專利名稱：高頻鐵芯互感器使低壓供電智能化的制作方法
高頻鐵芯互感器使低壓供電智能化
背景技術(shù)：
低壓供電網(wǎng)中運(yùn)行開關(guān)操作信號、短路事故跳閘信號、短路事故電流值及工作電 流和電壓等參數(shù)不能沿低壓電路傳輸給計算機(jī)，而計算機(jī)也不能將開關(guān)操作信號和查詢電 路運(yùn)行參數(shù)信號傳輸給開關(guān)、電能表和其它測量儀表，目前操作開關(guān)和對電能表計量抄表 及三相電流平衡狀態(tài)等參數(shù)不能與計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)通訊，只能由人工完成，因此低壓供電仍處 于人工運(yùn)行管理的落后狀態(tài)。若實現(xiàn)低壓供電智能化運(yùn)行方式需要解決以下三個技術(shù)難 題。一 .低壓保護(hù)電器普遍采用斷路器不能遠(yuǎn)距離控制操作，仍是人工操作，另外接 通和分?jǐn)喽搪冯娏鲏勖螖?shù)低，應(yīng)將現(xiàn)有斷路器接通分?jǐn)喽搪冯娏鞯膲勖螖?shù)提高10倍 以上，需要解決遠(yuǎn)距離計算機(jī)控制斷路器操作技術(shù)難題。二 .現(xiàn)有斷路器運(yùn)行出現(xiàn)短路電流時由電磁繼電器帶動脫扣器使電路分?jǐn)?，而無 法測出短路電流值，不知道短路電流值就無法確定斷路器電壽命還有幾次，如果是極限短 路電流，電壽命只有一次，該開關(guān)不能繼續(xù)運(yùn)行，因此必須測出每次分?jǐn)嗟碾娏髦?，由計?機(jī)記錄并儲存電壽命次數(shù)，特別是分?jǐn)喽搪冯娏髦岛痛螖?shù)都要累加到電壽命中，這樣計算 機(jī)才能判定開關(guān)是否完好，這樣在不檢查斷路器的情況下，控制斷路器強(qiáng)送電運(yùn)行，因此解 決短路電流的測量技術(shù)后才能使低壓供電網(wǎng)實現(xiàn)智能化操作。三.低壓供電網(wǎng)輸送大電流、高電壓，而計算機(jī)弱電通訊信號沿電路傳輸，不被強(qiáng) 電干擾，弱電信號不被損耗掉是最大的技術(shù)難題，因此只有解決好低壓供電智能化通訊濾 波器，才能使弱電通訊信號順利雙向傳輸，實現(xiàn)計算機(jī)、維修電工手機(jī)、電網(wǎng)管理人員的聯(lián) 網(wǎng)運(yùn)行，成為真正的智能電網(wǎng)。為解決上述技術(shù)難題，我在1997年申請了《快速控制保護(hù)開關(guān)》專利，該專利使交 流接觸器像斷路器一樣具備接通分?jǐn)喽搪冯娏髂芰Γ?002年在正泰公司工作期間又申請了 《交流接觸器的控制器》和《電流電壓傳感器》專利，提高了接觸器的接通分?jǐn)嗄芰?，使之?過空氣開關(guān)分?jǐn)喽搪冯娏髂芰?，該產(chǎn)品則能由計算機(jī)遠(yuǎn)距離控制。由于該產(chǎn)品開距大，分?jǐn)?速度大，合間時沖擊力大，機(jī)械壽命低，改進(jìn)后，沖擊力小了，但是動鐵芯重而分?jǐn)嗨俣刃。?電壽命很低，由于有芯片測量系統(tǒng)，產(chǎn)品成本又高，因此沒能順利進(jìn)入市場。2004年我退休 后，繼續(xù)研究這個課題，采用直角力矩臂連接動鐵芯和動觸頭的結(jié)構(gòu)方式，使觸頭開距比鐵 芯開距大1倍以上，這不但提高了分?jǐn)嗄芰碗妷勖液祥l撞擊力小，大幅度提高了機(jī) 械壽命，2010年2月申請《倍比力矩交流接觸器》發(fā)明專利。