CN102315621A - 具有自检功能的电接线保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供具有状态自检功能的电接线保护装置。在本发明的一个实施例中，电接线保护装置包括：相线通路(10)、零线通路(20)；错误检测电路(30)，配置为至少响应于相线通路和零线通路的错误而产生错误检测信号；信号驱动电路(40)，配置为响应于错误检测信号而产生驱动信号；脱扣组件(50)，配置为当所述驱动信号超过预定值时断开相线通路、零线通路的连接；自检电路(60)，配置为根据预定周期在交流电过零时产生自检信号，并响应于自检信号以及对应于所述自检信号的错误检测信号的反馈以产生评估结果，并根据表明存在电路异常的评估结果提供至少一种故障信号；状态显示电路(70)，配置为根据所述至少一种故障信号提供至少一种指示信号。
Description
技术领域
本发明涉及用电安全保护领域，尤其涉及具有输入端与输出端之间的分断特性的电接线保护装置。
背景技术
为避免家用电器的漏电流对使用者造成伤害，通常在家用电器，诸如电热水器、冰箱等，的电源输入侧安装具有漏电流保护功能的电接线保护装置，或称接地故障断路器，例如漏电保护插头。
目前，大多数的接地故障断路器(GFCI)都只具有漏电保护功能，对接地故障断路器的漏电保护功能是否正常，往往需要通过手动按下试验按钮来判断。如果使用者没有定期用试验按钮来检验保护装置的漏电保护功能是否正常，或者在使用过程中因为内部元件失效而导致断路器失效、无法断开输入端与输出端的连接，当接地故障保护功能失效后，容易发生用电安全事故，例如使用者触电伤害或者家用电器损坏引发火灾等。
也有少数接地故障保护装置有自动检测保护功能是否正常，定时输出脉冲自检信号，在电源正弦交流电火线上产生模拟接地故障电流，通过是否有接地故障检测电路反馈信号，来判断漏电保护功能是否正常。
例如中国专利200510083979.4，在电源正弦交流电的正半周下降沿140°～150°处发出自检信号，由于可控硅阴、阳极在电源信号过零点将自动关闭。这种自检方式不仅会影响正常的接地故障电流检测，还会引起接地故障保护装置误脱扣。
再例如Hubbell的美国授权专利US7443309、Pass&Seymour公司的美国专利申请US20090251148、以及中国专利200610007854.8，这些专利或申请中的接地故障断路器中可控硅器件均在正弦交流电的正半周导通，利用正弦交流电的负半周发出自检信号来完成自检。这种方式虽然不会误脱扣，但是自检时如有外加接地故障电流时，自检信号引起的模拟接地故障电流会叠加在真正的接地故障电流上，从而影响负半周的接地故障电流检测。此外，由于可控硅器件在正弦交流电的负半周不导通，从而延长了从负半周开始发生的接地故障电流时产品的脱扣反应时间。
为此需要有一种新颖的电接线保护装置，既能完成漏电保护功能的自检，又不影响正常接地故障脱扣功能。
发明内容
本发明的一个主要目的在于，克服现有技术中的上述缺陷，提供一种具有状态自检功能的电接线保护装置，且不影响正常的接地故障检测功能。
在本发明的一个实施例中，提供了一种电接线保护装置，包括：相线通路、零线通路；错误检测电路，耦合到所述相线通路和零线通路，配置为至少响应于所述相线通路和零线通路的错误而产生错误检测信号；信号驱动电路，耦合到所述错误检测电路，配置为响应于所述错误检测信号而产生驱动信号；脱扣组件，耦合到所述信号驱动电路，配置为当所述驱动信号超过预定值时断开所述相线通路、零线通路的连接；自检电路，耦合到所述错误检测电路、信号驱动电路，配置为根据预定周期在交流电过零时产生自检信号，并响应于所述自检信号以及对应于所述自检信号的错误检测信号的反馈以产生评估结果，并根据表明存在电路异常的评估结果提供至少一种故障信号；状态显示电路，耦合到所述自检电路，配置为根据所述至少一种故障信号提供至少一种指示信号。该实施例中的电接线保护装置具有状态自检功能，且自检信号产生于交流信号过零点，不影响正常的接地故障检测功能。
