CN100547712C - 漏电断路器 - Google Patents

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Abstract

漏电断路器包括：零相电流互感器(3)，检测多相交流电路(1)的漏电电流；漏电检测电路(4)；跳闸装置(5)，依漏电检测电路(4)的输出信号断开交流电路(1)触点；测试电路(6)，通过导通测试开关(6a)馈送模拟漏电的测试电流(It)；滤波和放大单元(10)，设置在零相电流互感器(3)和漏电检测电路(4)间，包括作为放大元件的运算放大器(10a)，以对应于灵敏度设置单元(11)的设定值的放大级别放大零相电流互感器(3)次级侧输出电流(Is)。在漏电断路器中，包括运算放大器(10a)的有源滤波电路包含在滤波和放大单元(10)中。测试时有源滤波电路从低通滤波电路切换到带通电路以去除造成测试故障的噪音和偏移成分。

Description

漏电断路器
技术领域
本发明涉及一种用来检测发生在配电系统中的漏电的漏电断路器，从而在漏电事故发生之前进行预防，具体涉及一种设置有确定漏电跳闸功能工作的测试电路的漏电断路器。
背景技术
众所周知，漏电断路器设置有用以确定漏电跳闸功能工作的测试电路(例如参见专利文件1)。图4是专利文件1中公开的电路的方框图，该图示出了所述设置有测试电路的相关漏电断路器的示例电路。
在图4中，附图标记1，2和3分别表示三相交流(AC)电路，切换AC电路1的主电路开关触点装置，以及通过将AC电路1作为主绕组来检测AC电路1中的漏电电流的零相电流互感器。附图标记4，5和6分别表示漏电检测电路，跳闸线圈(跳闸单元)和测试电路。漏电检测电路4通过零相电流互感器3的漏电检测绕组(副绕组)3a的输出电流来辨别在AC电路1中是否发生漏电，并在检测出漏电发生时输出跳闸信号。跳闸线圈5通过漏电检测电路4的输出信号使主电路开关触点装置打开。测试电路6对漏电跳闸功能的操作进行检查。附图标记7，8和9分别表示AC电源，连接到AC电路1的负载和通过对AC电路1的相间电压整流而为漏电检测电路4供电的电源电路。
这里，测试电路6包括用来调整测试电路6中流动的测试电流幅值的限流电阻6a和按钮式测试开关6b。此外，测试电路6通过测试绕组3b连接在三相AC电路1的两相之间，测试绕组3b与零相电流互感器3的漏电检测绕组3a电磁耦合。漏电检测电路4被设置成使得通过连接在三相AC电路1的两相之间的电源电路(整流电路)9为其供电。
众所周知，在上述设置当中，当由于在AC电路的负载8侧发生漏电(接地故障事故或泄漏电流)而造成不均衡电流流过零相电流互感器3的主电路时，该电流被零相电流互感器3检测为漏电电流。零相电流互感器3的次级侧输出从漏电检测绕组3a输入到漏电检测电路4。当漏电检测电路4检测到的漏电电流超过预设的阈值(额定感应电流的阈值)时，漏电检测电路4生成应用到跳闸线圈5的输出信号。在所应用信号的基础上，跳闸线圈5切断切换机构，从而打开主电路开关触点装置2，这样，AC电路1被断开从而保护负载8避免其漏电。
在进行漏电断路器的操作测试时，测试电路6的按钮式测试开关6b在主电路开关触点装置2导通时被操作导通。这就允许测试电流(漏电模拟电流)It模拟从AC电路1通过限流电阻6a馈送给缠绕于零相电流互感器3的测试绕组3b的漏电。类似于漏电电流流过AC电路1的情况，这使得零相电流互感器3产生次级侧输出，由此输出电流Is从漏电检测绕组3a供给漏电检测电路4。在此基础上，漏电检测电路4输出跳闸信号切断主电路开关触点装置2，从而切断AC电路1。通过进行该测试，可以检查包括零相电流互感器3，漏电检测电路4和跳闸线圈5的跳闸机构功能是否正常工作。
