CN100385764C

CN100385764C - 一线一地直流供电线路的漏电保护方法及装置

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Publication number: CN100385764C
Application number: CNB2005100377579A
Authority: CN
Inventors: 张玉民; 冯诗文
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2025-01-31
Also published as: CN1667907A

Abstract

本发明公开了一种一线一地直流供电线路的漏电保护方法及装置。该方法利用CPU控制器接通主电子开关，同步器接通附电子开关，直流电再经主、附电子开关到达负载，供电时间达设定值后，CPU控制器关断主电子开关，发出漏电检测信号送往供电线路，检测信号时间达设定值后，CPU控制器停检测信号的发送，再接通主电子开关，供电线路再得电，同步器再使附电子开关接通，直流电再到负载。如此反复，实现供电线路的漏电检测。当线路出现漏电时，检测信号变化，主电子开关始终关断，线路断电负载停止运行。采用间隔检测法，实现了一线一地直流供电线路的漏电保护，杜绝人身触电事故。运行安全可靠，实现了安全生产。

Description

一线一地直流供电线路的漏电保护方法及装置

技术领域

本发明涉及采用一线一地直流供电的供电线路的漏电保护方法及其漏电保护装置。

背景技术

采用一线一地直流供电的供电线路通常用裸体线供电，如煤矿井下电力机车的供电线路，若不采用漏电保护，很容易发生人身触电事故。在中国专利(专利号：ZL92241572.2)《直流线路漏电流检测装置》中，使用直流漏电检测互感器，被检测的直流正、负两芯线路穿过互感器铁心中央。当在正常状态时，正、负两芯线路流过的电流平衡，互感器铁心中的磁场相互抵消，所以互感器的输出无变化。如果发生漏电则直流正、负两芯导线的电流不平衡，互感器铁心中的磁场不能相互抵消，因此互感器的输出发生变化，即直流线路发生漏电。从以上原理可知，该装置采用的是将正负两芯直流线穿过互感器中央测量电流平衡的方法进行漏电检测和保护，它不适用于在一线一地的直流供电线路中进行直流漏电检测。

发明内容

本发明的目的是要提供一种一线一地直流供电线路的漏电保护方法及装置，该方法及装置能实现一线一地直流供电线路的漏电保护，杜绝人身触电事故。

本发明的方法为：CPU控制器接通主电子开关，直流电经主电子开关送往供电线路，同步器通电接通副电子开关，直流电再经副电子开关到达负载，直流电供电时间达到设定值后，CPU控制器关断主电子开关使供电线路断电，同步器断电使副电子开关关断，此时CPU控制器发出漏电检测信号通过高压硅堆送往供电线路，漏电检测信号时间达到设定值后，CPU控制器停止漏电检测信号的发送再次接通主电子开关，供电线路再次通电，同步器再次使副电子开关接通，直流电再次经副电子开关到达负载，如此反复，实现供电线路的漏电检测，供电时间与漏电检测信号时间为四比一；当供电线路中出现漏电时，漏电检测信号由高到低发生变化，CPU控制器立即使主电子开关始终保持关断，供电线路断电使负载断电停止运行，从而实现漏电保护。

所述的直流电供电时间设定值为8毫秒较好，漏电检测信号时间为2毫秒较好。

用于上述方法的漏电保护装置如下所述：

该装置包括主控制器和同步开关，主控制器包括整流桥、伺服电源、CPU控制器、高压硅堆及主电子开关，CPU控制器的电源端与交流电源之间连接有伺服电源，CPU控制器的检测端与供电线路之间连接有高压硅堆，供电线路与整流桥之间连接有主电子开关，CPU控制器的控制端与主电子开关的控制端相连，供电线路与负载之间连接有同步开关。

所述的同步开关包括供电线路与隔离驱动器之间连接有同步器，供电线路与功率二极管正极之间连接有副电子开关，隔离驱动器的控制端与副电子开关的控制端相接，功率二极管负极、电解电容正极及负载汇接，电解电容负极接地。

同步开关还可以包括供电线路与变压器原边之间串接有双向二极管和阻容电路，可控硅阳极接供电线路，可控硅控制极与阴极之间接有变压器副边，可控硅阴极、电解电容正极及负载汇接，电解电容负极接地。

