CN100386934C - 智能漏电脱扣器 - Google Patents

Abstract

本发明属于低压漏电开关系列，具体涉及一种智能漏电脱扣器，包括有脱扣电源、信号采集放大回路和脱扣驱动电路，其特征是脱扣电源采用四个二极管，经过浪涌保护电路后的三相电源分别连接到第一二极管(D1)的正极，第二二极管(D2)的正极和第四二极管(D4)的负极，第三二极管(D3)的负极与第二二极管(D2)的正极相连，第一二极管(D1)的负极与第二二极管(D2)的负极相连，第三二极管(D3)的正极与第四二极管(D4)的正极相连，经四个二极管整流后，组成脱扣电源电路；信号采集放大电路的零序互感器断线检测电路由三个电阻、一个三极管和零序互感器(J6)组成；本发明可以精确地控制脱扣动作及脱扣动作时间，不受其它因素影响，一致性好。

Description

智能漏电脱扣器

技术领域

本发明属于低压漏电开关系列，具体涉及一种智能漏电脱扣器。

背景技术

在已有技术中，传统的漏电开关基本上是采用阻容方式，由并联在零序互感器上电阻将电流转换成电压信号，并经过二极管整流后，供给可控硅触发电路；可控硅触发电路为阻容连接方式；二极管整流后的电信号经过电阻向电容充电，当电容两端的电压达到一定值时，触发可控硅；驱动脱扣；其改变漏电保护电流大小的方法是修改并联在零序互感器两端的电阻；而改变脱扣时间则是调整可控硅触发电路的电阻与电容值，脱扣时间与电阻、电容的乘积成正比。上述技术存在有以下不足：脱扣保护动作电流及脱扣动作时间由阻容决定，受阻容影响大，精度低；无零序互感器及脱扣器断线检测，需要定期测试漏电开关工作是否正常；脱扣保护动作电流及脱扣动作时间不可调，不能根据现场需要调整脱扣保护动作电流及脱扣动作时间；无温度保护。

发明内容

本发明为克服上述不足，提供一种可以精确地控制脱扣动作电流及脱扣动作时间的智能漏电脱扣器。

实现本发明目的的技术方案是：智能漏电脱扣器，包括有脱扣电源、信号采集放大回路和脱扣驱动电路，其特征在于：所述的脱扣电源采用第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，经过浪涌保护电路后的三相电源分别连接到第一二极管的正极，第二二极管的正极和第四二极管的负极，第三二极管的负极与第二二极管的正极相连，第一二极管的负极与第二二极管的负极相连，第三二极管的正极与第四二极管的正极相连，经第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管整流后，组成脱扣电源电路：

脱扣电源中设有开关电源电路，由第五二极管、第七二极管、第十一二极管、第十三二极管，第六稳压管、第十七稳压管，第四电阻、第五电阻、第八电阻，第一电容、第二电容、第三电容、第五电容，第一三极管、第二场效应管和第五电感所组成；脱扣电源电路第一二极管的负极和脱扣电源电路第二二极管的负极分别与第七二极管的正极相连，经第七二极管的负极对第二电容充电，第二电容两端电压经第八电阻加于第二场效应管的控制极，使第二场效应管导通；脱扣电源电路的第一二极管的负极，第二二极管的负极分别与第二场效应管的漏极相连，经第二场效应管的源极后，连接第五电感后连接第三电容的正极，脱扣电源经过第二场效应管和第五电感对第三电容充电，同时，脱扣电源通过第四电阻与第五电阻分压后对第一电容充电；第一电容连接到第五二极管的正极，第五二极管的负极连接到第一三极管的基极，当第一电容上电压值超过1.4V时，第一电容通过第五二极管使第一三极管导通，由于第二场效应管的控制极与第一三极管的集电极相连接，第一三极管导通后，第二场效应管的控制极被第一三极管钳位到较低电压，迫使第二场效应管关断；从而使脱扣电源通过第二场效应管和第五电感对第三电容充电的回路切断；因为流经第五电感的电流不能突变；第十三二极管的正极与第三电容的负极连接后接电源公共端，第十三二极管的负极接第五电感的一端，第五电感的另一端接第三电容的正极；第十三二极管与第三电容又构成第五电感的续流回路，第五电感再次对第三电容充电，从而完成一个完整的充电过程；第六二极管的负极与第一三极管的集电极相连，正极与第一三极管的发射极相连后接电源的公共端，第十一二极管的正极与第二场效应管的控制极以及第一三极管的集电极相连，第十一二极管的负极接第十七稳压管的负极，第十七稳压管的正极接第二场效应管的源极；第六稳压管、第十一稳压管、第十七稳压管为保护元件，第六稳压管用于钳位第一三极管的集电极电压，确保第一三极管不会因为过压而击穿；同时，在第一三极管的控制回路失效时，第六稳压管与第二场效应管仍能构成一个线性稳压电源，不至于使后级电路部分瞬间被高压损坏；第十一二极管与第十七稳压管用于保护第二场效应管，使第二场效应管的控制极与源极GS端电压钳位在一允许值；