在本发明的一个实施例中，电接线保护装置中的所述自检电路包括：零点取样电路，耦合到所述相线通路和零线通路，用于在交流电过零点附近时产生电源零点信号；自检信号处理系统，耦合到所述零点取样电路、错误检测电路，用于响应于所述电源零点信号、根据预定周期的检测方案产生自检信号，并响应于所述自检信号以及对应于所述自检信号的错误检测信号的反馈以产生评估结果，并根据表明存在电路异常的评估结果提供至少一种故障信号。
在本发明的一个实施例中，电接线保护装置中的所述信号驱动电路包括：可控硅器件，其控制极耦合到所述错误检测电路的，响应于所述错误检测信号而产生驱动信号。
在本发明的一个实施例中，电接线保护装置中的所述自检电路还包括：可控硅状态取样电路，耦合到所述可控硅器件、以及自检信号处理系统，用于响应于对应于所述自检信号的错误检测信号而产生作用于所述自检信号处理系统的反馈信号。
在本发明的一个实施例中，电接线保护装置中的所述可控硅状态取样电路包括一个耦合器件，该耦合器件的初级耦合到所述可控硅器件，其次级耦合到所述错误检测电路以及自检信号处理系统，该耦合器件用于响应于对应于所述自检信号的错误检测信号而产生作用于所述自检信号处理系统的反馈信号。
在本发明的一个实施例中，电接线保护装置中的所述耦合器件的初级经过一条阻性支路分别连接到所述信号驱动电路的直流偏置端以及所述可控硅器件的阳极，该阻性支路配置为使得流过的电流小于所述可控硅器件的维持电流。当自检信号引起的可控硅器件控制极的触发信号消失后，可控硅器件会因为流过的电流小于维持电流而断开，从而不会造成电接线保护装置的误脱扣。
在本发明的一个实施例中，电接线保护装置中的所述错误检测电路包括：以所述相线通路和零线通路为第一初级绕组的电流互感器，配置为至少响应于所述第一初级绕组的错误而产生错误检测信号；所述电流互感器还包括一个耦合到所述自检信号处理系统的第二初级绕组，还响应于所述自检信号而产生错误检测信号；所述自检信号为高频脉冲信号。
在本发明的一个实施例中，电接线保护装置中电流互感器的所述第二初级绕组为多匝。这样可以降低自检信号所需要的强度，从而降低电接线保护装置的功耗。
在本发明的一个实施例中，电接线保护装置还包括一个全波整流桥，所述可控硅器件的阳极可连接到所述全波整流桥，由直流电提供偏置。这样，可控硅器件在正弦交流电的正负半周均可导通；无论接地故障发生于交流电的正半周还是负半周，接线保护装置均可即时反应而脱扣，降低了平均脱扣反应时间。
在本发明的一个实施例中，电接线保护装置中的所述状态显示电路包括发光二极管或蜂鸣器。
本发明的优点包括：电路结构简单，可以准确地区分具有漏电保护功能的电接线保护装置(接地故障断路器)的保护功能是否正常，而不影响正常的接地故障电流检测动作功能。当具有漏电保护功能的电接线保护装置失去保护功能时，通过状态显示电路可以清楚地告诉使用者，提醒用户及时更换，有效地保护人身安全和电器设备的安全。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更加明显：
图1示出了根据本发明的一个实施例的电接线保护装置的电路示意图；
图2示出了根据本发明的又一个实施例的电接线保护装置的电路示意图；
图3示出了根据本发明的一个实施例的电源脉动信号和自检信号的示意图；
图4示出了根据本发明的一个实施例的自检脉冲信号的示意图；
图5示出了根据本发明的一个实施例中的可控硅控制极两类触发信号的示意图；
在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示对应的特征。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一个实施例的电接线保护装置的电路示意图。如图所示，该实施例中的电接线保护装置包括：相线通路10、零线通路20、错误检测电路30、信号驱动电路40、脱扣组件50、自检电路60、以及状态显示电路70。
