新型双光耦状态量检测电路

戚凯

摘 要：III型负控采集终端在现场运行时，需要通过自带的控制模块来控制用户侧的断路器进行合闸、跳闸动作，从而实现负荷控制功能;在进行负荷控制之前，需要对控制模块输出回路的开关接入状态量进行检测，用以判断控制模块是否与断路器的分励脱扣器驱动端良好连接。现有厂家设计的开关接入状态量检测电路在大多数环境下能够正确识别、判断开关接入状态量，但是根据现场统计分析，部分厂家生产的断路器，由于其分励脱扣器内部驱动电路与断路器行业内主流的驱动电路不一致，导致控制模块在与部分断路器配合时出现误跳闸，或者控制模塊对于开关接入的电压判断范围有限。为了解决上述问题，本文在现有开关接入状态量检测电路的基础上，对电路进行分析和优化，设计出新的状态量检测电路并进行实验验证。经过验证，结果表明，本文新设计的控制输出回路开关接入状态量检测电路能够有效解决上述问题。

关键词：III型负控;检测电路;断路器;误跳闸

中图分类号：TM925.5 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）09-0153-03

0 引言

III型负荷控制终端目前广泛应用于对专变大客户进行用电计量、数据采集、负荷控制等方面;其中一个重要的功能就是拉合闸控制。拉合闸控制的前提是能够准确的对控制输出回路开关接入状态量进行检测，即能够准确判断出用于拉合闸的继电器二次侧开关是否接入断路器的分励脱扣器回路以及驱动电压是否准备就绪[1];因此控制输出回路开关接入状态量检测电路的性能对于实现上述功能至关重要。

本文对于目前使用的控制输出回路开关接入状态量检测电路在现场使用时出现的问题进行了介绍，通过对电路的分析，优化了现有检测电路的缺陷，设计出一种采用双光耦方案，电压检测范围更宽的开关接入状态量检测电路，并进行了实验对比，经过试验验证，证实新的开关接入状态量检测电路有效的解决现有电路存在的缺点，可以很好的应用于现场。

1 当前状态量检测电路介绍

1.1 现有检测电路原理简介及使用场景

图1所示为控制模块与断路器配合使用的原理图;虚线框内为控制模块内的电路，R1、C1、OP1、R2组成的电路为开关接入状态量检测电路，光耦前段的R2起到限流和分压作用，保证光耦输入侧的发光二极管工作在合适的电压、电流范围内，当“公共”和“常开”节点之间加上交流电源之后，在交流电的周期内，会驱动光耦输入侧的二极管发光，光耦输出侧光电管进入“截止”-“导通-“截止”状态，对应光耦连接上拉电阻的4引脚，进入“高电平”-“低电平”-“高电平”的状态[2]，其波形如图2所示;光耦进入“导通”状态时，光耦集电极-发射极电压变减小，低于TTL定义的低电平电压阈值，可以被MCU的IO口识别。虚线框内由KJ1、OP2、Q1及其周边元件组成的电路为继电器及其控制电路。虚线框右侧为断路器及分励脱扣器[3]驱动接口。

当电源接口接入交流电或者直流电的情况下，如果继电器不动作，等效于断路器分励脱扣器的驱动端没有加上电压;反之继电器动作后，断路器分励脱扣器的驱动端被加上电压，使断路器动作，断开负载。从图1可以看出断路器分励脱扣器的驱动接口与继电器的“公共”、“常开”节点是串联关系;开关接入状态量检测电路的两个输入节点与继电器的“公共”、“常开”节点是并联关系;电源接口是与开关接入状态量检测电路的两个输入节点是并联关系;因此当电源接口连接电源并且电压足够高时，状态量检测电路的光耦就会导通，致使光耦二次侧的电压发生变化，对应的逻辑电平发生变化，可以被MCU的IO口识别检测到;即通过这种方式，MCU来判断断路器是否具备动作条件。

1.2 当前问题及分析

图1所示电路在现场与大部分型号规格的断路器配合使用时，均能够正确判断断路器的分励脱扣器驱动端是否加有驱动电压;但是现场应用时发现上述电路与某个厂家某型号规格的断路器配合使用时，在电源接口连接市电情况下，一旦“常开”和“公共”节点与断路器分励脱扣器对应的驱动输入端连接，就会立刻导致断路器跳闸动作。

经过现场测试，发现状态量检测电路中的R2的阻值大小与上述现象有关;当R2阻值增加至1MΩ，其它设置相同情况下，不会出现上述断路器跳闸动作的现象;反之，当R2阻值小于1MΩ情况下，上述断路器跳闸误动作事件会重复发生。

将上述现象与断路器厂家设计人员沟通，经过共同分析，查出问题原因：目前市场上断路器对应的分励脱扣器主流驱动方式为电压驱动（可靠动作电压范围一般为70%～110%），即类似于继电器的驱动方式，只有分励脱扣器驱动端口所加电源的电压值、带载能力达到一定数值（通常需要的电源功率达到250VA@230VAC或者200W@ 110VDC，根据某厂家2000A规格断路器规格书），才能使断路器动作，进而切断负载;

