CN102857102A

CN102857102A - 电流保护装置的电流提供组件

Info

Publication number: CN102857102A
Application number: CN2011101828970A
Authority: CN
Inventors: 包章尧; 熊焘; 陈曦
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: CN102857102B

Abstract

本发明提供了一种用于保护装置的电流提供组件，该电流提供组件包括供电模块、低压大电流模块。供电模块给低压大电流模块供电。低压大电流模块包括低压限压单元和继电器单元。保护装置中的脱扣机构的负载并联于低压限压单元的两端。响应于一个保护触发信号，继电器单元导通低压限压单元所在通路，从而给脱扣机构的负载提供一个低压下的大电流。此电流提供组件可满足保护装置的体积小型化要求，并降低保护装置的材料成本，同时可以向负载提供低电压和大电流。

Description

电流保护装置的电流提供组件

技术领域

本发明涉及一种电流提供组件，尤其涉及一种可向断路器负载提供低电压大电流的剩余电流组件。

背景技术

电子保护装置一般包括电子部分和机械部分。以剩余电流保护装置(简称RCD)为例，保护装置的电子部分包括剩余电流检测采样电路、比较电路、触发电路等等，其中采样电路(例如零序电流互感器ZCT)可检测供电线路中的剩余电流，并输出采样信号；该采样信号经过运算放大器滤波放大后送到微程序控制器(以下简称MCU)比较判断，由MCU输出触发信号，经过触发电路向脱扣机构的负载(脱扣线圈)提供电流。随着剩余电流保护装置应用场合越来越广泛，需要RCD在短时间内向负载提供低电压和大电流，然而实现该功能使用的器件一般体积都比较大，而目前RCD的发展趋势是越来越小型化，这对于RCD的狭小空间来说是一个挑战。而且，在使用电子开关或类似开关的时候，会出现一些问题，例如使用电子开关(例如三极管、MOSFET、IGBT、可控硅等)时，要求电子开关的体积要大，功率要大，方便散热，否则会导致器件击穿损坏，但增大器件体积和功率的同时也增加了成本。

此外，断路器的应用分为上进线系统和下进线系统，在下进线系统中，带有剩余电流保护装置的断路器即使脱扣，脱扣机构的负载中仍然存在电流，必须在一定的延时时间后切断负载中的电流，避免负载长时间通过大电流而烧毁。如果剩余电流保护装置工作在其额定电压范围内，例如85～440VAC，流经负载的电流可以顺利分断，但如果剩余电流保护装置工作电压超出其额定工作电压时，控制负载电流的分断机构两端的高电压使得它们无法分断，从而使得负载烧毁。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种为保护装置中的脱扣机构提供驱动电流的电流提供组件，其满足例如剩余电流保护装置的体积小型化要求，并能够降低例如剩余电流保护装置的材料成本，同时可以向负载提供低电压下的大电流。

本发明的另一个目的是提供一种电流保护装置的电流提供组件，使得例如剩余电流保护装置工作电压超出其额定工作电压时，仍然可以可靠分断脱扣机构的负载中的电流。

本发明提供了一种用于保护装置的电流提供组件，包括一个供电模块和一个低压大电流模块。供电模块的输出端可输出供电信号。低压大电流模块包括串联连接的一个继电器单元和一个低压限压单元，低压大电流模块的输入端与供电模块的输出端可电连接，使得低压大电流模块可接收供电模块输出的电能。脱扣机构的负载并联于低压限压单元的两端。低压大电流模块可输出一个电流信号至负载。继电器单元的控制端可响应于一个触发信号以控制继电器单元的接通，即继电器单元可接通低压大电流模块输出至负载的电流信号。这种电流提供组件，通过低压大电流模块中的低压限压单元来限制负载两端的电压在一定范围内，以满足负载低压大电流的需要，另外，通过使用小型继电器来实现对负载电流的通断控制，可以满足保护装置小型化的体积要求，同时可以降低保护装置中电流提供组件的成本。

在电流保护装置的电流提供组件的再一种示意性的实施方式中，电流提供组件还包括一个控制模块，其响应于一个保护触发信号而输出控制信号，其中所述控制信号包括一个第一控制信号，继电器单元的控制端可接收第一控制信号以接通输出至负载的电流信号。

在电流保护装置的电流提供组件的再一种示意性的实施方式中，控制模块的供电端可电连接于供电模块的输出端，即供电模块为控制模块提供电能供其工作。

在保护装置的电流提供组件的另一种示意性的实施方式中，低压限压单元包括压敏电阻。

在保护装置的电流提供组件的又一种示意性的实施方式中，供电模块包括一个交流供电单元、一个供电限流单元、一个供电限压单元和一个整流单元；交流供电单元、供电限流单元和整流单元串联连接；交流供电单元可输出一个交流信号；供电限流单元可限制交流信号的电流大小；整流单元可将交流信号整流，并通过其输出端输出供电信号；供电限压单元并联于供电限流单元的输出端。

在保护装置的电流提供组件的又一种示意性的实施方式中，低压大电流模块还包括一个低压限流单元；低压限流单元、低压限压单元和继电器单元串联连接；低压限流单元的输入端可电连接于整流单元的输出端，低压限流单元可限制从其上流过的电流大小。