相线通路10包括输入接线端11、输出接线端12、连接输入端输出端的开关SW4。零线通路20包括输入接线端21、输出接线端22、连接输入端输出端的开关SW6。开关SW3用于连接相线输出接线端12和输出插座，开关SW5用于连接零线输出接线端22和输出插座。
错误检测电路30耦合到相线通路10和零线通路20，配置为至少响应于相线通路10和零线通路20的错误而产生错误检测信号。
具体地，错误检测电路30包括电流互感检测环31和32、以及接地故障断路器控制芯片U2。检测环31和32用于检测相线通路10和零线通路20上的电流不平衡，并经过运算放大等处理，在芯片U2的一个引脚产生错误检测信号。
信号驱动电路40耦合到错误检测电路30，配置为响应于所述错误检测信号而产生驱动信号。
具体地，信号驱动电路40包括全波整流桥B1、可控硅元件SCR。所述可控硅器件的阴极接地，阳极可连接到所述全波整流桥B1，由直流电提供偏置。可控硅SCR的控制极连接到芯片U2输出错误检测信号的引脚。当错误检测信号触发可控硅SCR导通，在可控硅SCR及整流桥B1均会流过大电流信号，亦即驱动信号。
脱扣组件50耦合到信号驱动电路40，配置为当所述驱动信号超过预定值时断开相线通路10、零线通路20的连接。
具体地，脱扣组件50包括：螺线圈SOL、开关SW3、SW4、SW5、SW6。
电接线保护装置可以处于脱扣状态(或称断路状态)和复位状态(或称通路状态)。在脱扣状态下，开关SW1至SW6均断开。当按下复位按钮，通过与复位按钮连接的复位销等其他部件的传动，开关SW2被迫使闭合，可控硅SCR导通，螺线圈SOL流过大电流，其中的铁芯产生动作击发一个锁扣使得该锁扣与复位销啮合。去掉对复位按钮的压迫，复位销将带动锁扣反向运动，从而使得开关SW1、SW3、SW4、SW5、SW6闭合，开关SW2断开，电接线保护装置进入复位状态(通路状态)。当可控硅SCR受错误检测信号触发而导通，螺线管SOL中会流过大电流信号，亦即驱动信号，当驱动信号超过预定值时，铁芯产生动作击发锁扣，复位销与锁扣脱开，开关SW1、SW3、SW4、SW5、SW6均断开，电接线保护装置恢复脱扣状态。
因为可控硅SCR由直流电提供偏置，在正弦交流电的正负半周均可导通。无论接地故障发生于交流电的正半周还是负半周，接线保护装置均可即时反应而脱扣，降低了平均脱扣反应时间。
自检电路60耦合到错误检测电路30、信号驱动电路40，配置为根据预定周期在交流电过零时产生自检信号，并响应于所述自检信号以及对应于所述自检信号的错误检测信号的反馈以产生评估结果，并根据表明存在电路异常的评估结果提供至少一种故障信号。
具体地，自检电路60包括零点取样电路61、自检信号处理系统62、可控硅状态取样电路63。
零点取样电路61包括电阻R15和R16。经电阻分压得到与电源同步的脉动信号，为自检信号处理系统62提供电源零点取样。
自检信号处理系统62包括微处理芯片U3和三极管Q1、等。芯片U3的直流电压偏置由自检电源模块提供，自检电源模块包括电阻R8、稳压二极管Z1、稳压芯片U1、电容C8和C10、等，电源通过电阻R8从可控硅SCR的阳极引入。芯片U3检测到交流电源的过零点，并根据预定周期在过零点输出自检信号至三极管Q1的基极。图3示出了该实施例中电源脉动信号和自检信号的示意图。如图所示，自检信号的持续时间为D，重复周期为T。通常，市电频率为50Hz或60Hz，周期约为20ms；例如但不限于，自检信号持续时间D可以设置为1ms；重复周期T通常设置为市电周期的整数倍，例如但不限于1分钟。图4示出了该实施例中的自检脉冲信号的示意图。如图所示，自检信号是一个高频脉冲信号。检测环31的一个第二初级绕组连接到三极管Q1的集电极。芯片U3输出的高频自检脉冲信号经三极管Q1放大后，在检测环31中引起磁通变化，从而在错误检测电路30产生错误检测信号。第二初级绕组可以是多匝，从而可以降低自检信号所需要的强度，从而降低电接线保护装置的功耗。
