CN101534000A - 漏电保护器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型漏电流保护器，包括零序电流传感器，用于检测漏电并输出一漏电信号；具有负放大增益的第一放大器，用于放大所述漏电信号以输出第一放大信号；具有正放大增益的第二放大器，用于放大所述漏电信号以输出第二放大信号；鉴别器，用于接收所述第一与第二放大信号并分别与一检测阈值进行比较以确定是否输出断电控制信号；开关，用于根据所述断电控制信号切断电源。该方案可有效地反映脉动直流电流漏电、交流漏电，灵敏度高，一致性好，适合生产线的批量生产。此外，该漏电保护器还可通过延时能较好地躲瞬时干扰功能，进而极大地提高了该漏电保护方案的抗干扰能力。

Description

漏电保护器
技术领域
本发明涉及一种漏电保护器，可适用于电源断路器。
背景技术
目前微型断路器得到广泛使用，通过设置于其中的漏电保护器，可以有效地避免触电危险。按照触电导致的漏电流特性，漏电一般可分为二类，即直流脉动漏电和交流漏电，例如当一些用电设备或电缆电线漏电时，就会产生交流漏电；而当带有整流、逆变、截波控制的用电设备发生漏电时，用电器中的二极管、可控硅等器件会使电流波形发生缺损，对应的漏电波形则为脉动直流波形。图1(a)、(b)中示出了二种漏电流的特性。对于直流漏电，其信号特征一般表现为多个直流窄脉冲，由于这种信号差异，现有技术中通常采用不同的漏电检测技术的漏电保护器。
目前直流脉动漏电保护方案大多是采用专用的集成芯片来实现，如三菱公司或RENESAS的54133或54134芯片，集成芯片的优点是内部集成了信号处理、比较、闭锁等功能。但是采用专用集成电路构成的漏电保护器的缺点是其功耗较高，不适合宽压电源输入场合的使用，而且其外围电路也并不简单。
此外，由于这种专用直流脉冲漏电保护器成本较高，因此在专注于交流漏电保护的场合，直流脉冲漏电保护器并不适用。因此需要一种以低成本可同时检测交流和直流脉动漏电的保护器。
此外，如图1(c)所示，干扰信号的特征一般地表现为单个尖峰脉冲，与脉动直流漏电情形类似，因此要求漏电保护器既能有效地检测直流漏电，同时又可以避免电磁干扰。
发明内容
根据本发明的目的，提供一种可以检测正、负极性漏电电流的漏电保护器，能以降低的成本和复杂度不但可以检测交流漏电，还可以检测直流漏电。
根据本发明的漏电保护器，包括：传感器，用于检测漏电并输出一漏电信号；具有负放大增益的第一放大器，用于放大所述漏电信号以输出第一放大信号；具有正放大增益的第二放大器，用于放大所述漏电信号以输出第二放大信号；鉴别器，用于接收所述第一与第二放大信号并分别与一检测阈值进行比较以确定是否输出断电控制信号；开关，用于根据所述断电控制信号切断电源。
优选地，在所述的漏电保护器中，所述第一放大器为负差动模式放大器，具有接受所述漏电信号的负极性输入端与接地的正极性输入端；所述第二放大器为正差动模式放大器，具有接受所述漏电信号的正极性输入端与接地的负极性输入端。
优选地，在所述的漏电保护器中，所述鉴别器包括：第一比较器，用于将所述第一放大信号与所述检测阈值比较从而输出第一指示信号；第二比较器，用于将所述第二放大信号与所述检测阈值比较从而输出第二指示信号；触发器，用于对所述第一指示信号与第二指示信号执行“或”运算以输出所述断电控制信号。
按照本发明的一个优选实施例，所述漏电保护器还包括：第一延时电路，连接在所述第一放大器与第一比较器之间，用于延时输出所述第一放大信号给所述第一比较器；第二延时电路，连接在所述第二放大器与第二比较器之间，用于延时输出所述第二放大信号给所述第二比较器。由此，根据本发明的漏电保护器不但可以检测脉动直流漏电，而且还可以有效地抵抗电磁干扰。