所述的CPU控制器包括一块单片机AT 89C2051，单片机AT 89C2051的P3.0脚与Vss脚之间接有起动按钮，单片机AT 89C2051的P3.1脚与Vss脚之间接有停止按钮，单片机AT 89C2051的P3.2脚与Vss脚之间接有复位按钮；单片机AT 89C2051的P3.7脚与Vss脚之间接有第三光电耦合器的接收端，该第三光电耦合器的发射端通过电阻接直流50V和高压硅堆正极；单片机AT 89C2051的P1.7脚与Vcc脚之间接有第二光电耦合器的发射端，该第二光电耦合器的接收端的下端接有第二三极管的基极，接收端的上端接第二三极管的集电极，第二三极管的集电极通过并联阻容电路接主电子开关控制极，第二三极管的发射极接-15V；单片机AT 89C2051的P1.6脚与Vcc脚之间接有第四光电耦合器的发射端，该第四光电耦合器的接收端的下端接有第三三极管的基极，接收端的上端接第三三极管的集电极和+15V，第三三极管的发射极通过并联阻容电路接主电子开关控制极。

所述的同步器包括第一光电耦合器发射端的上端通过串联的取样二极管和电阻接供电线路，第一光电耦合器发射端的下端接第一三极管的基极，第一光电耦合器接收端的上端为同步信号输出端，第一光电耦合器接收端的下端接第五直流输出端；保护二极管与变压器原边并联，保护二极管的负极接变压器原边的上端，保护二极管的正极接变压器原边的下端，并联后变压器原边上端通过并联的阻容电路接供电线路，变压器原边下端接第一三极管的集电极，第一三极管的发射极接地，变压器副边形成五个直流输出端。

所述的隔离驱动器包括一块单片机AT 89C2051，单片机AT 89C2051的P1.7脚与Vcc脚之间接有第五光电耦合器发射端，第五光电耦合器接收端的上端接同步器的正直流输出端和第四三极管的集电极，第五光电耦合器接收端的下端接第四三极管的基极，第四三极管的发射极通过并联的阻容电路接副电子开关控制极；单片机AT 89C2051的P1.6脚与Vcc脚之间接有第六光电耦合器的发射端，第六光电耦合器接收端的上端接第五三极管的集电极并通过并联的阻容电路接副电子开关控制极，第六光电耦合器接收端的下端接第五三极管的基极，第五三极管的发射极接同步器的负直流输出端。

本发明采用间隔检测法，实现了一线一地直流供电线路的漏电保护，杜绝人身触电事故。经矿井下6个月的试用，运行安全可靠，实现了安全生产。

附图说明

图1是本发明的漏电保护装置电路图。图2是图1中的伺服电源4电路图。

图3是图1中的CPU控制器1电路图。图4是图1中的同步器9电路图。

图5是图1中的隔离驱动器10电路图。图6是图1中的同步器9的另一种电路图。

图7是图1中供电线路6输出的电压波形图。

图中1.CPU控制器、2.整流桥、3.主电子开关、4.伺服电源、5.高压硅堆、6.供电线路、7.隔离开关、8.熔断器、9.同步器、10.隔离驱动器、11.电动机、12.副电子开关、13.功率二极管、14.功率补偿电容、ZK.主控制器、TK.同步开关。

具体实施方式

在图1中，主控制器ZK包括整流桥2、伺服电源4、CPU控制器1、高压硅堆5及主电子开关3。CPU控制器1的电源端+15V、-15V、+50V、及+5V分别与伺服电源4的输出端+15V、-15V、+50V、及+5V相接，伺服电源4的输入端接三相交流电源。CPU控制器1的检测端与供电线路6之间连接有高压硅堆5，供电线路6与整流桥2之间连接有主电子开关3，CPU控制器1的控制端通过主控制线K1与主电子开关3的控制端相连，供电线路6与负载电动机11之间连接有同步开关TK。

同步开关TK包括同步器9、隔离驱动器10、副电子开关12及功率二极管13。供电线路6与隔离驱动器10之间连接有同步器9，供电线路6与功率二极管13正极之间连接有副电子开关12，隔离驱动器10的控制端通过附控制线K3与副电子开关12的控制端相接，功率二极管13正极与同步器9中的直流输出端A2汇接，功率二极管13负极、电解电容14正极及负载电动机11汇接，电解电容14负极接地。

在图2中，变压器B1原边U1和U2端子接交流电源380V，副边形成三个，上面一个副边通过整流器D8，再经电容C10、C11、C16、C17、稳压电路IC5和IC6稳压滤波输出正负15V，为主电子开关3提供开关电源；中间一个副边通过整流器D9、电容C12、C15、电阻R10、二极管D7稳压滤波后输出正50V，为供电线路6漏电检测提供检测电源；下边一个副边通过整流器D10、电容C13、14、稳压电路IC7输出正5V，为CPU控制器1提供工作电源。