然而，有一种趋势要求漏电断路器提供更高的保护功能。在国际标准(IEC)当中，要求漏电断路器能够执行断相保护的功能。从这个角度来看，在具有相关配置的图4所示的漏电断路器中，在三相AC电路1处于稳定状态的情况下可正常进行漏电断路测试。但是，当在与测试电路6和漏电检测电路4连接的三相AC电路1的导线的相位中存在断相时，或当产生具有等于或小于额定感应电流电平的低电平的负相位泄漏电流时，就会出现无法执行正常漏电测试的问题。
因此，作为解决上述问题的办法，发明人以前在日本专利申请公开号JP-2006-302601中提出了一种漏电断路器。在所提出的这种断路器中，采用从三相AC电路的所有相位为之供电的电源电路作为测试电路和漏电检测电路的电源。此外，在测试电路中，还提供了振荡电路。振荡电路产生一种频率不同于电源频率的测试电流，以便即使在发生断相或在AC电路1(具有电源频率)中产生等于或小于额定感应电流的漏电电流时测试仍然能够适当地进行。下面，参考图5和图6对漏电断路器的电路配置和功能进行解释，其中图5是示出该电路的方框图，图6是示出图5所示电源电路和测试电路的详细情况的电路图。
即，在图5和图6所示的电路配置当中，电源电路9包括与三相AC电路1的所有相位的线路连接的三相全波整流电路9a，常压电源电路9b和滤波电容器(电容器)9c。通过电源电路9，提供电源给漏电检测电路4和测试电路6。在测试电路6中，按钮式测试开关6a和振荡电路6b相结合。进行测试的时候，振荡电路6b产生频带不同于电源频率(50Hz或60Hz)的测试电流It。测试电流It提供给零相电流互感器3的测试绕组3b进行测试。通过采用上述配置的电源电路9和测试电路6，即使三相AC电路1中的一相发生断相，或者出现等于或小于额定感应电流的微小漏电电流时，漏电测试仍然可以正常执行。
利用所提出的漏电断路器(图5和图6)，虽然漏电测试的可靠性相比图4中所示的相关漏电断路器有所改进，但是在实用方面依然有待解决下面的问题。在通用漏电断路器中，设置有灵敏度设置单元以便根据用户方的情况，例如保护的目的和配电系统的保护对地电阻的大小，选择和设置额定感应电流的幅值。灵敏度设置单元安装有多个阻值不同的检测电阻器，每个检测电阻器都与零相电流互感器3的副绕组相连，从而将其次级侧输出电流变换成与其阻值相对应的电压。根据设定的额定感应电流的幅值对检测电阻器的连接进行切换，以便选择合适的检测电阻器。
另外，在上述漏电断路器的测试操作中，测试电流It必须以与零相电流互感器3次级侧设置的灵敏度(通常，在最小感应电流与最大感应电流之间具有十倍量级的差异)对应的幅值通过测试电路6提供给测试绕组3b。但是，在图4和图5所示的电路配置中，测试电流It的幅值根据电源电路的供电能力而限制在某一常量值。因此，在进行测试时，如果将漏电检测灵敏度设置为例如是零相电流互感器3次级侧的最小灵敏度，就会出现如下问题。这个问题即是，由零相电流互感器3次级侧馈送到漏电检测电路4的输出电路Is量级不足(太小)以至小于漏电检测电路4设置的阈值，这妨碍了漏电测试功能的正常操作。
发明内容