本发明提供的新型漏电保护器使用通用型的运算放大器，它所需的功耗极小，适用于宽压输入场合的漏电保护。本发明漏电保护器所需的外围电路并不复杂，并且配合合适的外围电路后，具有极好的抗差模、共模干扰能力。本发明漏电保护器可有效地反映脉动直流电流漏电，交流漏电。而且对于脉动直流漏电波形，无论是正极性、负极性，该漏电保护方案都具有相同的鉴别能力。同时该漏电保护方案对应直流脉动漏电波形和交流漏电波形的一致性很好，而且几乎具有相同的灵敏性，完全可以配合坡墨合金铁芯的互感器实现完整的漏电保护功能。
附图说明
图1示出交流漏电、直流漏电以及干扰的三种波形示例；
图2示出根据本发明一个实施例的漏电保护器；
图3示出经过放大的交流漏电、直流漏电以及干扰的三种波形。
具体实施方式
图2示出的根据本发明的漏电流保护器的一个实施例，主要包括传感器1，用于检测漏电的发生并输出一漏电信号Sleak；具有负放大增益的第一放大器2，用于放大所述漏电信号Sleak以输出第一放大信号SAMP-1；具有正放大增益的第二放大器3，用于放大所述漏电信号Sleak以输出第二放大信号SAMP-2；鉴别器，分别接收所述第一放大信号SAMP-1与第二放大信号SAMP-2并将其分别与一检测阈值VThreshold进行比较以确定是否输出断电控制信号Scontl。优选地，在本实施例中，鉴别器是由第一比较器6、第二比较器7以及触发器8构成，其中第一比较器6用于将所述第一放大信号SAMP-1与所述检测阈值VThreshold比较从而输出第一指示信号；第二比较器7用于将所述第二放大信号SAMP-2与所述检测阈值VThreshold比较从而输出第二指示信号；所述触发器则对所述第一指示信号与第二指示信号执行“或”运算以输出所述断电控制信号Scontl。根据本实施例的漏电保护器还包括一个开关(图中未示出)，用于根据所述断电控制信号Scontl切断电源，从而有效地避免触发危险。
在本实施例中，传感器1是一个零序电流互感器1，既可以是适于检测交流漏电或直流漏电的互感器，也可以是均适于检测交流漏电和直流脉动漏电的通用型互感器。
根据本实施例的第一放大器2、第二放大器3可以采用目前普通的运算放大器OPA实现。如图所示，第一放大器2设置成负差动模式放大器，其中OPA1的正极性输入端通过电阻R9接地，由零序电流互感器1输出的漏电信号Sleak通过电阻R3提供给OPA1的负极性输入端，并通过由电阻R3、反馈电阻R1构成的负放大增益(增益＝—R1/R3)进行放大，从而输出第一放大信号SAMP-1。与第一放大器2相反，第二放大器3设置成正差动模式放大器，其中OPA2的负极性输入端通过电阻R13接地，由零序电流互感器1输出的漏电信号Sleak通过电阻R16提供给OPA2的正极性输入端，并通过由电阻R13、反馈电阻R11构成的正放大增益(增益＝1+R11/R13)进行放大，并输出第二放大信号SAMP-2。
根据本发明的优选实施例，如图2所示，所述漏电保护器还包括第一延时电路4，连接在所述第一放大器2与第一比较器6之间，用于延时输出所述第一放大信号SAMP-1给所述第一比较器6；以及第二延时电路5，连接在所述第二放大器3与第二比较器7之间，用于延时输出所述第二放大信号SAMP-2给所述第二比较器7。
由第一放大器2、第二放大器3产生的第一放大信号SAMP-1、第二放大信号SAMP-2提供给第一延时电路4、第二延时电路5。在本实施例中，延时电路4为由电阻R4、电容C1构成的积分充放电电路，延时电路5为由电阻R14、电容C3构成的积分充放电电路，其中第一延时电路4、第一延时电路5采用完全相同的RC延时设定。
经过第一延时电路4、第二延时电路5延时的第一、第二放大信号SAMP-1、SAMP-2提供给第一比较器6和第二比较器7。在本实施例中，第一比较器6和第二比较器7同样是由通用型运算放大器OPA构成的阈值比较电路，并且设置成差动放大模式。如图所示，第一比较器6中的OPA3的正极性输入端通过电阻R5与第一延时电路4的输出端连接，并且在正极输入端与输出端之间设置反馈电阻R2；而OPA3的负极性输入端则与一个稳压管D2连接以设置检测阈值VThreshold，该稳压管D2与电阻R10串联在电源与地之间以提供作为检测阈值的稳压值VThreshold。这里，第二比较器7采用了与第一比较器6完全相同的结构。利用这种差动放大器结构的阈值比较电路，可以保证只有高于检测阈值电压的信号才会传送至触发器8。