又研究出了大電流(也就是各 種短路電流)的測量方法，找到了開關(guān)采用手機(jī)芯片上網(wǎng)的通訊方法，于是可以與計算機(jī) 和電工手機(jī)聯(lián)網(wǎng)，于是3月份申請《人機(jī)網(wǎng)雙通供電器》發(fā)明專利。又繼續(xù)研究出了低壓供 電網(wǎng)的智能化通訊濾波器，可在電路上順利傳輸計算機(jī)通訊信號，于是可以取代開關(guān)內(nèi)置 入手機(jī)芯片的通訊方式，使產(chǎn)品成本降低，也節(jié)省運(yùn)行中無線上網(wǎng)通訊運(yùn)行的費(fèi)用，只有一 臺計算機(jī)即可管理一臺變壓器構(gòu)成的供電網(wǎng)，計算機(jī)上網(wǎng)可與維修電工和供電局通訊，該 技術(shù)同時解決了電能表和家電的通訊難題。實質(zhì)性技術(shù)內(nèi)容
低壓供電網(wǎng)有電感、電容、電阻三類負(fù)載，容性負(fù)載對高頻通訊電流有強(qiáng)烈的吸 收，因此不可能將高頻信號電壓加在火線和零線間傳輸。如果在電路中接入串聯(lián)器件，又會 對50周波的電流產(chǎn)生很大損耗，因此在電路上傳輸高頻通訊技術(shù)，目前還沒有實現(xiàn)。強(qiáng)電 系統(tǒng)中的電流互感器接入電路時只將電線穿過鐵芯而沒有串聯(lián)器件，只是一匝線圈的電壓 非常小。而對于50千周的高頻信號，當(dāng)鐵芯截面為1cm2時一匝可達(dá)25v電壓。我們知道 供電工作電流有數(shù)百安培，如果互感器二次線圈開路鐵芯會飽和，但三相電流平衡時零線 電流為零，所以將高頻互感器穿過零線工作時出現(xiàn)的強(qiáng)電電流值不會很大，另外讓計算機(jī) 控制高頻通訊信號在零線電流過零處前后1. 5毫秒內(nèi)工作，零線上出現(xiàn)的強(qiáng)電電流值會更 小，這樣不會使鐵芯飽和。高頻電流使鐵芯發(fā)熱升溫，但高頻通訊在10毫秒可傳輸20個以 上的漢字，因此計算機(jī)控制每次通訊時間不超過10毫秒，鐵芯溫升不會超過10度。接線圖如附圖1所示，高頻鐵芯互感器穿過的零線與負(fù)載、變壓器二次線圈經(jīng)電 路構(gòu)成閉合回路，零線成為1匝的負(fù)荷線圈，一次線圈1經(jīng)電子開關(guān)管3與直流電源電容2 構(gòu)成回路，計算機(jī)控制信號P加在開關(guān)管3的控制極上，電容器4和損耗電阻5，壓敏電阻 6是吸收高峰電壓限制電子開關(guān)管上的電壓不超過680v，7是電源整流橋，成為了方波脈沖 信號發(fā)生器，開關(guān)或電能表接收信號由帶氣隙的鐵芯互感器二次線圈8輸出，由芯片編程 完成計算機(jī)發(fā)出的指令工作任務(wù)，開關(guān)或電能表實現(xiàn)了與計算機(jī)的通訊。同樣家庭報警系 統(tǒng)或家電也同樣可與計算機(jī)通訊。反之開關(guān)或電能表裝上高頻鐵芯互感器構(gòu)成的方波信號 發(fā)生器，由芯片編程控制即可向計算機(jī)傳輸通訊信號，計算機(jī)同樣用帶氣隙的互感器9接 收到通訊信號，實現(xiàn)了與計算機(jī)的雙向通訊。顯然計算機(jī)處高頻鐵芯互感器穿過的零線必 須在供電變壓器電路出口處，通過互感器以后的零線允許接負(fù)載，否則接在高頻鐵芯互感 器前端的負(fù)載接收不到通訊信號，同樣計算機(jī)接收信號互感器前也不能接負(fù)載，否則該負(fù) 載也不能將信號輸出給計算機(jī)。