可控硅取样电路63耦合到可控硅器件SCR、以及自检信号处理系统62，用于响应于对应于所述自检信号的错误检测信号而产生作用于自检信号处理系统62的反馈信号。
具体地，可控硅取样电路63包括一个耦合器件U4，该耦合器件U4的初级耦合到可控硅器件SCR，其次级耦合到错误检测电路30以及自检信号处理系统62，该耦合器件U4用于响应于对应于所述自检信号的错误检测信号而产生作用于所述自检信号处理系统62的反馈信号。耦合器件U4通常可以采用光耦器件。
耦合器件U4的初级经过一条阻性支路，该实施例中也就是电阻R6，分别连接到所述信号驱动电路40的直流偏置端以及所述可控硅器件SCR的阳极，该阻性支路配置为使得流过的电流小于所述可控硅器件SCR的维持电流。
状态显示电路70耦合到所述自检电路60，配置为根据所述至少一种故障信号提供至少一种指示信号。该实施例中，状态显示电路70包括发光二极管71。本领域技术人员应能理解，状态显示电路70可以采用声、光、电等各种指示方式，例如，还可以包括蜂鸣器、液晶显示电路等。
电接线保护装置正常工作时，电容C1上提供直流电压偏置，可控硅SCR的阳极通过开关SW1接入与交流电源同步的直流脉动电压。错误检测电路30会响应于自检信号产生错误检测信号，以触发可控硅SCR导通，这一错误检测信号的持续时间与自检信号的持续时间D基本相同，也处于交流信号的过零点。在交流信号过零点时，可控硅SCR阳极的直流脉动信号电压处于波谷，二极管D7的负极电压低于正极电压，从而使得电流可以从电容C1经过电阻R6、耦合器件U4的初级、二极管D7而流过可控硅SCR。电阻R6的阻值设置为使得流过的电流小于可控硅器件SCR的维持电流。则自检信号消失后，响应于自检信号的错误检测信号也会消失，可控硅SCR因流过的电流小于维持电流电流而关断，螺线圈SOL中流过的电流小于预定值而不足以使得铁芯产生动作。因此，自检信号不会造成电接线保护装置的误脱扣。图5示出了该实施例中可控硅控制极两类触发信号的示意图。如图所示，第一类触发信号即为自检信号的反馈信号，其发生于交流信号的过零点，持续时间基本与自检信号的持续时间D相同；第二类触发信号即为接地故障的反馈信号，起始时间和持续时间均不确定。
该实施例中的电接线保护装置可能的电路状态变化如下：
当输入接线端11、21接通电源，电接线保护装置处于脱扣状态，可控硅SCR阳极尚无直流偏置，芯片U3还没有电源供应，没有自检信号输出、发光二极管71不亮。
按下复位按钮后，电接线保护装置进入复位状态，芯片U3得到电源供应，自检电路60开始工作。正常状态下，发光二极管71亮起。
自检信号处理系统62检测零点取样电路61的信号。如果没有正弦脉动信号，则电路存在故障，自检信号处理系统62产生第一种故障信号，发光二极管71产生相应的指示信号。产生该故障的原因包括：螺线圈SOL开路，整流桥B1开路，分压电阻R15、R17存在故障。
如果零点取样电路61有正弦脉动信号产生，则自检信号处理系统62产生预定周期为T、脉宽为D的高频自检脉冲信号。自检信号处理系统62检测连接到电阻R12的引脚有没有高频自检脉冲信号产生，如果没有高频自检脉冲信号产生，自检信号处理系统62产生第二种故障信号，发光二极管71产生相应的指示信号。产生该故障的原因包括自检信号处理系统62内部的故障。
如果高频自检脉冲信号输出正常，其反馈信号通过耦合器件U4的次级并从电阻R5和R7的中点反馈到自检信号处理系统62。正常的反馈信号应该是与自检信号同频同相的脉冲信号。
如果在自检信号的脉冲处于高电平期间检测不到反馈信号，则自检信号处理系统62产生第三种故障信号，发光二极管71产生相应的指示信号。产生该故障的原因包括错误检测电路30的故障。