在图3中，CPU控制器1包括单片机IC1，单片机IC1的P3.0脚与Vss脚之间接有起动按钮QA，P3.1脚与Vss脚之间接有停止按钮TA，P3.2脚与Vss脚之间接有复位按钮FA。单片机IC1的P3.7脚与Vss脚之间接有第三光电耦合器BG3的接收端，第三光电耦合器BG3的发射端通过电位器W接检测线K2且经电阻R5接直流50V。单片机IC1的P1.7脚与Vcc脚之间接有第二光电耦合器BG2的发射端，第二光电耦合器BG2的接收端的下端接有第二三极管Q2的基极，接收端的上端接第二三极管Q2的集电极，第二三极管Q2的集电极通过电阻R6和电容C8接主控制线K1，第二三极管Q2的发射极接-15V。单片机IC1的P1.6脚与Vcc脚之间接有第四光电耦合器BG4的发射端，第四光电耦合器BG4的接收端的下端接有第三三极管Q3的基极，接收端的上端接第三三极管Q3的集电极和+15V，第三三极管Q3的发射极通过电阻R6和电容C8接主控制线K1。

当伺服电源4通电后，单片机IC1进行自检，正常后，按启动按钮QA送电，按停止按钮TA可以停止送电。送电后，单片机IC1为供电线路6的供电、停电、漏电检测、复位等提供控制。漏电检测信号的50伏电压通过限流电阻R5、检测线K2和高压硅堆5到供电线路6检测其漏电情况，通过取样电位器W和第三光电耦合器BG3取出漏电信号，送单片机IC1处理。当单片机IC1的P1.7脚为高电位时，第二光电耦合器BG2及第二三极管Q2截止，P1.6脚为低电位，第四光电耦合器BG4及第三三极管Q3导通，正15伏电源通过电阻R6、加速电容C8和主控制线K1到主电子开关3，使其导通。三相动力电源通过整流桥2整流后，通过主电子开关3输出到供电线路6供给直流负载电动机11。这时高压硅堆5反向截止，切断漏电检测回路。当单片机IC1的P1.7脚为低电位时，第二光电耦合器BG2及第二三极管Q2导通，P1.6脚为高电位，第四光电耦合器BG4及第三三极管Q3截止，负15伏通过电阻R6加速电容C8，从主控制线K1加到主电子开关3使其截止，切断动力直流向供电线路6供电，这时高压硅堆5导通，50伏的检测电压加到供电线路6进行漏电检测，如果没有发生漏电将重复以上停送过程直到发生漏电为止。当发生漏电时，供电线路6将永久停电，直到故障解除后，且人工按复位按钮FA进行复位后，再按启动按钮QA方可再次送电。

在图4中，同步器9包括第一光电耦合器BG1。第一光电耦合器BG1发射端的上端通过串联的同步取样二极管D1和电阻R1接供电线路6，第一光电耦合器BG1发射端的下端接第一三极管Q1的基极，第一光电耦合器BG1接收端的上端为同步信号输出端A6，第一光电耦合器BG1接收端的下端接第五直流输出端A5。保护二极管D2和D3串联后与变压器B2原边并联，保护二极管D2的负极接变压器B2原边的上端，保护二极管D3的下端正极接变压器B2原边的下端。并联后的变压器B2原边上端通过并联的电阻R2和电容C1接供电线路6，变压器B2原边下端接第一三极管Q1的集电极，第一三极管Q1的发射极接地。变压器B2的副边形成五个直流输出端A1、A2、A3、A4、A5。

同步取样二极管D1是高压瞬通二极管，当供电线路6有直流动力电时，同步取样二极管D1导通，通过电阻R1使第一三极管Q1和第一光电耦合器BG1导通，通过电阻R2和电容C1、变压器B2输出正负15伏电源和正5伏电源，通过直流输出端A1、A3、A4输入到隔离驱动器10，提供副电子开关12的驱动电源和单片机IC8的工作电源。当供电线路6没有直流动力电源电压时，同步取样二极管D1和第一光电耦合器BG1截止，因此BG1可以获得供电线路6有没有直流动力电源的同步信号，通过同步信号输出端A6送到隔离驱动器10，决定副电子开关12的开通和关断。

