigbee网关设备200，限流式电气防火短路保护器300实时监测短路信号，通过物物联网Zigbee网关设备200上传到云服务器100的智慧城市用电安全监控云平台。

各所述限流式电气防火短路保护器300均包括电流采样电路1、电压采样电路2、相位差测量电路3、快速电子开关电路4、滤波电路5、微处理器6、Zigbee模块7、可充电电源模块8、显示屏9、警报器10、复位按键11、断路按键12、参数设置按键13、通信接口14。所述滤波电路5采用高频滤波电路，所述滤波电路5用于起到高频滤波的作用。所述微处理器6采用MCS-51单片机，所述可充电电源模块8采用可充电锂电池。所述通信接口14采用USB接口。如图4，所述相位差测量电路3采用2014年08月26日申请的中国专利申请公布号CN104181393A所公布的一种相位差测量电路，该相位差测量电路用于检测负载电路的负载电压U_t、负载电流I_t之间的相位差φ，该相位差测量电路的使用方法为本领域公知技术，上述各电子元器件及电路模块均为现有电子设备。

所述通信接口14与微处理器6通信连接，所述限流式电气防火短路保护器300通过通信接口14连接电脑，通过电脑在微处理器6内均烧写该限流式电气防火短路保护器300的安装地址信息。

所述快速电子开关电路4包括电阻R6、电阻R7、瞬态抑制二极管TVS、IGBT管Q1，所述电阻R6的第一端与微处理器6的输出端电连接，通过微处理器6控制IGBT管Q1导通或断路，所述电阻R6的第二端与IGBT管Q1的栅极G，所述电阻R6的第二端通过瞬态抑制二极管TVS连接IGBT管Q1的发射极E,所述电阻R7与瞬态抑制二极管TVS并联，所述IGBT管Q1的集电极C和发射极E串联于负载回路中。所述快速电子开关电路4采用的电子元器件均为现有公知电子元器件。

所述电流采样电路1用于检测负载电路的负载电流I_t，如图2和图4，所述电流采样电路1与相位差测量电路3的电流输入端电连接，所述电流采样电路1与滤波电路5的输入端电连接，所述滤波电路5的输出端与微处理器6的输入端电连接，上述电流采样电路1、相位差测量电路3、滤波电路5和微处理器6之间的电路连接手段为本领域常规技术手段。

所述电压采样电路2用于检测负载电路的负载电压U_t，如图2和图4，所述电压采样电路2与相位差测量电路3的电压输入端电连接，所述电压采样电路2的输出端与微处理器6的输入端电连接，上述电压采样电路2、相位差测量电路3和微处理器6之间的电路连接手段为本领域常规技术手段。

如图2和图4，所述相位差测量电路3与微处理器6电连接，相位差测量电路3根据接收的负载电流I_t和负载电压U_t计算负载电流I_t和负载电压U_t之间的相位差φ并传递给微处理器6。

所述显示屏9与微处理器6通信连接，微处理器6控制显示屏9显示实时负载电流数据I_t、负载电压U_t数据和相位差φ数据。所述警报器10与微处理器6电连接，当限流式电气防火短路保护器300检测到短路信号时，警报器10发出警报。

所述微处理器6设定每T秒刷新接收的负载电流I_t数据和相位差φ数据，并且设定短路电流参考变化率为K_t，所述K_t＝I_max÷I_e，其中I_max为负载电路发生短路时短路电流最大瞬时值，I_e为负载电路的额定电流值。微处理器6计算相邻的两次负载电流I_t数据差值的绝对值为|di|安培，微处理器6计算负载电流I_t实时变化率为K＝|di|÷T，微处理器6计算相邻的两次相位差φ数据的差值为Δφ；若微处理器6计算连续n次K≥K_t，且Δφ＝0，则所述微处理器6判断负载电路发生短路，所述微处理器6控制快速电子开关电路4快速断路，同时微处理器6形成短路信号通过Zigbee模块7发送无线信号经Zigbee网状网络传输到物联网Zigbee网关设备200；若微处理器6计算连续n次K≥K_t，且Δφ≠0，判断负载电路中可能切入大功率负载，此时快速电子开关电路4保持导通。所述Zigbee模块7与微处理器6通信连接，各所述限流式电气防火短路保护器300的Zigbee模块7形成Zigbee网状网络，所述物联网Zigbee网关设备200连接于Zigbee网状网络；所述物联网Zigbee网关设备200将短路信号通过互联网传输到云服务器100的智慧城市用电安全监控云平台，所述短路信号包括短路发生时间和该限流式电气防火短路保护器的安装地址信息，用户可通过安装有云电侠APP的智能手机400访问智慧城市用电安全监控云平台查看各限流式电气防火短路保护器是否发生短路情况。

所述复位按键11、断路按键12、参数设置按键13分别与微处理器6的输入端电连接，按下所述限流式电气防火短路保护器300的断路按键12时，微处理器6控制快速电子开关电路4的IGBT管Q1快速断路；按下所述限流式电气防火短路保护器300的复位按键11时，微处理器6控制快速电子开关电路4的IGBT管Q1快速导通。手动按下复位按键11和断路按键12时，微处理器6均不产生短路信号，也不触发警报器10发出警报。所述参数设置按键13用于设定T的取值和n的取值，所述T的取值区间为[1×10^-5，2×10^-5]；所述n的取值区间为[10，50]，n为整数。