因此，发明人进一步提出了以下的正在进行商业化开发的系统。在该系统中，零相电流互感器的次级侧和漏电检测电路之间设置有放大单元。放大单元的电源电路作为该单元的电源，并且在测试开关的导通操作时，对从零相电流互感器向漏电检测电路馈送的次级侧输出电流的放大进行控制。通过执行控制以便对次级侧输出电流按照这个放大等级进行放大，从而使次级侧输出电流的幅值成为与设定的漏电检测灵敏度相对应的幅值。例如，即使选择和使用的漏电断路器的漏电检测灵敏度很低，漏电测试都可以正常进行。
图7是示出了相关漏电电流断路器的电路的示例电路图，其中图6所示的零相电流互感器次级侧的电路额外设置有上述放大单元。在图7所示的电路中，在零相电流互感器3的次级侧电路中，额外新设置了滤波和放大单元10，其包括工作放大器10a作为放大元件。在执行漏电测试时，滤波和放大单元10的放大级别(增益)可变地调节到与灵敏度设定单元11(在用户一侧选择和设定额定感应电流的幅值)所选择和设置的灵敏度对应的放大级别。当测试开关6被操作导通时，从漏电检测绕组3a输出的输出电流Is在后面的阶段通过后面描述的滤波和放大单元10中的放大器馈入漏电检测电路4。
这里，在滤波和放大单元10中，形成有倒相放大器，它装配成有源滤波电路(一种多回路反馈型的低通滤波器)，具有运算放大器10a设置作为放大元件。对于装配成有源滤波电路的倒相放大器，在倒相输入端子和工作放大器10a的反馈电路中，外加有作为无源滤波元件(一种依赖频率的阻抗)的电阻R1到R3和电容C。利用倒相放大器，再结合调整放大级别的输入电阻R9到R11和有选择地切换输入电阻R9到R11的连接的模拟开关10b，形成了滤波和放大单元10。此外，通过接收测试开关6a的导通操作供给的控制信号，模拟开关10b变为有效状态。同时，模拟开关10b从输入电阻R9到R11中选择电阻与灵敏度设置单元设定的灵敏度对应的一个电阻，并将选定的输入电阻连接到运算放大器10a。
接下来，对具有上述电路设置的漏电测试操作进行解释。
(1)测试开关断开(非测试状态)
在该状态，测试电路6中的振荡电路6b处于停止状态，其中滤波和放大单元10中的模拟开关10b处于无效状态，输入电阻R9到R11当中没有一个是连接到电路的。因此，放大器的放大级别A表示为A＝R2/R1。
(2)测试开关导通(测试状态)
漏电测试当中测试开关6a的导通操作使测试电流It从振荡电路6b馈送到零相电流互感器3的测试绕组3b。与此同时，滤波和放大单元10中的模拟开关10b变为有效的，同时，从输入电阻R9到R11中选出阻值与灵敏度设置单元11设定的灵敏度相对应的输入电阻与电阻R1并联。这使得放大器(运算放大器10a)的放大级别A为：A＝R2×(R1+Rx)/(R1×Rx)，其中所选电阻的阻值设为Rx。这里，根据漏电检测灵敏度的每个设定值适当地确定每个输入电阻R9到R11的阻值。因此，通过滤波和放大单元10从零相电流互感器3的次级侧输入到漏电检测电路4的电流Is可以放大为超过预先在漏电检测电路4中设置的阈值的值。这使得例如即使选择的漏电断路器的漏电检测灵敏度为最低，测试都可以正常进行。此外，通过使用频率特性被设置为与测试电流匹配的运算放大器10a，装配出有源低通滤波器。这防止了运算放大器10a中产生的噪声(其频率范围比测试电流的频率高)在后面的阶段中输入到漏电检测电路4中，并防止噪声与运算放大器10a的输出重叠，且防止由于噪声变成错误输入而造成漏电检测电路4的误操作。
[专利文件1]JP-A2003-45312(图1)
[发明内容]
[发明解决的问题]
