新型雙光耦狀態量檢測電路

戚凱

摘 要：III型負控采集終端在現場運行時，需要通過自帶的控制模塊來控制用戶側的斷路器進行合閘、跳閘動作，從而實現負荷控制功能;在進行負荷控制之前，需要對控制模塊輸出回路的開關接入狀態量進行檢測，用以判斷控制模塊是否與斷路器的分勵脫扣器驅動端良好連接。現有廠家設計的開關接入狀態量檢測電路在大多數環境下能夠正確識別、判斷開關接入狀態量，但是根據現場統計分析，部分廠家生產的斷路器，由于其分勵脫扣器內部驅動電路與斷路器行業內主流的驅動電路不一致，導致控制模塊在與部分斷路器配合時出現誤跳閘，或者控制模塊對于開關接入的電壓判斷范圍有限。為了解決上述問題，本文在現有開關接入狀態量檢測電路的基礎上，對電路進行分析和優化，設計出新的狀態量檢測電路并進行實驗驗證。經過驗證，結果表明，本文新設計的控制輸出回路開關接入狀態量檢測電路能夠有效解決上述問題。

關鍵詞：III型負控;檢測電路;斷路器;誤跳閘

中圖分類號：TM925.5 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0153-03

0 引言

III型負荷控制終端目前廣泛應用于對專變大客戶進行用電計量、數據采集、負荷控制等方面;其中一個重要的功能就是拉合閘控制。拉合閘控制的前提是能夠準確的對控制輸出回路開關接入狀態量進行檢測，即能夠準確判斷出用于拉合閘的繼電器二次側開關是否接入斷路器的分勵脫扣器回路以及驅動電壓是否準備就緒[1];因此控制輸出回路開關接入狀態量檢測電路的性能對于實現上述功能至關重要。

本文對于目前使用的控制輸出回路開關接入狀態量檢測電路在現場使用時出現的問題進行了介紹，通過對電路的分析，優化了現有檢測電路的缺陷，設計出一種采用雙光耦方案，電壓檢測范圍更寬的開關接入狀態量檢測電路，并進行了實驗對比，經過試驗驗證，證實新的開關接入狀態量檢測電路有效的解決現有電路存在的缺點，可以很好的應用于現場。

1 當前狀態量檢測電路介紹

1.1 現有檢測電路原理簡介及使用場景

圖1所示為控制模塊與斷路器配合使用的原理圖;虛線框內為控制模塊內的電路，R1、C1、OP1、R2組成的電路為開關接入狀態量檢測電路，光耦前段的R2起到限流和分壓作用，保證光耦輸入側的發光二極管工作在合適的電壓、電流范圍內，當“公共”和“常開”節點之間加上交流電源之后，在交流電的周期內，會驅動光耦輸入側的二極管發光，光耦輸出側光電管進入“截止”-“導通-“截止”狀態，對應光耦連接上拉電阻的4引腳，進入“高電平”-“低電平”-“高電平”的狀態[2]，其波形如圖2所示;光耦進入“導通”狀態時，光耦集電極-發射極電壓變減小，低于TTL定義的低電平電壓閾值，可以被MCU的IO口識別。虛線框內由KJ1、OP2、Q1及其周邊元件組成的電路為繼電器及其控制電路。虛線框右側為斷路器及分勵脫扣器[3]驅動接口。

當電源接口接入交流電或者直流電的情況下，如果繼電器不動作，等效于斷路器分勵脫扣器的驅動端沒有加上電壓;反之繼電器動作后，斷路器分勵脫扣器的驅動端被加上電壓，使斷路器動作，斷開負載。從圖1可以看出斷路器分勵脫扣器的驅動接口與繼電器的“公共”、“常開”節點是串聯關系;開關接入狀態量檢測電路的兩個輸入節點與繼電器的“公共”、“常開”節點是并聯關系;電源接口是與開關接入狀態量檢測電路的兩個輸入節點是并聯關系;因此當電源接口連接電源并且電壓足夠高時，狀態量檢測電路的光耦就會導通，致使光耦二次側的電壓發生變化，對應的邏輯電平發生變化，可以被MCU的IO口識別檢測到;即通過這種方式，MCU來判斷斷路器是否具備動作條件。

1.2 當前問題及分析

圖1所示電路在現場與大部分型號規格的斷路器配合使用時，均能夠正確判斷斷路器的分勵脫扣器驅動端是否加有驅動電壓;但是現場應用時發現上述電路與某個廠家某型號規格的斷路器配合使用時，在電源接口連接市電情況下，一旦“常開”和“公共”節點與斷路器分勵脫扣器對應的驅動輸入端連接，就會立刻導致斷路器跳閘動作。

經過現場測試，發現狀態量檢測電路中的R2的阻值大小與上述現象有關;當R2阻值增加至1MΩ，其它設置相同情況下，不會出現上述斷路器跳閘動作的現象;反之，當R2阻值小于1MΩ情況下，上述斷路器跳閘誤動作事件會重復發生。

將上述現象與斷路器廠家設計人員溝通，經過共同分析，查出問題原因：目前市場上斷路器對應的分勵脫扣器主流驅動方式為電壓驅動（可靠動作電壓范圍一般為70%～110%），即類似于繼電器的驅動方式，只有分勵脫扣器驅動端口所加電源的電壓值、帶載能力達到一定數值（通常需要的電源功率達到250VA@230VAC或者200W@ 110VDC，根據某廠家2000A規格斷路器規格書），才能使斷路器動作，進而切斷負載;