根据本实施例的触发器8是一个“或”门电路，由二个二极管Q1、Q2构成，其中二极管的正极分别连接到所述第一比较器6和第二比较器7的输出端，而通过连接在一起的负极提供控制信号Os给开关。下面详细描述根据本实施例的漏电保护器的工作过程。
交流漏电情形
当发生交流漏电时，零序电流互感器1会感应到不平衡正弦交流电流，并输出交流的漏电信号SLEAK，例如图1(a)所示。该漏电信号分别输入给第一放大器2和第二放大器3。
下面首先考虑交流漏电信号经零序电流互感器1输出为正半周情形。由于第一放大器2是负放大增益的放大器，因此漏电信号经过第一放大器2后，输出一个负极性的放大信号SAMP-1或截止为零(这取决于运算放大器的电源设置)。在本实施例中，由于运算放大器OPA均为单电源供电，第一放大器2反相截止，即输出SAMP-1为0。因此所述第一比较器6从RC延时电路4接收到零电压。由于第一比较器6设置的阈值为正的稳压检测阈值VThreshold，从而第一比较器6输出低电平信号。因此二极管Q1不导通。另一方面，由于正半周的漏电信号同时提供给具有正放大增益的第二放大器3，因此第二放大器3输出一个经过放大的正信号SAMP-2给所述RC延时电路5，如图3(a)所示，当经过放大的漏电信号SAMP-2在设定的延时时间τ内(如10mS)持续存在，则经过延时的信号SAMP-2会输出至第二比较器7，由于该经过延时的漏电信号SAMP-2大于阈值稳压值VThreshold，如图所示，因此第二比较器7将输出一个高电平的漏电指示信号，从而使二极管Q2导通输出断电控制信号，进一步驱动开关动作以切断电源，从而避免漏电发生危险。
本发明对于漏电信号Sleak的负半周情形同样可以检测到漏电发生。与上述的正半周过程的区别在于，只是此时负极性的漏电信号Sleak经过负放大增益的第一放大器2后转换为输出一个正极性的放大信号SAMP-1，从而使得二极管Q1导通，从而驱动开关切断电源；而由于正放大增益的放大器3输出反相截止，因此二极管Q2将不导通。
由此可见，本发明在交流漏电信号的正极性和负极性时均可正确地触发开关，因此，可充分地检测到交流漏电的发生。
直流脉动漏电电流情形
对于直流漏电情形，其漏电信号可看作是一系列具有正极性或负极性的直流脉动窄脉冲，图1(b)示出了正极性脉冲情形。与前面描述的过程类似，零序电流互感器1输出的脉动直流漏电信号分别通过二路第一、第二放大器2、3进行放大，放大后的信号SAMP-1、SAMP-2再分别经过RC延时电路4、5，经延时环节后的信号再分别经过第一、第二比较器6、7比较，比较后的电平指示信号输出至触发器8。在本实施例中，第一放大器2与第二放大器3采用完全相同的结构，其中R13与R3阻值相同，R1与R11的阻值相同，OPA1和OPA2共用漏电信号作为输入信号，区别是OPA1和OPA2输入差动信号正负极是相反的，保证了对脉动直流漏电流的放大处理无死区。
由前述可知，只有漏电信号的持续时间超过RC延时电路的设定延时时间τ才有可能有效地输出到后面的比较器。对于直流脉动漏电而言，尽管每个脉冲很窄，但由于它是由一系列脉冲构成，借助于RC延时电路的积分作用，由这些脉冲构成的有效持续时间仍可维持大于RC电路的延时时间τ，如图中虚线所示，因此RC电路4、5仍可将经过放大的漏电信号SAMP-1、SAMP-2提供给第一比较器6、第二比较器7。对于直流脉动漏电情形的其后操作与前述交流漏电情形类似，其中对正极性脉动直流漏电情形，其处理过程与交流漏电时的正半周情形类似，此时二极管Q2导通以输出断电控制信号；而对负极性脉动直流漏电情形，其处理过程与交流漏电时的负半周情形类似，此时二极管Q1导通以输出断电控制信号。具体过程不再多述。
根据本发明的漏电保护器不但可检测交流漏电和直流漏电，而且还可以抵抗干扰。