然而，图7所示的电路设置在保证测试的操作可靠性方面仍然存在下面的问题。即，作为滤波和放大单元10中的放大元件的运算放大器10a具有产生偏移电压(一种直流(DC)成分)的问题。对于该偏移电压，图7所示的电路的有源滤波器能够在高频带中消除噪声，但是不能去除DC成分的偏移电压，从而使该成分与运算放大器10a的输出重叠。因此，当进行漏电测试时，随着滤波和放大单元10的放大级别增大，即使没有提供模拟漏电的测试电流，以较高放大级别被放大的偏移电压也可能变为造成漏电检测电路4误操作的错误输入。这有可能导致漏电检测电路的错误跳闸动作，结果降低了测试操作的可靠性。
本发明根据上述内容提出，目的是提供一种漏电断路器，以便解决该问题，从而改进本测试的可靠性。为了解决该问题，基于图7所示的电路设置，装配有插入零相电流互感器次级侧的运算放大器的有源滤波器被改进为允许滤波器的频率特性按照断路器是否在测试而进行改变。
[解决问题的方式]
为了达到这一目标，根据本发明的漏电断路器包括：用于打开和关闭交流电路的开关触点装置；用于检测交流电路中的漏电电流的零相电流互感器，零相电流互感器中包括测试绕组，模拟漏电电流被馈送给该测试绕组；与零相电流互感器的次级侧相连的漏电检测灵敏度设置单元，用于设置漏电检测灵敏度；漏电检测电路，根据零相电流互感器的次级侧输出来判断交流电路中是否存在漏电，并在发生漏电时输出信号；跳闸单元，通过接收漏电检测电路的输出信号打开开关触点装置；设置有振荡电路和测试开关的测试电路，该振荡电路产生频率设置为不同于电源频率的模拟漏电电流，测试开关在导通时将模拟漏电电流馈送给零相电流互感器的测试绕组；和放大单元，其设置在零相电流互感器的次级侧和漏电检测电路之间，并具有有源滤波电路，该有源滤波电路包括作为放大元件而设置的运算放大器，并在其外部附加有无源滤波元件，该放大单元对从零相电流互感器的次级侧馈送给漏电检测电路的输出电流进行放大，使得其幅值对应于设定的漏电检测灵敏度。在该漏电断路器中，放大单元设置有滤波电路切换单元，其使得有源滤波电路在正常形成的低通滤波电路和测试中形成的带通滤波电路之间切换。该断路器以如下方式实现：
(1)有源滤波电路是通过将运算放大器和低通滤波元件、带通滤波元件、以及滤波电路切换单元组合而形成的，带通滤波元件与低通滤波元件一起形成带通滤波电路，滤波电路切换单元将带通滤波元件连接到低通滤波元件以形成带通滤波电路。
(2)在第(1)项中的断路器，提供了两个组合，每个组合包括带通滤波元件和将带通滤波元件连接到低通滤波元件的滤波电路切换单元，以在低通滤波电路和带通滤波电路之间切换有源滤波电路。
[本发明的优点]
该设置的有效性如下：
(1)通过将包括在滤波和放大单元中的有源滤波电路从低通滤波电路切换到带通滤波电路，消除了高频范围中的噪声成分和低频范围中的偏移成分。因此，只有频率范围与测试电流的频率范围相对应的信号才能允许通过有源滤波电路，并在后续阶段输出至漏电检测电路。这样，即使进行测试时增大放大级别，也可避免漏电检测电路由于噪声和偏移电压而产生误操作，从而进一步改进了测试操作的可靠性。
(2)此外，通过设置两个组合形成带通滤波电路，其中每个组合包括与运算放大器的输入侧连接的带通滤波元件和连接带通滤波元件与低通滤波元件的开关。这样可以扩展带通滤波器的通带宽度。因此，可以轻易地实现设计可靠的滤波电路，其可以防止测试电流频率变化的容许值小于目标值，上述频率变化是由于电路元件的特性变化或温度变化产生的。
附图说明
图1示出依照本发明第一实施例的漏电断路器的主要电路配置的电路图；
图2示出图1所示的滤波和放大单元中包含的有源滤波电路的详细电路图；
图3示出依照本发明第二实施例的滤波和放大单元中包含的有源滤波电路的详细电路图；