所述的信号采集放大回路的零序互感器断线检测电路由第四十四电阻、第四十五电阻、第四十六电阻、第四三极管和零序互感器组成；信号采集放大回路第四十四电阻与零序互感器并联后，再与第四十五电阻串联，接于第四三极管的集电极上；当需要检测时，驱动信号通过第四十六电阻加到第四三极管的基极，第四三极管导通；第四三极管的集电极接地；第四十四电阻、零序互感器及第四十五电阻对直流偏置电压VREF分压；当零序互感器正常时，由于零序互感器的直流电阻小，与第四十四电阻并联后，第四十四电阻分得的电压信号较低；当零序互感器断线时，仅由第四十四电阻与第四十五电阻分压；第四十四电阻分得的电压信号较高；第四十四电阻两端的电压信号经放大后，由A/D回路读入判断；电压值较低时，零序互感器正常，反之断线；

所述的脱扣驱动电路的脱扣器断线及缺相检测电路由脱扣器第十四电阻、第十五电阻及第十二稳压管组成；当脱扣器断线时，引入电源信号的回路被切断，检测信号通过第十五电阻接地，无电压值；而缺相检测则是利用图所示波形的占空比，在正常三相供电的情况下，第一时间与第二时间的占空比为5∶1(t1/t2＝5)；而当发生缺相时，第一时间与第二时间的占空比为1∶1(t1/t2＝1)；利用不同的占空比，即可判断是否发生缺相；因此，当检测信号无电压值时，发生脱扣器断线，而当检测信号的占空比为1∶1时，即为缺相。

本发明的工作原理是：由零序互感器采集漏电电流信号，经放大后，送入CPU内部AD采集，并由CPU判断电流大小，并按照设定的保护电流及保护动作时间进行保护，保护时由CPU发出脱扣指令，经脱扣驱动部分后，控制脱扣器脱扣，同时CPU也实时检测脱扣器断线，缺相，零序互感器断线等状态，并用指示灯输出的方式显示检测到的状态。

本发明的优点是：采用工业级微控制器，可以精确地控制脱扣动作及脱扣动作时间，不受其它因素影响，一致性好；具有脱扣器及零序互感器断线检测；脱扣保护动作电流及脱扣动作时间可分级调节，能根据现场需要调整脱扣保护动作电流及脱扣动作时间；内部集成了温度传感器，具有超温保护功能；具有电压缺相保护功能，并可配置为缺相脱扣保护；配备状态指示灯，可以指示漏电电流半电流，脱扣器断线、零序互感器断线、以及缺相等状态，脱扣器状态一目了然，无需定期测试；电源为50HZ开关电源，可单相、三相工作，工作电压范围宽，从50-420V范围均能工作，且体积小。