如果在自检信号的脉冲处于低电平期间检测到反馈信号，表明自检信号期间有接地故障发生，自检信号处理系统62停止输出自检脉冲并等待一段时间，例如5秒钟。然后，如果自检信号处理系统62仍能检测到来自零点取样电路61的正弦脉动信号，则自检信号处理系统62产生第四种故障信号，发光二极管71产生相应的指示信号。产生该故障的原因包括脱扣组件50的故障，导致电接线保护装置无法从复位状态恢复到脱扣状态。
本领域技术人员应能理解，上述四种故障信号和相应的指示信号可以相同，也可以不同。例如，四种故障信号均为停止向状态显示线路70供电，相应的指示信号为发光二极管71不亮。又例如，四种故障信号分别为不同频率的故障信号，相应的指示信号为不同频率的闪烁。
图2示出了根据本发明的另一个实施例的电接线保护装置的电路示意图。如图所示，该实施例中的电接线保护装置包括：相线通路10、零线通路20、错误检测电路30、信号驱动电路40、脱扣组件50、自检电路60、以及状态显示电路70。
该实施例中的电接线保护装置与图1所示实施例的主要区别在于自检电路60。
在该实施例中，自检信号处理系统62(包括芯片U3)的直流电压偏置由自检电源模块提供，自检电源模块包括二极管D8、电阻R8、稳压二极管Z1、稳压芯片U1、电容C8和C10、等，电源通过二极管D8和限流电阻R8从相线引入。
另外，自检信号处理系统62还通过三极管Q2经电阻R18从错误检测电路30中的芯片U2引入一个触发信号。
该实施例中的电接线保护装置可能的电路状态变化如下：
当输入接线端11、21接通电源，电接线保护装置处于脱扣状态，自检信号处理系统62获得电源供应，而错误检测电路30尚未开始工作，三极管Q2不产生触发信号，自检信号处理系统62还未开启自检功能，没有自检信号输出。正常状态下，发光二极管71亮起。
按下复位按钮后，电接线保护装置进入复位状态，错误检测电路30开始工作，可控硅SCR阳极获得直流电压偏置。
自检信号处理系统62检测零点取样电路61的信号。如果没有正弦脉动信号，则电路存在故障，自检信号处理系统62产生第一种故障信号，发光二极管71产生相应的指示信号。产生该故障的原因包括：螺线圈SOL开路，整流桥B1开路，分压电阻R15、R17存在故障。
如果零点取样电路61有正弦脉动信号产生，因为错误检测电路30开始工作，三极管Q2将产生触发信号，自检信号处理系统62开启自检功能，开始输出预定周期为T、脉宽为D的高频自检脉冲信号。自检信号处理系统62检测连接到电阻R12的引脚有没有高频自检脉冲信号产生，如果没有高频自检脉冲信号产生，自检信号处理系统62产生第二种故障信号，发光二极管71产生相应的指示信号。产生该故障的原因包括自检信号处理系统62内部的故障。
如果高频自检脉冲信号输出正常，其反馈信号通过耦合器件U4的次级并从电阻R5和R7的中点反馈到自检信号处理系统62。正常的反馈信号应该是与自检信号同频同相的脉冲信号。
如果在自检信号的脉冲处于高电平期间检测不到反馈信号，则自检信号处理系统62产生第三种故障信号，发光二极管71产生相应的指示信号。产生该故障的原因包括错误检测电路30的故障。
如果在自检信号的脉冲处于低电平期间检测到反馈信号，说明自检信号期间有接地故障发生，自检信号处理系统62停止输出自检脉冲并等待一段时间，例如5秒钟。然后，如果自检信号处理系统62仍能检测到来自零点取样电路61的正弦脉动信号，则自检信号处理系统62产生第四种故障信号，发光二极管71产生相应的指示信号。产生该故障的原因包括脱扣组件50的故障，导致电接线保护装置无法从复位状态恢复到脱扣状态。
本领域技术人员应能理解，上述四种故障信号和相应的指示信号可以相同，也可以不同。例如，四种故障信号均为停止向状态显示线路70供电，相应的指示信号为发光二极管71不亮。又例如，四种故障信号分别为不同频率的故障信号，相应的指示信号为不同频率的闪烁。