图4示出设置有测试电路的相关漏电断路器的电路实例的方框图；
图5示出设置有测试电路的相关漏电断路器的电路的另一实例的方框图；
图6示出图5所示的电源电路和测试电路的详细电路图；
图7进一步示出相关漏电断路器电路的另一实例的电路图，其中图6所示的零相电流互感器次级侧的电路附加设置有放大单元。
[附图标记和符号说明]
1     三相交流电路
2     主电路开关触点装置
3     零相电流互感器
3a    漏电检测绕组
3b    测试绕组
4     漏电检测电路
5     跳闸线圈(跳闸装置)
6     测试电路
6a    测试开关
6b    振荡电路
9     电源电路
10    滤波和放大电路
10a   运算放大器
10b   模拟开关
11    灵敏度设置单元
具体实施方式
下面将基于附图中示出的例子来解释本发明的实施例。在示出每个实例的附图中，与图7中的元件对应的元件用同一附图标记和符号表示，在此省略其说明。
[第一实施例]
图1和图2示出了本发明的第一实施例。图1是示出了依照本发明第一实施例的漏电断路器的主要电路配置的电路图。图2是示出了包括在图1所示的滤波和放大单元中的有源滤波电路的详细电路图。为了简化附图，省略了图7所示的调整放大级别的输入电阻。
在图2中，在具有作为放大元件的运算放大器10a的滤波和放大单元10的电路中，形成有多回路反馈型低通滤波器。在该多回路反馈型低通滤波器中，运算放大器10a的外部附加有电阻R1到R3以及电容C1和C2作为低通滤波元件。除此之外，在运算放大器10a的倒相输入端子一侧，电阻R4、电容C3和模拟开关10b串联，然后与电阻R1并联布置。电阻R4和电容C3是带通滤波元件，模拟开关10b在闭合时将带通滤波元件连接到低通滤波元件。因此，在进行测试时，带通滤波元件和低通滤波元件组合形成带通滤波电路。模拟开关10b像图7所示的电路一样与测试开关6a相连，从而在测试开关6a被操作导通时变为有效状态以将带通滤波元件连接到低通滤波元件。在不进行测试时，模拟开关10b置于关断状态，以从带通滤波电路中断开带通滤波元件。
接下来，对电路处于测试和非测试状态的各自频率特性进行解释。
(1)测试开关断开(非测试状态)
在该状态，测试电路6中的振荡电路6b工作，滤波和放大单元10中的模拟开关10b无效，其触点断开。因此，装配有运算放大器10a的有源滤波器作为低通滤波器，避免了高频带中的噪声成分与运算放大器10a的输出重叠，使得能够以优良的漏电检测特性执行AC电路的漏电保护。
(2)测试开关导通(测试状态)
如对图7所示电路的解释，漏电测试时测试开关6a的导通操作使滤波和放大单元10的放大级别调整为与灵敏度设置单元11设定的灵敏度相对应的放大级别。在该状态，零相电流互感器3的次级侧输出被输入到漏电检测电路4。同时，所示的模拟开关10b置于有效状态(触点导通)以将带通滤波元件(电阻R4和电容C3)连接到低通滤波元件(电阻R1到R3以及电容C1和C3)。这样，有源滤波电路从低通滤波电路变成带通滤波电路，其通带作为与从振荡电路6b馈送的测试电流It的频率范围对应的频带。因此，频率范围高于测试电流It的频率范围的噪声成分和低频范围中的偏移成分都被消除。即使在进行测试时增加放大级别，这也可避免漏电检测电路4由于运算放大器10a中产生偏移电压而出现错误信号从而导致误操作，使得测试操作仍然可以正常进行。
[第二实施例]