附图说明

图1本发明的工作原理图

图2本发明的电路结构方框图

图3为整流后的三相电源波形

图4为缺相时整流后的电源波形

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明，如图1和图2所示，智能漏电脱扣器，包括有脱扣电源、信号采集放大回路和脱扣驱动电路，脱扣电源采用二极管D1、D2、D3、D4，经过浪涌保护电路后的三相电源分别连接到二极管D1的正极，二极管D2的正极和二极管D4的负极，二极管D3的负极与二极管D2的正极相连，二极管D1的负极与二极管D2的负极相连，二极管D3的正极与二极管D4的正极相连，经二极管D1、D2、D3、D4整流后组成脱扣电源电路，脱扣电源波形如图3所示；脱扣电源中设有开关电源电路，由二极管D5、二极管D7、二极管D11、二极管D13，稳压管D6、稳压管D17，电阻R4、R5、R8，电容C1、C2、C3、C5，三极管Q1、场效应管Q2、电感L5所组成，脱扣电源电路二极管D1的负极和二极管D2的负极分别与二极管D7的正极相连，经二极管D7的负极对电容C2充电，电容C2两端电压经电阻R8加于场效应管Q2的控制极，使场效应管Q2导通；脱扣电源电路的二极管D1的负极和二极管D2的负极分别与场效应管Q2的漏极相连，经场效应管Q2的源极后，连接电感L5后连接电容C3的正极，脱扣电源经过场效应管Q2，电感L5对电容C3充电，同时，脱扣电源通过电阻R4与电阻R5分压后对电容C1充电；电容C1连接到二极管D5的正极，二极管D5的负极连接到三极管Q1的基极，当电容C1上电压值超过1.4V时，电容C1通过二极管D5使三极管Q1导通，由于场效应Q2的控制极与三极管Q1的集电极相连接，三极管Q1导通后，场效应管Q2的控制极被三极管Q1钳位到较低电压，迫使场效应管Q2关断；从而使脱扣电源通过场效应管Q2电感L5对电容C3充电的回路切断；因为流经电感L5的电流不能突变；二极管D13的正极与电容C3的负极连接后接电源公共端，二极管D13的负极接电感L5的一端，电感L5的另一端接电容C3的正极；二极管D13与电容C3又构成电感L5的续流回路，电感L5再次对电容C3充电，从而完成一个完整的充电过程；稳压管D6的负极与三级管Q1的集电极相连，稳压管D6的正极与三极管Q1的发射极相连后接电源的公共端，二极管D11的正极与场效应管Q2的控制极三极管Q1的集电极相连，二极管D11的负极接稳压管D17的负极，稳压管D17的正极接场效应管Q2的源极；稳压管D6、二极管D11、稳压管D17为保护元件，稳压管D6用于钳位三极管Q1的集电极电压，确保三极管Q1不会因为过压而击穿；同时，在三极管Q1的控制回路失效时，稳压管D6与场效应管Q2仍能构成一个线性稳压电源，不至于使后级电路部分瞬间被高压损坏；二极管D11与D17用于保护场效应管Q2，使场效应管Q2的控制极与极源GS端电压钳位在一允许值。