本领域技术人员应能理解，上述实施例均是示例性而非限制性的。在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。在权利要求书中，术语“包括”并不排除其他装置或步骤；不定冠词“一个”不排除多个；术语“第一”、“第二”用于标示名称而非用于表示任何特定的顺序。权利要求中的任何附图标记均不应被理解为对保护范围的限制。权利要求中出现的多个部分的功能可以由一个单独的硬件或软件模块来实现。某些技术特征出现在不同的从属权利要求中并不意味着不能将这些技术特征进行组合以取得有益效果。
Claims (10)
1.一种电接线保护装置，包括：
相线通路(10)、零线通路(20)；
错误检测电路(30)，耦合到所述相线通路和零线通路，配置为至少响应于所述相线通路和零线通路的错误而产生错误检测信号；
信号驱动电路(40)，耦合到所述错误检测电路，配置为响应于所述错误检测信号而产生驱动信号；
脱扣组件(50)，耦合到所述信号驱动电路，配置为当所述驱动信号超过预定值时断开所述相线通路、零线通路的连接；
自检电路(60)，耦合到所述错误检测电路、信号驱动电路，配置为根据预定周期在交流电过零时产生自检信号，并响应于所述自检信号以及对应于所述自检信号的错误检测信号的反馈以产生评估结果，并根据表明存在电路异常的评估结果提供至少一种故障信号；
状态显示电路(70)，耦合到所述自检电路，配置为根据所述至少一种故障信号提供至少一种指示信号。
2.根据权利要求1所述的电接线保护装置，其特征在于，所述自检电路包括：
零点取样电路(61)，耦合到所述相线通路和零线通路，用于在交流电过零点附近时产生电源零点信号；
自检信号处理系统(62)，耦合到所述零点取样电路、错误检测电路，用于响应于所述电源零点信号、根据预定周期的检测方案产生自检信号，并响应于所述自检信号以及对应于所述自检信号的错误检测信号的反馈以产生评估结果，并根据表明存在电路异常的评估结果提供至少一种故障信号。
3.根据权利要求2所述的电接线保护装置，其特征在于，
所述信号驱动电路包括：可控硅器件，其控制极耦合到所述错误检测电路的，响应于所述错误检测信号而产生驱动信号。
4.根据权利要求3所述的电接线保护装置，其特征在于，所述自检电路还包括：可控硅状态取样电路(63)，耦合到所述可控硅器件、以及自检信号处理系统，用于响应于对应于所述自检信号的错误检测信号而产生作用于所述自检信号处理系统的反馈信号。
5.根据权利要求4所述的电接线保护装置，其特征在于，所述可控硅状态取样电路包括一个耦合器件，该耦合器件的初级耦合到所述可控硅器件，其次级耦合到所述错误检测电路以及自检信号处理系统，该耦合器件用于响应于对应于所述自检信号的错误检测信号而产生作用于所述自检信号处理系统的反馈信号。
6.根据权利要求5所述的电接线保护装置，其特征在于，所述耦合器件的初级经过一条阻性支路分别连接到所述信号驱动电路的直流偏置端以及所述可控硅器件的阳极，该阻性支路配置为使得流过的电流小于所述可控硅器件的维持电流。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的电接线保护装置，其特征在于，
所述错误检测电路包括：以所述相线通路和零线通路为第一初级绕组的电流互感器，配置为至少响应于所述第一初级绕组的错误而产生错误检测信号；
所述电流互感器还包括一个耦合到所述自检信号处理系统的第二初级绕组，还响应于所述自检信号而产生错误检测信号；
所述自检信号为高频脉冲信号。
8.根据权利要求7所述的电接线保护装置，其特征在于，所述第二初级绕组为多匝。
9.根据权利要求3至6中任一项所述的电接线保护装置，其特征在于，还包括一个全波整流桥，所述可控硅器件的阳极可连接到所述全波整流桥，由直流电提供偏置。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的电接线保护装置，其特征在于，所述状态显示电路包括发光二极管或蜂鸣器。
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