但是開關(guān)的信號發(fā)生器使用的直流電源應(yīng)由開關(guān)上側(cè)交流 電源整流，這樣開關(guān)斷開后才能繼續(xù)供電。而開關(guān)接收的通訊信號互感器由電容10，與電路 電感和電源構(gòu)成通道，開關(guān)斷開后交流通道不會沒回路。用戶的電能表、開關(guān)及家電等工作電流零線和火線電流相等，只由負(fù)載阻抗所決 定，因此該處無法測出計算機(jī)處的零線電流的過零點(diǎn)，所以用戶處的高頻鐵芯互感器產(chǎn)生 方波脈沖的時間不受零線電流過零點(diǎn)的限制，由于每戶負(fù)載電流小，不會使鐵芯飽和，因此 方波脈沖信號不必限定在電流過零前后通訊。計算機(jī)處的接收信號互感器必須采用帶氣隙 的鐵芯，才不會出現(xiàn)因鐵芯飽和而無法接收信號的現(xiàn)象。而用戶處的接收信號互感器采用 帶氣隙的鐵芯，是由于它能衰減高頻和低頻50周波的干擾信號。用戶處接收信號由檢測芯 片接收計算機(jī)指令并完成指令對開關(guān)控制或回傳指令的通訊內(nèi)容。接收信號檢測芯片由用 戶可設(shè)置密碼，該密碼同時存儲在計算機(jī)中，這樣相應(yīng)對上密碼后用戶接收信號才會啟動 測量通道接收信號。密碼對不上的用戶接收器就不會接收該密碼后的信號了。當(dāng)發(fā)送信號 與計算機(jī)對上密碼則計算機(jī)就知道是哪個負(fù)載傳遞信號了，實現(xiàn)了一對一通訊功能。密碼 由計算機(jī)確認(rèn)沒有與其他負(fù)載接收器的密碼重復(fù)時即可相互存儲成為允許通訊的新用戶 了。這相當(dāng)于手機(jī)卡號加入通訊入網(wǎng)程序相類似的功能。本發(fā)明高頻鐵芯互感器是在極短時間內(nèi)工作，鐵芯不會發(fā)熱升溫過高。低壓供電 網(wǎng)三相電流平衡時零線電流為零，這兩種物理現(xiàn)象是人們熟知的。另外用計算機(jī)監(jiān)測零線 電流過零點(diǎn)前后1. 5毫秒內(nèi)不會出現(xiàn)很大電流也是不難作到的，還有用計算機(jī)控制高頻鐵芯互感器在每個電流過零點(diǎn)工作1. 5毫米，連續(xù)工作6個過零點(diǎn)后要停止工作，累加工作時 間不超過10毫秒的工作方式也容易做到。另外高頻信號發(fā)生器及接收高頻信號的互感器 必須按上述位置安裝。以上這幾個獨(dú)立現(xiàn)象或技術(shù)都是人們掌握的，但將它們綜合到一起 后實現(xiàn)低壓供電通訊智能化的思路就是創(chuàng)新技術(shù)了。高頻鐵芯互感器截面積1cm2，每匝電壓25v，采用300v直流工作電壓時一次線圈 為12匝，最大電流為10安培，平均電流為6安培，輸出功率為1.5千瓦以上。電路中電容 器是與電路電感串聯(lián)回路，電路自身電感會大于50微亨，對50千周的高頻信號，感抗2 Jifl 等于15 Q，該感抗是與包括電容的所有負(fù)載串聯(lián)的，因此電容不會將高頻信號吸收掉，由于 零線上產(chǎn)生的高頻感應(yīng)電流等于一次線圈安匝數(shù)，平均值為60安培，25v的高頻信號不會 被其它用電干擾，因此通訊是安全可靠的。由于高頻鐵芯互感器輸出能量足夠大，這是順利 通訊的保障，又因工作時間極短，間隔工作時間100秒計算，消耗功率為0. 125w，所以任何 器件發(fā)熱升溫不會超過10度。