信号采集放大回路的零序互感器断线检测电路由电阻R44、R45、R46、三极管Q4和零序互感器J6组成；信号采集放大回路电阻R44与零序互感器J6并联后，再与电阻R45串联，接于三极管Q4的集电极上；当需要检测时，驱动信号通过电阻R46加到三极管Q4的基极，三极管Q4导通；三极管Q4的集电极接地；电阻R44、零序互感器J6及电阻R45对直流偏置电压VREF分压；当零序互感器J6正常时，由于零序互感器J6的直流电阻小，与电阻R44并联后，电阻R44分得的电压信号较低；当零序互感器J6断线时，仅由电阻R44与电阻R45分压；电阻R44分得的电压信号较高；电阻R44两端的电压信号经放大后，由A/D回路读入判断；电压值较低时，零序互感器J6正常，反之断线。脱扣驱动的脱扣器断线及缺相检测电路由脱扣器J2电阻R14、R15及稳压管D12组成；当脱扣器J2断线时，引入电源信号的回路被切断，检测信号通过电阻R15接地，无电压值；而缺相检测则是利用图3、图4所示波形的占空比，在正常三相供电的情况下，脱扣电源波形如图4所示：第一时间t1与第二时间t2的占空比为5∶1(t1/t2＝5)；而当发生缺相时，第一时间t1与第二时间t2的占空比为1∶1(t1/t2＝1)；利用不同的占空比，即可判断是否发生缺相；因此，当检测信号无电压值时，发生脱扣器J2断线，而当检测信号的占空比为1∶1时，即为缺相。工作过程为：三相50Hz电源经过二极管D1、D2、D3、D4整流后，对电容C2充电，电容C2两端电压上升；场效应管Q2导通，电源通过场效应管Q2对C3充电。当电源电压上升到一定值时，三极管Q1导通，场效应管Q2截止。完成一个充电过程。经过线性稳压后，向MCU及信号采集回路提供电源。零序电流信号从零序互感器J6引入，并在电阻R44两端形成电压，并在加入直流分量VREF后，送入U6-B及U6-C放大。U6-B及U6-C分别对应着不同的量程，放大后的信号送入到MCU中的AD采集模块，进行处理。当无漏电电流信号时，需要判断零序互感器J6是否断线，采用的方法是：通过电阻R46加入信号使三极管Q4导通，如果零序互感器J6正常，电阻R44两端电压为电阻R44与零序互感器J6并联后的电阻与电阻R45分压。由于零序互感器J6直流电阻小，所以分得的电压相对较小。当零序互感器J6断开时，则是电阻R44与电阻R45分压，分得的电压较高，电阻R44上的电压信号经放大后送入到MCU处理。MCU就可以根据电压信号的高低判断零序互感器J6是否断线。MCU内部集成了温度传感器及AD模块，温度信号及电流信号经AD模块转换成数字信号后，由MCU处理。MCU根据当前的温度及电流值进行保护，其中保护动作电流及保护动作时间由整定部分确定。MCU在检测到脱扣器J2断线、零序互感器J6断线、缺相、漏电电流半电流时，输出相应的状态指示，另外，当电阻R27无效时，检测到缺相会产生脱扣保护动作。脱扣动作电流及脱扣动作时间整定输入接口设定MCU的脱扣动作时间及保护电流，并为外部提供脱扣器J2的状态指示。MCU产生的脱扣信号经电阻R11使三极管Q3导通后，接于脱扣器J2上，脱扣器J2动作，产生脱扣动作。切断电源。脱扣器J2断线及缺相检测信号从电阻R14与电阻R15中间点采集，正常三相供电时，电阻R14与电阻R15中间点的信号占空比达到5/6，如图3所示；缺相时，占空比为1/2，如图4所示；如果脱扣器J2断线，则无信号。MCU根据占空比及信号的有无就可以判断出当前的状态。MCU通过指示灯将零序互感器J6断线、缺相、脱扣器J2断线等内部状态显示出来。