所述可充电电源模块8分别为相位差测量电路3、微处理器6、Zigbee模块7、显示屏9、警报器10和通信接口14供电。

本限流式电气防火短路保护装置通过检测负载电流I_t和负载电压U_t传递给相位差测量电路用于检测负载电流I_t和负载电压U_t的相位差φ，由于短路时，负载电流I_t和负载电压U_t的大小发生突变，但是负载电流I_t和负载电压U_t的相位差φ大小保持不变，因此通过判断Δφ的变化情况可以作为负载电路是否发生短路的预判参数之一；负载电流I_t实时变化率大小是负载电路是否发生短路的另一个预判参数。当所述微处理器6计算连续n次K≥K_t，且Δφ＝0，这时微处理器6可以预判负载电路发生短路，微处理器6控制快速电子开关电路4快速断路，实现短路保护，同时警报器10发出警报。若微处理器6计算连续n次K≥K_t，但Δφ≠0，这时微处理器6判断负载电路中可能切入大功率负载，此时快速电子开关电路4保持导通。

通过检测负载电路的变化率K和Δφ的变化区分短路电流和大功率负载起动电流防止误操作，能够智能预判短路情况发生，并且能在电路短路形成电弧之前及时断开电源，防止形成电弧而导致安全隐患。微处理器6内还设定有短路电流阈值I_d，短路电流阈值I_d通过参数设置按键13设定，当电流采样电路1检测负载电流I_t≥I_d时，微处理器6控制快速电子开关电路4的IGBT管Q1快速断路，一般限流式电气防火短路保护器300在检测发生短路时，能够在负载电路的电流达到短路电流阈值I_d之前控制快速电子开关电路4快速断路，还有一种情况是，限流式电气防火短路保护器300没有成功预判短路情况发生，此时当负载电路的电流达到短路电流阈值I_d以上时，微处理器6控制快速电子开关电路4快速断路。

每个限流式电气防火短路保护器300在安装时均烧写有安装地址信息，当限流式电气防火短路保护器300判断负载电路发生短路时，将短路信号上传至云服务器100的智慧城市用电安全监控云平台，短路信号包括短路信号包括短路发生时间和该限流式电气防火短路保护器的安装地址信息，用户可通过安装有云电侠APP的智能手机400访问智慧城市用电安全监控云平台查看负载电路运行情况，若发生短路，快速检修。

实施例二：

本实施例提供一种限流式电气防火短路保护装置的短路保护方法，应用于上述一种限流式电气防火短路保护装置，包括以下步骤：

步骤一,各所述限流式电气防火短路保护器300的电流采样电路1实时检测负载电路的负载电流I_t数据并传递给相位差测量电路3和微处理器6，电压采样电路2实时检测负载电路的负载电压U_t数据并传递给相位差测量电路3；微处理器6控制显示屏9显示实时负载电流I_t数据、负载电压U_t数据和相位差φ数据；

所述微处理器6设定每T秒刷新接收的负载电流I_t数据和相位差φ数据，本实施例中通过参数设置按键13设定T＝10^-5秒，并且设定短路电流参考变化率为K_t，微处理器6计算相邻的两次负载电流I_t数据差值的绝对值为|di|安培,微处理器6计算相邻的两次相位差φ数据的差值为Δφ,微处理器6计算负载电流I_t实时变化率为K＝|di|÷10^-5,当微处理器判断K和K_t值的大小，直至K≥K_t时进入步骤二；

步骤二，本实施例中通过参数设置按键13设定为n＝10；若微处理器6计算连续10次负载电流实时变化率K≥K_t，且Δφ＝0，则进入步骤三；若微处理器6计算连续10次负载电流K≥K_t，且Δφ≠0，则进入步骤四；

步骤三，微处理器6判断负载电路发生短路，微处理器6控制快速电子开关电路4的IGBT管Q1快速断路，微处理器6控制警报器10发出警报声，同时进入步骤五；

步骤四，微处理器6判断负载电路中可能切入大功率负载，此时快速电子开关电路4保持导通，返回步骤一；

步骤五，限流式电气防火短路保护器300的微处理器6形成短路信号，短路信号包括短路发生时间和该限流式电气防火短路保护器的安装地址信息；

所述限流式电气防火短路保护器300的短路信号通过Zigbee网状网络传递给物联网Zigbee网关设备200；物联网Zigbee网关设备200通过互联网将短路信号输到云服务器100的智慧城市用电安全监控云平台,用户可以通过安装有云电侠APP的智能手机400访问智慧城市用电安全监控云平台查看负载电路运行情况，若发生短路，快速检修。

上述T的取值区间还可以为(1×10^-5，2×10^-5]；上述n的取值区间还可以为(10，50]，n为整数。

按下所述限流式电气防火短路保护器300的断路按键12时，微处理器6控制快速电子开关电路4的IGBT管Q1快速断路；按下所述限流式电气防火短路保护器300的复位按键11时，微处理器6控制快速电子开关电路4的IGBT管Q1快速导通。上述手动按下复位按键11和断路按键12时，微处理器6均不产生短路信号，也不触发警报器10发出警报。

还有一种情况是，当电流采样电路1检测负载电流I_t≥I_d时，微处理器6控制快速电子开关电路4的IGBT管Q1快速断路。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。