本發(fā)明高頻鐵芯互感器安裝在電能表或強(qiáng)電開關(guān)處，由芯片 控制電子開關(guān)管會輸出一個5微秒方波脈沖電壓和反向的5微秒電壓，100微秒內(nèi)最多產(chǎn)生 10個脈沖信號，100微秒內(nèi)如果只有1個脈沖對應(yīng)字碼1，如果有4個脈沖則對應(yīng)數(shù)字為4， 這樣就可出現(xiàn)10個不同數(shù)量的脈沖，對應(yīng)1、2、3、4、5、6、7、8、9、0，正好與手機(jī)的10個按鍵 相對應(yīng)，可直接轉(zhuǎn)換成為手機(jī)通訊的編程程序，經(jīng)計算機(jī)實現(xiàn)與手機(jī)聯(lián)網(wǎng)的通訊功能。


附圖1是低壓供電高頻通訊接線電路圖。電路由高頻鐵芯互感器一次線圈1經(jīng)電子開關(guān)管3產(chǎn)生高頻方波脈沖信號，直流 工作電源由整流橋7對電容器2充電成為300v直流電源，互感器穿過零線耦合電壓信號， 電容器4與電阻5串聯(lián)吸收開關(guān)管關(guān)斷后的高壓脈沖，壓敏電阻擊穿后吸收加在開關(guān)管兩 端的過電壓。電能表或開關(guān)的接收信號由穿過零線的帶氣隙鐵芯互感器輸出，二次線圈8 輸出低壓信號供檢測芯片測出信號而按計算機(jī)發(fā)出的指令工作。如果開關(guān)斷開零線與電源 被關(guān)斷，通訊信號經(jīng)電容10形成電源回路，仍可接收計算機(jī)指令信號。反之電能表向計算 機(jī)傳輸通訊信號時，則在電能表或開關(guān)處安裝高頻通訊信號時，而在計算機(jī)處安裝接收器9 時計算機(jī)則可接收信號，實現(xiàn)了雙向通訊。如果用戶的家電及報警系統(tǒng)安裝如圖1所示的 高頻信號發(fā)生器，則成為智能電器了。實施例例如由一臺320kvA供電變壓器構(gòu)成的獨(dú)立低壓供電網(wǎng)，有600戶居民，變壓器每 相電流487安培，供電容量預(yù)留一半的發(fā)展空間，這樣正常運(yùn)行電流為244安培。零線因不 平衡出現(xiàn)電流是運(yùn)行電流的30%計算，則零線上出現(xiàn)最大電流值不大于81安培。電流過零 點(diǎn)前后1. 5毫秒，對于正、負(fù)電流時間是0. 75毫秒，電流值又降低為20%，所以零線上出現(xiàn) 的最大電流值不超過16安培。高頻鐵芯互感器鐵芯平均磁路長為12厘米，則飽和電流大 約是25安匝，因此16安匝的零線電流不會使鐵芯飽和。另外一次線圈激磁電流與二次零 線電流方向相反，因此合成電流值是減小的，鐵芯磁場強(qiáng)度也是下降的，所以高頻電流不會 使鐵芯出現(xiàn)飽和。長條形硅鋼片繞在直徑為2. 5厘米的圓孔線圈框上成為無接縫鐵芯，截 面積為1平方厘米，頻率為50千周，則每匝電壓為25v。開關(guān)管控制高頻鐵芯互感器，在零 線上感應(yīng)出25v的方波脈沖，每導(dǎo)通5微秒后關(guān)閉開關(guān)管，一次線圈斷開后，出現(xiàn)反向電壓被電容4、電阻5和壓敏電阻6吸收，電容器10，容量非常小，不會使電網(wǎng)負(fù)載增加很大。在帶氣隙高頻鐵芯互感器中繞200匝漆包線，50周波的零線電流在200匝線圈中 感應(yīng)出5v電壓，5v電壓以純電阻作負(fù)載，電壓過零點(diǎn)就是電流過零點(diǎn)，計算機(jī)可方便的檢 測到零線電流過零點(diǎn)。