如图1(c)所示，干扰一般是由单个尖峰脉冲构成。由此借助于本发明的延时电路，可以避免将经过放大的干扰脉冲传给后面的比较器，这是因为瞬间的干扰信号持续时间很短，远小于设定的延时时间τ，如图3(c)所示，因此第一、第二延时电路4、5中的延时电容上已经充上的电量会很快放掉并且，瞬间的干扰信号通过后，第一放大器2和第二放大器3的输出会很快变为0，从而加速延时电容C1、C3上的电平泄放，如图3(c)中虚线所示，由于不会超过所设定的阈值电压VThreshold，从而确保不会触发后的比较器与触发器，有效地抵抗了电磁干扰。
在本实施例中，延时时间的设定通过调节C1与R4以及R14与C3得到，电阻R7与R17起辅助调节延时时间的作用。持续的漏电信号通过第一延时电路4和第二延时电路5后再与设定好的阈值电压VThreshold进行比较，对于不同输出特性的零序互感器可以通过调节稳压管D2来得到合适的电压阈值VThreshold，这样就能得到合适的额定动作漏电流值。
在本实施例中，第一比较器6、第二比较器7是差动放大器的结构，只有高于阈值电压VThreshold的信号才会经放大信号传送至触发器8，而且无论是哪一种极性的漏电信号经过触发器8的“逻辑或”后都能触发开关，确保漏电保护的可靠性。
在本实施例中，由于放大器、延时电路、差动比较器、触发器相互独立，各部分之间没有相互影响，使得本发明漏电流保护器具有较好的抗干扰能力。由于运算放大器的功耗通常很低，温度特性也很好，所以本发明漏电保护器具有功耗小、适用温度范围宽、适用电源电压范围宽、外围元件少、抗干扰抗冲击能力强，可靠性高的优点。
但这里需要指出的是，本发明的上述实施例并不是限定性的，本领域人员可以在上述实施例基础上做出任何变动和修改。例如对于电磁环境较好的场合或者说对电磁干扰要求不高的场合，本实施例中的延时电路并不是必须的。因此本发明的保护范围以所附的权利要求书为准。

Claims (9)

1、一种漏电保护器，包括：
传感器，用于检测漏电并输出一漏电信号；
具有负放大增益的第一放大器，用于放大所述漏电信号以输出第一放大信号；
具有正放大增益的第二放大器，用于放大所述漏电信号以输出第二放大信号；
鉴别器，用于接收所述第一与第二放大信号并分别与一检测阈值进行比较以确定是否输出断电控制信号；
开关，用于根据所述断电控制信号切断电源。
2、如权利要求1所述的漏电保护器，其中
所述第一放大器为负差动模式放大器，具有接受所述漏电信号的负极性输入端与接地的正极性输入端；
所述第二放大器为正差动模式放大器，具有接受所述漏电信号的正极性输入端与接地的负极性输入端。
3、如权利要求2所述的漏电保护器，其中所述鉴别器包括：
第一比较器，用于将所述第一放大信号与所述检测阈值比较从而输出第一指示信号；
第二比较器，用于将所述第二放大信号与所述检测阈值比较从而输出第二指示信号；
触发器，用于对所述第一指示信号与第二指示信号执行“或”运算以输出所述断电控制信号。
4、如权利要求1—3之一的漏电保护器，还包括：
第一延时电路，连接在所述第一放大器与第一比较器之间，用于延时输出所述第一放大信号给所述第一比较器；
第二延时电路，连接在所述第二放大器与第二比较器之间，用于延时输出所述第二放大信号给所述第二比较器。
5、如权利要求4所述的漏电保护器，其中所述传感器是可检测脉动直流电流和交流电流的零序电流互感器。
6、如权利要求5所述的漏电保护器，其中所述“或”门电路由二个二极管构成。
7、如权利要求6所述的漏电保护器，其中所述阈值是由根据电磁干扰以及所述零序电流互感器输出特性与放大器增益的匹配而选定的稳压管提供。
8、如权利要求7所述的漏电保护器，其中所述延时电路由电阻、电容积分电路构成，其中积分常数根据干扰信号特征以及所述零序电流互感器输出特性与放大器增益的匹配来选择。
9、一种采用权利要求1—8之一的漏电保护器的断路器。
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