图3中示出依照本发明第二实施例的滤波和放大单元中包含的有源滤波电路的详图。该实施例对应于要求3。在该实施例中，进一步改进了前述第一实施例的电路，以加强漏电断路器的产品可靠性。在改进电路中，扩展了带通滤波器的通带宽度，以防止测试频率变化的容许值小于目标值，上述变化是由于电路元件的特性变化或温度变化产生的。图3所示的电路配置中提供了两个组合，每个组合包括带通滤波元件和如图2所示在测试时连接带通滤波元件与低通滤波元件的模拟开关。如下所述，两个组合连接到运算放大器10a的倒相输入端子一侧。
即，在图3示出的电路中，电容C3、电阻R4和模拟开关10b串联，然后与连接到运算放大器10a的倒相输入端子的电阻R1并联。与此同时，电容C4、电阻R5和另一个模拟开关10b串联，然后与连接到运算放大器10a的倒相输入端子的电阻R3并联。当执行测试时，通过模拟开关10b的导通操作，有源滤波电路从低通滤波电路切换为带通滤波电路。
在上述设置的滤波和放大单元10的电路中，可以确定，与图2中示出的滤波和放大电路(单点切换系统)的宽度相比，带通滤波器的通带宽度被扩展得更宽，从而可以获得一个设计余量，使得对于测试频率变化的容许值增加到目标值的1.8倍。这是根据测试电路6中的振荡电路6b产生的测试电流It的频率(中间频率)适当选择电容C3和C4的电容值的结果。另外，在发明人对实际断路器进行的验证测试中，确定在没有馈送测试电流的情况下不会出现误操作，使得在进行漏电测试时，不论漏电检测灵敏度的设置如何，都可以正常进行漏电测试。

Claims (3)

1.一种漏电断路器，其特征在于包括：
打开和闭合交流电路的开关触点装置；
零相电流互感器，检测所述交流电路中的漏电电流，所述零相电流互感器具有测试绕组，模拟漏电电流被馈入所述测试绕组；
漏电检测灵敏度设置装置，其连接到所述零相电流互感器的次级侧，用来设置漏电检测灵敏度；
漏电检测电路，其根据所述零相电流互感器的次级侧输出，判断所述交流电路中是否存在漏电，并在发生漏电时输出信号；
跳闸装置，其通过接收所述漏电检测电路的输出信号，使所述开关触点装置断开；
测试电路，其设置有振荡电路和测试开关，所述振荡电路产生频率设置为不同于电源频率的所述模拟漏电电流，所述测试开关在导通时将所述模拟漏电电流馈送给所述零相电流互感器的所述测试绕组；和
放大装置，其设置在所述零相电流互感器的所述次级侧和所述漏电检测电路之间，并具有有源滤波电路，所述有源滤波电路包括作为放大元件而设置的运算放大器，并在所述运算放大器的外部附加有无源滤波元件，并且所述放大装置对从所述零相电流互感器的所述次级侧馈送给所述漏电检测电路的输出电流进行放大，使得其幅值与所述设定的漏电检测灵敏度相对应，
所述放大装置设置有滤波电路切换装置，其在正常状态下形成的低通滤波电路和测试状态下形成的带通滤波电路之间对所述有源滤波电路进行切换。
2.如权利要求1所述的漏电断路器，其特征在于，所述有源滤波电路是通过将所述运算放大器与低通滤波元件、带通滤波元件、以及所述滤波电路切换装置组合而形成的，所述带通滤波元件与所述低通滤波元件一起形成所述带通滤波电路，所述滤波电路切换装置将所述带通滤波元件连接到所述低通滤波元件以形成所述带通滤波电路。
3.如权利要求2所述的漏电断路器，其特征在于，设置有两个组合以在所述低通滤波电路和所述带通滤波电路之间切换所述有源滤波电路，每个所述组合包括所述带通滤波元件和将所述带通滤波元件连接到所述低通滤波元件的所述滤波电路切换装置。
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