每百微秒為一個字節(jié)，100微秒最多出現(xiàn)10個方波脈沖，每百微秒內(nèi) 開關(guān)管導(dǎo)通次數(shù)對應(yīng)著1、2、3、4、5、6、7、8、9、0，正好是手機(jī)上的10數(shù)字按鍵，這樣按手機(jī) 程序可轉(zhuǎn)換成漢字，經(jīng)計算機(jī)實現(xiàn)了與無線手機(jī)聯(lián)網(wǎng)傳輸短信的功能了。電能表或強(qiáng)電開關(guān)接收高頻信號采用帶氣隙的鐵芯互感器，穿過零線后二次線圈 可輸出高頻信號輸入到檢測芯片，芯片檢測到計算機(jī)指令后，完成對開關(guān)的操作，或者按指 令向計算機(jī)發(fā)送電流、電壓等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。電能表接收到指令可回傳電能表計量數(shù)據(jù)等 內(nèi)容。家庭其它用戶電器同樣可和計算機(jī)通訊。圖1中的10是高頻信號通道。K是強(qiáng)電開 關(guān)，強(qiáng)電開關(guān)是可分?jǐn)喽搪冯娏鞯谋侗攘亟涣鹘佑|器，它可以測出各種短路電流，向計算 機(jī)提供分?jǐn)嚯娐返碾娏髦祬?shù)，并且可用按鈕合閘，也可由計算機(jī)發(fā)出指令接通或分?jǐn)?。?能表或強(qiáng)電開關(guān)處用芯片控制產(chǎn)生高頻信號即可與計算機(jī)通訊，通訊方法與上述相同，就 不重復(fù)敘述了。如果在家用電器和報警系統(tǒng)中安裝高頻鐵芯互感器的通訊信號發(fā)生器和接 收信號的相同通訊裝置，那么這樣的家電和報警系統(tǒng)則能經(jīng)計算機(jī)與手機(jī)聯(lián)網(wǎng)通訊，成為 智能化家電和報警系統(tǒng)了。所以本發(fā)明不但使供電智能化，而且使人們的生活智能化了。本發(fā)明技術(shù)不但使低壓供電網(wǎng)管理升級為智能化水平，而使低壓開關(guān)、儀表等產(chǎn) 品升級為智能化產(chǎn)品，同時也使家電行業(yè)的產(chǎn)品升級為智能化產(chǎn)品，更重要的是使每個人 的生活也升級為智能化水平。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明高頻鐵芯互感器一次線圈經(jīng)電子開關(guān)管與直流電源接通，電子開關(guān)管由計算 機(jī)控制導(dǎo)通和分?jǐn)喈a(chǎn)生方波脈沖信號，一臺變壓器供電構(gòu)成的獨(dú)立電網(wǎng)的零線出口穿過高 頻鐵芯互感器與用戶負(fù)載構(gòu)成回路，穿過互感器后的零線才能聯(lián)接用戶負(fù)載而成為互感器 的僅一匝的負(fù)載線圈，計算機(jī)控制在零線過零點(diǎn)前后的1. 5毫秒內(nèi)導(dǎo)通和關(guān)斷電子開關(guān)管 產(chǎn)生高頻方波脈沖信號，鐵芯不會飽和，將信號電壓疊加在電路上，用戶電能表處或開關(guān)處 均可穿過電源零線，安裝一個帶氣隙的鐵芯互感器，多匝二次線圈會將接收到的高頻方波 信號轉(zhuǎn)換成隔離電壓信號供檢測芯片接收后按計算機(jī)指令完成通訊或控制程序，當(dāng)用戶負(fù) 載關(guān)斷時由電容器形成與電源的通道而接收通訊信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，如果將高頻鐵芯互感器同樣安裝在用戶的電能表或開關(guān)處， 