在图5中，隔离驱动器10包括单片机IC8。单片机IC8的P1.7脚与Vcc脚之间接有第五光电耦合器BG5发射端，第五光电耦合器BG5接收端的上端接同步器9的直流输出端A1和第四三极管Q4的集电极，第五光电耦合器BG5接收端的下端接第四三极管Q4的基极，第四三极管Q4的发射极通过并联的电阻R9和电容C9接附控制线K3。单片机IC8的P1.6脚与Vcc脚之间接有第六光电耦合器BG6的发射端，第六光电耦合器BG6接收端的上端接第五三极管Q5的集电极并通过并联的电阻R9和电容C9接附控制线K3，第六光电耦合器BG6接收端的下端接第五三极管Q5的基极，第五三极管Q5的发射极接同步器9的负直流输出端A3。

同步信号通过同步信号输出端A6送到单片机IC8的P3.0脚，再通过P1.7脚、P1.6脚对第五光电耦合器BG5、第六光电耦合器BG6和第四三极管Q4、第五三极管Q5的进行控制。当供电线路6有直流动力电源时，单片机IC8的P3.0脚为低电位，P1.7脚输出低电位，使第五光电耦合器BG5和第四三极管Q4导通，P1.6输出高电位，第六光电耦合器BG6和第五三极管Q5截止，正15伏电源通过电阻R9、加速电容C9从附控制线K3到副电子开关12使其导通，供电线路6的直流动力电源电压通过功率二极管13和功率补偿电容14使负载电动机11运转。当供电线路6没有直流动力电源时，单片机IC8的P3.0脚为高电位，P1.7脚输出高电位，第五光电耦合器BG5、第四三极管Q4截止，P1.6脚为低电位，第六光电耦合器BG6和第五三极管Q5导通，负15伏电源通过电阻R9加速电容C9从附控制线K3到副电子开关12使其迅速截止，切断了负载电动机11与供电线路6的连接，使其负载电动机11不影响CPU控制器1，通过高压硅堆5对供电线路6漏电检测的影响。这时负载电动机11可以通过功率补偿电容14继续提供电能，使负载电动机11继续运行。

在图6中所示的同步开关TK中，供电线路6与变压器B3原边之间串接有双向二极管D11和并联的电阻R11与电容C19，可控硅Q6阳极接供电线路6，可控硅Q6控制极与阴极之间接有变压器B3副边，可控硅Q6阴极、电解电容C18正极及负载电动机11汇接，电解电容C18负极接地。

在图7中，纵坐标V表示电压幅度，横坐标t表示时间。V1为漏电检测信号幅度，V2为直流供电电压幅度。主控制器ZK处在漏电检测状态时，供电线路6输出电压在V1状态，其电压的高低反映了漏电电阻的大小。主控制器ZK处在直流供电状态时，供电线路6输出电压在V2状态，即输出直流动力电。从图中的波形可以看出，漏电检测和直流供电是间断进行的，在漏电检测时同步开关ZK自动切除负载电动机11。因此采用这种漏电采样方式解决了一线一地直流供电系统不能实现漏电保护的这一难题。

当交流电源开关接通时，整流桥2和伺服电源4工作，CPU控制器1接通主电子开关3，直流电经主电子开关3送往供电线路6，同步器9通电接通副电子开关12，直流电经副电子开关12通过功率二极管13向功率补偿电容14充电并使负载电动机11通电运行。直流电供电时间经8毫秒后，CPU控制器1关断主电子开关3使供电线路6断电，同步器9断电使副电子开关12关断，此时CPU控制器1发出漏电检测信号通过高压硅堆5送往供电线路6。漏电检测信号时间经2毫秒后，CPU控制器1停止漏电检测信号的发送再次接通主电子开关3，供电线路6再次通电，同步器9再次使副电子开关12接通，直流电再次经副电子开关12到达负载电动机11。如此反复，实现供电线路6的漏电检测。当供电线路6中出现漏电时，漏电检测信号由高到低发生变化，CPU控制器1立即使主电子开关3始终保持关断，供电线路6断电使负载电动机11断电停止运行，从而实现漏电保护。

Claims

1.一种一线一地直流供电线路的漏电保护方法，其特征是CPU控制器接通主电子开关，直流电经主电子开关送往供电线路，同步器通电接通副电子开关，直流电再经副电子开关到达负载，直流电供电时间达到设定值后，CPU控制器关断主电子开关使供电线路断电，同步器断电使副电子开关关断，此时CPU控制器发出漏电检测信号通过高压硅堆送往供电线路，漏电检测信号时间达到设定值后，CPU控制器停止漏电检测信号的发送再次接通主电子开关，供电线路再次通电，同步器再次使副电子开关接通，直流电再次经副电子开关到达负载，如此反复，实现供电线路的漏电检测，供电时间与漏电检测信号时间为四比一；当供电线路中出现漏电时，漏电检测信号由高到低发生变化，CPU控制器立即使主电子开关始终保持关断，供电线路断电使负载断电停止运行，从而实现漏电保护。