上述與狀態量檢測電路配合導致跳閘誤動作的斷路器是某廠家十年前的產品，其分勵脫扣器的驅動方式與現有主流的驅動方式不一樣[4]（如前所述），內部的分勵控制信號檢測回路中采用的是電阻限流+整流器件整流+光耦的方式，因此如圖3所示當分勵控制回路中出現毫安級別的電流（現場電源接口電壓為380VAC，R2=330kΩ，對應光耦一次側驅動電流約為1.15mA），就能驅動光耦導通，控制光耦二次側的電路進行相應的動作，進而導致斷路器跳閘。

根據上述分析，現有狀態量檢測電路增大R2電阻值可以解決上述與斷路器配合時導致的跳閘誤動作問題;但是僅增加R2電阻值，現有檢測電路與主流的分勵脫扣器驅動方式配合時也會出現其它問題。

2 解決方案

2.1 現有狀態量檢測電路的缺點及與斷路器配合問題的解決方案

針對1.2所述的問題，有以下解決方案：

方案1：更換斷路器型號規格，考慮到斷路器是用戶資產，且價格較高，因此要求用戶更換斷路器來解決上述問題難以實施。

方案2：增大狀態量檢測電路中電阻阻值，可解決與斷路器配合問題，但是會出現檢測失效問題;

失效問題的描述及分析如下：（1）對于加到電源接口（圖1所示）兩端的電壓，在比較窄的范圍內才能被檢測電路檢測出來，即如果電壓值低于某個臨界值，對應光耦二次側的輸出信號低電平電壓值會比較高，不會被MCU的IO口識別出來;但是此電源電壓可以驅動斷路器動作，即開關接入狀態量檢測電路在這種情況下已經失效。如圖4所示，現有狀態量檢測電路在將R2阻值調整至1.2MΩ且電源電壓值為260VAC時，光耦二次側輸出端信號的低電平最小值已經達到0.8VDC，處于邏輯低電平的最大臨界值，無法被MCU識別。（2）驅動電源為直流電情況下，需要現場測試電壓接入方向是否正確，否則會造成光耦反向截止;與此同時斷路器具備跳閘條件，但MCU無法判定是否接入驅動電源。

方案3：設計新的狀態量檢測電路，解決現有電路出現的問題。

2.2 新的開關接入狀態量檢測電路介紹

如圖5所示為在原有電路基礎上進行優化的檢測電路。新的檢測電路采用兩個光耦并聯的方案，并且改變了光耦輸出端電路的形式，可以有效解決2.1中所述的問題。

采用兩個并聯光耦的方案，對于直流電源正負極端子的兩種接入方式，都能使其中一路光耦導通，從而使電路具備正確判定是否接入驅動電源的能力。有效解決前述單光耦在直流電源情況下存在的問題。

光耦輸出端電路，與原有方案相比，在R2電阻由330kΩ增加至1.2MΩ的情況下（用于解決1.2中所述問題），即使光耦輸入側的交流電壓值較低，由于在一個交流周期內，兩個光耦均能導通一次（如圖6所示，原有單光耦方案在一個交流周期內，只能導通一次），保證了對電容持續進行充電，從而有效穩定了光耦輸出端發射極的電壓值，這有利于提高MCU對邏輯電平檢測的可靠性。

3 驗證

對上述新的開關接入狀態量檢測電路進行模擬現場應用的測試：在圖1所示的“公共”、“常開”節點之間加交流電源，調整交流電壓至光耦輸出端發射極電壓值符合MCU可識別的TTL高電平電壓值[5]，測量此條件下交流電上電后光耦輸出端波形如圖7所示，交流電壓加入之后，光耦輸出端電壓值為由0V上升至3.05V，符合TTL高電平邏輯閾值，并有較大裕量，且對應交流電源的電壓值僅為70VAC，與圖4相比，極大拓寬了接入交流電壓的適用范圍;考慮到光耦的CTR參數對溫度比較敏感，隨著溫度升高，CTR參數值會下降[6]，因此需測試高溫70℃情況下的數據，經過試驗驗證，可靠的、在極端情況下可被開關接入狀態量檢測電路檢測到的交流電源電壓最低值為110VAC。

表1所示為在高溫70℃條件下，對新方案電路的驅動輸入端施加不同類型及不同數值的電壓，測量得到的光耦輸出端電壓值數據。

從表1中可以看出，采用雙光耦及改變光耦輸出端電路形式的新方案，即使在極限的高溫條件下，也可以有效的將分勵脫扣器接入的低驅動電壓檢測出來并轉換為邏輯信號量，供MCU判別。

4 結語

本文設計的新的控制輸出回路開關接入狀態量檢測電路與現有電路相比，具有直流接入無需確認正負極性、交直流驅動電壓范圍寬、與斷路器適配性高等優點，完全解決了現有電路的一些缺點，可以廣泛的應用到類似的狀態量檢測場合中。

參考文獻

[1] 張合強，陳瑩.負荷控制終端故障分析與處理[J].云南電力技術，2013（05）：98-100.

[2] 章圣焰，劉小康，胡水仙.淺談光耦的使用方法[J].航空電子技術，2015，46（04）：51-54.

[3] 吳志祥，蔣文賢，黃波，朱如東.交直流分勵脫扣器、閉合電磁鐵控制電路優化設計[J].低壓電器，2013（17）：22-25.

[4] 陶波.小型低壓斷路器選型時要注意脫扣器類型的選擇[N].電子報，2013-03-17（008）.

[5] 饒增仁.數字電路實驗教程[M].清華大學出版社，2013.

[6] 文武.光耦極限樣品參數對電路選擇的影響分析探討[A].中國家用電器協會.2015年中國家用電器技術大會論文集[C].中國家用電器協會：《電器》雜志社，2015：4.