而將帶氣隙的鐵芯互感器安裝在供電變壓器出口的計算機(jī)處，由檢測芯片按程序控制電子 開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷產(chǎn)生方波脈沖信號，同樣可實現(xiàn)用戶電能表或開關(guān)與計算機(jī)的通訊功 能，測量芯片每百微秒輸出一個字節(jié)，100微秒內(nèi)最多出現(xiàn)10個方波脈沖，開關(guān)管每百微秒 內(nèi)導(dǎo)通次數(shù)對應(yīng)著1、2、3、4、5、6、7、8、9、0數(shù)字，正好是手機(jī)的10個數(shù)字按鍵，這樣按手機(jī) 程序正好轉(zhuǎn)換成為漢字，經(jīng)計算機(jī)實現(xiàn)與無線手機(jī)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)傳輸短信的功能，實現(xiàn)了雙向通 訊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述，同樣將高頻鐵芯互感器安裝在用電戶的家電上或用戶的報 警系統(tǒng)中，那么就同樣使家電設(shè)備及報警系統(tǒng)具備經(jīng)計算機(jī)與家人的手機(jī)相互發(fā)送短信功 能，使家電和報警系統(tǒng)智能化，用戶家電工作電流零線和火線相等，只由負(fù)載阻抗來決定， 因此該處無法測出計算機(jī)的零線總電流過零點(diǎn)，所以用戶處的高頻鐵芯互感器產(chǎn)生的方波 脈沖不受零線電流過零點(diǎn)的限制，因此計算機(jī)處的接收信號互感器必須采用帶氣隙的鐵芯 互感器，用戶處接收信號的互感器也采用帶氣隙的鐵芯互感器，是由于它能衰減高頻和低 頻50周波的干擾信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述，用戶接收到高頻方波信號并完成計算機(jī)的指令內(nèi)容，用戶接 收信號檢測芯片預(yù)先置數(shù)存儲密碼，該密碼同時存儲到計算機(jī)中，經(jīng)計算機(jī)確認(rèn)該密碼與 原有用戶接收器的密碼不重復(fù)時，這相當(dāng)于手機(jī)卡號加入網(wǎng)程序及通訊計費(fèi)相類似的功 能，用戶發(fā)送信號同樣與計算機(jī)對上密碼后則計算機(jī)就識別出是那路負(fù)載傳遞信號了，這 樣就實現(xiàn)了一對一的通訊功能。
全文摘要
高頻鐵芯互感器是用硅鋼片作為鐵芯，而穿過零線的運(yùn)行方式，再由計算機(jī)控制在相電流過零前后的1.5毫秒內(nèi)發(fā)出高頻通訊信號，并向供電開關(guān)和電能表等輸出數(shù)字通訊，開關(guān)和電能表由帶氣隙的鐵芯互感器接收，計算機(jī)又與手機(jī)聯(lián)網(wǎng)，這樣就實現(xiàn)了低壓供電智能化運(yùn)行的工作方式，同樣可實現(xiàn)家庭報警系統(tǒng)、家電運(yùn)行等雙向通訊，不但使低壓供電智能化，事故停電可以在幾秒鐘之內(nèi)恢復(fù)供電，而且使人們生活也實現(xiàn)了智能化。
文檔編號H02J1/00GK102005943SQ20101053744
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者王有元 申請人:王有元