2.根据权利要求1所述的一线一地直流供电线路的漏电保护方法，其特征是直流电供电时间设定值为8毫秒，漏电检测信号时间为2毫秒。

3.一种用于权利要求1的一线一地直流供电线路的漏电保护装置，其特征是该装置包括主控制器和同步开关，主控制器包括整流桥、伺服电源、CPU控制器、高压硅堆及主电子开关，CPU控制器的电源端与交流电源之间连接有伺服电源，CPU控制器的检测端与供电线路之间连接有高压硅堆，供电线路与整流桥之间连接有主电子开关，CPU控制器的控制端与主电子开关的控制端相连，供电线路与负载之间连接有同步开关。

4.根据权利要求3所述的一线一地直流供电线路的漏电保护装置，其特征是同步开关包括供电线路与隔离驱动器之间连接有同步器，供电线路与功率二极管正极之间连接有副电子开关，隔离驱动器的控制端与副电子开关的控制端相接，功率二极管负极、电解电容正极及负载汇接，电解电容负极接地。

5.根据权利要求3所述的一线一地直流供电线路的漏电保护装置，其特征是同步开关包括供电线路与变压器原边之间串接有双向二极管和阻容电路，可控硅阳极接供电线路，可控硅控制极与阴极之间接有变压器副边，可控硅阴极、电解电容正极及负载汇接，电解电容负极接地。

6.根据权利要求3所述的一线一地直流供电线路的漏电保护装置，其特征是CPU控制器包括一块单片机AT 89C2051，单片机AT 89C2051的P3.0脚与Vss脚之间接有起动按钮，单片机AT 89C2051的P3.1脚与Vss脚之间接有停止按钮，单片机AT 89C2051的P3.2脚与Vss脚之间接有复位按钮；单片机AT 89C2051的P3.7脚与Vss脚之间接有第三光电耦合器的接收端，该第三光电耦合器的发射端通过电阻接直流50V和高压硅堆正极；单片机AT 89C2051的P1.7脚与Vcc脚之间接有第二光电耦合器的发射端，该第二光电耦合器的接收端的下端接有第二三极管的基极，接收端的上端接第二三极管的集电极，第二三极管的集电极通过并联阻容电路接主电子开关控制极，第二三极管的发射极接-15V；单片机AT 89C2051的P1.6脚与Vcc脚之间接有第四光电耦合器的发射端，该第四光电耦合器的接收端的下端接有第三三极管的基极，接收端的上端接第三三极管的集电极和+15V，第三三极管的发射极通过并联阻容电路接主电子开关控制极。

7.根据权利要求4所述的一线一地直流供电线路的漏电保护装置，其特征是同步器包括第一光电耦合器发射端的上端通过串联的取样二极管和电阻接供电线路，第一光电耦合器发射端的下端接第一三极管的基极，第一光电耦合器接收端的上端为同步信号输出端，第一光电耦合器接收端的下端接第五直流输出端；保护二极管与变压器原边并联，保护二极管的负极接变压器原边的上端，保护二极管的正极接变压器原边的下端，并联后变压器原边上端通过并联的阻容电路接供电线路，变压器原边下端接第一三极管的集电极，第一三极管的发射极接地，变压器副边形成五个直流输出端。

8.根据权利要求4所述的一线一地直流供电线路的漏电保护装置，其特征是隔离驱动器包括一块单片机AT 89C2051，单片机AT 89C2051的P1.7脚与Vcc脚之间接有第五光电耦合器发射端，第五光电耦合器接收端的上端接同步器的正直流输出端和第四三极管的集电极，第五光电耦合器接收端的下端接第四三极管的基极，第四三极管的发射极通过并联的阻容电路接副电子开关控制极；单片机AT 89C2051的P1.6脚与Vcc脚之间接有第六光电耦合器的发射端，第六光电耦合器接收端的上端接第五三极管的集电极并通过并联的阻容电路接副电子开关控制极，第六光电耦合器接收端的下端接第五三极管的基极，第五三极管的发射极接同步器的负直流输出端。