实施例2：当电源为缺相方式时，其工作方式为单相电源供电。工作过程同上。

Claims (1)

1.智能漏电脱扣器，包括有脱扣电源、信号采集放大回路和脱扣驱动电路，其特征在于：所述的脱扣电源采用第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)，经过浪涌保护电路后的三相电源分别连接到第一二极管(D1)的正极，第二二极管(D2)的正极和第四二二极管(D4)的负极，第三二极管(D3)的负极与第二二极管(D2)的正极相连，第一二极管(D1)的负极与第二二极管(D2)的负极相连，第三二极管(D3)的正极与第四二极管(D4)的正极相连，经第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)整流后，组成脱扣电源电路：

脱扣电源中设有开关电源电路，由第五二极管(D5)、第七二极管(D7)、第十一二极管(D11)、第十三二极管(D13)，第六稳压管(D6)、第十七稳压管(D17)，第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第八电阻(R8)，第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第五电容(C5)，第一三极管(Q1)、第二场效应管(Q2)和第五电感(L5)所组成；脱扣电源电路第一二极管(D1)的负极和脱扣电源电路第二二极管(D2)的负极分别与第七二极管(D7)的正极相连，经第七二极管(D7)的负极对第二电容(C2)充电，第二电容(C2)两端电压经第八电阻(R8)加于第二场效应管(Q2)的控制极，使第二场效应管(Q2)导通；脱扣电源电路的第一二极管(D1)的负极，第二二极管(D2)的负极分别与第二场效应管(Q2)的漏极相连，经第二场效应管(Q2)的源极后，连接第五电感(L5)后连接第三电容(C3)的正极，脱扣电源经过第二场效应管(Q2)和第五电感(L5)对第三电容(C3)充电，同时，脱扣电源通过第四电阻(R4)与第五电阻(R5)分压后对第一电容(C1)充电；第一电容(C1)连接到第五二极管(D5)的正极，第五二极管(D5)的负极连接到第一三极管(Q1)的基极，当第一电容(C1)上电压值超过1.4V时，第一电容(C1)通过第五二极管(D5)使第一三极管(Q1)导通，由于第二场效应管(Q2)的控制极与第一三极管(Q1)的集电极相连接，第一三极管(Q1)导通后，第二场效应管(Q2)的控制极被第一三极管(Q1)钳位到较低电压，迫使第二场效应管(Q2)关断；从而使脱扣电源通过第二场效应管(Q2)和第五电感(L5)对第三电容(C3)充电的回路切断；因为流经第五电感(L5)的电流不能突变；第十三二极管(D13)的正极与第三电容(C3)的负极连接后接电源公共端，第十三二极管(D13)的负极接第五电感(L5)的一端，第五电感(L5)的另一端接第三电容(C3)的正极；第十三二极管(D13)与第三电容(C3)又构成第五电感(L5)的续流回路，第五电感(L5)再次对第三电容(C3)充电，从而完成一个完整的充电过程；第六二极管(D6)的负极与第一三极管(Q1)的集电极相连，正极与第一三极管(Q1)的发射极相连后接电源的公共端，第十一二极管(D11)的正极与第二场效应管(Q2)的控制极以及第一三极管(Q1)的集电极相连，第十一二极管(D11)的负极接第十七稳压管(D17)的负极，第十七稳压管(D17)的正极接场效应管的源极；第六稳压管(D6)、第十一稳压管(D11)、第十七稳压管(D17)为保护元件，第六稳压管(D6)用于钳位第一三极管(Q1)的集电极电压，确保第一三极管(Q1)不会因为过压而击穿；同时，在第一三极管(Q1)的控制回路失效时，第六稳压管(D6)与第二场效应管(Q2)仍能构成一个线性稳压电源，不至于使后级电路部分瞬间被高压损坏；第十一二极管(D11)与第十七稳压管(D17)用于保护第二场效应管(Q2)，使第二场效应管(Q2)的控制极与源极(GS)端电压钳位在一允许值；

所述的信号采集放大回路的零序互感器断线检测电路由第四十四电阻(R44)、第四十五电阻(R45)、第四十六电阻(R46)、第四三极管(Q4)和零序互感器(J6)组成；信号采集放大回路第四十四电阻(R44)与零序互感器(J6)并联后，再与第四十五电阻(R45)串联，接于第四三极管(Q4)的集电极上；当需要检测时，驱动信号通过第四十六电阻(R46)加到第四三极管(Q4)的基极，第四三极管(Q4)导通；第四三极管(Q4)的集电极接地；第四十四电阻(R44)、零序互感器(J6)及第四十五电阻(R45)对直流偏置电压(VREF)分压；当零序互感器(J6)正常时，由于零序互感器(J6)的直流电阻小，与第四十四电阻(R44)并联后，第四十四电阻(R44)分得的电压信号较低；当零序互感器(J6)断线时，仅由第四十四电阻(R44)与第四十五电阻(R45)分压；第四十四电阻(R44)分得的电压信号较高；第四十四电阻(R44))两端的电压信号经放大后，由A/D回路读入判断；电压值较低时，零序互感器(J6)正常，反之断线；

所述的脱扣驱动电路的脱扣器断线及缺相检测电路由脱扣器(J2)第十四电阻(R14)、第十五电阻(R15)及第十二稳压管(D12)组成；当脱扣器断线时，引入电源信号的回路被切断，检测信号通过第十五电阻(R15)接地，无电压值；而缺相检测则是利用图所示波形的占空比，在正常三相供电的情况下，第一时间(t1)与第二时间(t2)的占空比为5∶1；而当发生缺相时，第一时间(t 1)与第二时间(t2)的占空比为1∶1；利用不同的占空比，即可判断是否发生缺相；因此，当检测信号无电压值时，发生脱扣器断线，而当检测信号的占空比为1∶1时，即为缺相。

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