上述与状态量检测电路配合导致跳闸误动作的断路器是某厂家十年前的产品，其分励脱扣器的驱动方式与现有主流的驱动方式不一样[4]（如前所述），内部的分励控制信号检测回路中采用的是电阻限流+整流器件整流+光耦的方式，因此如图3所示当分励控制回路中出现毫安级别的电流（现场电源接口电压为380VAC，R2=330kΩ，对应光耦一次侧驱动电流约为1.15mA），就能驱动光耦导通，控制光耦二次侧的电路进行相应的动作，进而导致断路器跳闸。

根据上述分析，现有状态量检测电路增大R2电阻值可以解决上述与断路器配合时导致的跳闸误动作问题;但是仅增加R2电阻值，现有检测电路与主流的分励脱扣器驱动方式配合时也会出现其它问题。

2 解决方案

2.1 现有状态量检测电路的缺点及与断路器配合问题的解决方案

针对1.2所述的问题，有以下解决方案：

方案1：更换断路器型号规格，考虑到断路器是用户资产，且价格较高，因此要求用户更换断路器来解决上述问题难以实施。

方案2：增大状态量检测电路中电阻阻值，可解决与断路器配合问题，但是会出现检测失效问题;

失效问题的描述及分析如下：（1）对于加到电源接口（图1所示）两端的电压，在比较窄的范围内才能被检测电路检测出来，即如果电压值低于某个临界值，对应光耦二次侧的输出信号低电平电压值会比较高，不会被MCU的IO口识别出来;但是此电源电压可以驱动断路器动作，即开關接入状态量检测电路在这种情况下已经失效。如图4所示，现有状态量检测电路在将R2阻值调整至1.2MΩ且电源电压值为260VAC时，光耦二次侧输出端信号的低电平最小值已经达到0.8VDC，处于逻辑低电平的最大临界值，无法被MCU识别。（2）驱动电源为直流电情况下，需要现场测试电压接入方向是否正确，否则会造成光耦反向截止;与此同时断路器具备跳闸条件，但MCU无法判定是否接入驱动电源。

方案3：设计新的状态量检测电路，解决现有电路出现的问题。

2.2 新的开关接入状态量检测电路介绍

如图5所示为在原有电路基础上进行优化的检测电路。新的检测电路采用两个光耦并联的方案，并且改变了光耦输出端电路的形式，可以有效解决2.1中所述的问题。

采用两个并联光耦的方案，对于直流电源正负极端子的两种接入方式，都能使其中一路光耦导通，从而使电路具备正确判定是否接入驱动电源的能力。有效解决前述单光耦在直流电源情况下存在的问题。

光耦输出端电路，与原有方案相比，在R2电阻由330kΩ增加至1.2MΩ的情况下（用于解决1.2中所述问题），即使光耦输入侧的交流电压值较低，由于在一个交流周期内，两个光耦均能导通一次（如图6所示，原有单光耦方案在一个交流周期内，只能导通一次），保证了对电容持续进行充电，从而有效稳定了光耦输出端发射极的电压值，这有利于提高MCU对逻辑电平检测的可靠性。

3 验证

对上述新的开关接入状态量检测电路进行模拟现场应用的测试：在图1所示的“公共”、“常开”节点之间加交流电源，调整交流电压至光耦输出端发射极电压值符合MCU可识别的TTL高电平电压值[5]，测量此条件下交流电上电后光耦输出端波形如图7所示，交流电压加入之后，光耦输出端电压值为由0V上升至3.05V，符合TTL高电平逻辑阈值，并有较大裕量，且对应交流电源的电压值仅为70VAC，与图4相比，极大拓宽了接入交流电压的适用范围;考虑到光耦的CTR参数对温度比较敏感，随着温度升高，CTR参数值会下降[6]，因此需测试高温70℃情况下的数据，经过试验验证，可靠的、在极端情况下可被开关接入状态量检测电路检测到的交流电源电压最低值为110VAC。

表1所示为在高温70℃条件下，对新方案电路的驱动输入端施加不同类型及不同数值的电压，测量得到的光耦输出端电压值数据。

从表1中可以看出，采用双光耦及改变光耦输出端电路形式的新方案，即使在极限的高温条件下，也可以有效的将分励脱扣器接入的低驱动电压检测出来并转换为逻辑信号量，供MCU判别。

4 结语

本文设计的新的控制输出回路开关接入状态量检测电路与现有电路相比，具有直流接入无需确认正负极性、交直流驱动电压范围宽、与断路器适配性高等优点，完全解决了现有电路的一些缺点，可以广泛的应用到类似的状态量检测场合中。

参考文献

[1] 张合强，陈莹.负荷控制终端故障分析与处理[J].云南电力技术，2013（05）：98-100.

[2] 章圣焰，刘小康，胡水仙.浅谈光耦的使用方法[J].航空电子技术，2015，46（04）：51-54.

[3] 吴志祥，蒋文贤，黄波，朱如东.交直流分励脱扣器、闭合电磁铁控制电路优化设计[J].低压电器，2013（17）：22-25.

[4] 陶波.小型低压断路器选型时要注意脱扣器类型的选择[N].电子报，2013-03-17（008）.

[5] 饶增仁.数字电路实验教程[M].清华大学出版社，2013.

[6] 文武.光耦极限样品参数对电路选择的影响分析探讨[A].中国家用电器协会.2015年中国家用电器技术大会论文集[C].中国家用电器协会：《电器》杂志社，2015：4.