在保护装置的电流提供组件的又一种示意性的实施方式中，供电限压单元包括压敏电阻。

在保护装置的电流提供组件的又一种示意性的实施方式中，供电模块还包括一个过零单元，过零单元设置在供电限流单元和整流单元之间，且与供电限流单元和整流单元串联连接，过零单元的控制端可接收控制模块输出的第二控制信号，当过零单元的控制端收到第二控制信号时，过零单元可降低供电模块输出电压的幅值。通过设置过零单元，使得剩余电流保护装置工作电压超出其额定工作电压时，仍然可以可靠分断脱扣机构的负载中的电流。其中所述第二控制信号发出后用于控制继电器单元的第一控制信号停止，或失效。

在保护装置的电流提供组件的又一种示意性的实施方式中，过零单元包括一个继电器电路。

在保护装置的电流提供组件的又一种示意性的实施方式中，电流提供组件还包括一个隔离开关模块，隔离开关模块的输入端与整流单元的输出端可电连接，其输出端与低压限流单元的输入端和控制模块的供电端可电连接，隔离开关模块的控制端可接收控制模块输出的第三控制信号，当隔离开关模块的控制端接收到第三控制信号，隔离开关模块可切断所述供电信号。通过隔离开关模块，实现了供电模块，与控制模块和低压大电流模块之间的电气隔离。

在保护装置的电流提供组件的又一种示意性的实施方式中，隔离开关模块由继电器电路实现。

下文将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施例，对电流保护装置的电流提供组件的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1是电流保护装置的电流提供组件一种示意性实施方式的结构示意图。

图2是电流保护装置的电流提供组件另一种示意性实施方式的结构示意图。

图3是电流保护装置的电流提供组件其他示意性实施方式的结构示意图。

图4和图5用于说明图2所示实施方式的电路结构示意图。

图6、图7和图5用于说明图3所示实施方式的电路结构示意图。

标号说明

10 供电模块

12 交流供电单元

14 供电限流单元

16 供电限压单元

18 整流单元

19 过零单元

20 控制模块

30 低压大电流模块

32 继电器单元

34 低压限压单元

36 低压限流单元

40 负载

50 隔离开关模块

I_D 供电信号

S_P 采样信号

S₁ 第一控制信号

S₂ 第二控制信号

S₃ 第三控制信号

I_B 电流信号

I_A 交流信号

V_o 输出电压。

具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同或结构相似但功能相同的部分。

为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

以下将以剩余电流保护装置为例描述本发明提出的方案。图1是根据本发明一个实施例的用于为保护装置中的脱扣机构提供驱动电流的电流提供组件的结构示意图。如图所示，电流提供组件包括一个供电模块10和一个低压大电流模块30。可选地，电流提供组件还可包括一个控制模块20。

其中，供电模块10的输出端可输出供电信号I_D。在此电流提供组件的实施方式中，供电模块10输出的供电信号I_D为直流电信号。

低压大电流模块30包括串联连接的一个继电器单元32和一个低压限压单元34，低压大电流模块30的输入端与供电模块10的输出端可电连接，使得低压大电流模块30可接收供电模块10输出的电流。脱扣机构的负载(例如，脱扣线圈)40并联于低压限压单元34的两端。当继电器单元32受控导通时，低压大电流模块30可输出一个大电流信号I_B至负载40。

控制模块20的输入端可接收来自例如剩余电流保护装置的保护触发信号S_P，该保护触发信号可以在保护装置检测到漏电时发出，用于触发脱扣机构动作。当控制模块20的输入端接收到保护触发信号S_P，控制模块20的输出端可输出控制信号。控制模块20输出端输出的控制信号可包括一个或多个控制信号，例如其可包括一个第一控制信号S₁，且继电器单元32的控制端可接收第一控制信号S₁用于控制继电器单元32的接通和分断，即继电器单元32可接通或分断低压大电流模块30输出至负载40的电流信号I_B。虽然在图1所示的实施方式中，继电器单元32的控制端响应于第一控制信号S₁，但继电器单元32的控制端也可以直接响应于该保护触发信号S_P，使得整个电流提供组件不需设置控制模块20。

保护装置的电流提供组件，通过低压大电流模块30中的低压限压单元34来限制负载40两端的电压在一定范围内，以满足负载40低压大电流的需要。例如，负载两端的电压可被限制在二十四伏特左右，而负载本身电阻一般为八欧姆，这样就可使得流经负载的电流为三安培，且负载两端的电压为二十四伏特的低压大电流需求。另外，在如此的低压下，就可以安全地小型继电器来实现对负载电流的通断控制，从而可以满足剩余电流保护装置小型化的体积要求，同时可以降低剩余电流保护装置的电流提供组件的成本。

虽然在图1所示的实施方式中，电流提供组件用于剩余电流装置，但还可以将电流提供组件用于过压保护装置、欠压保护装置等等。对于过压、欠压保护而言，其保护触发信号Sp会因过压或欠压而触发，而不是因漏电而触发。其他部分与以上描述一致。

在保护装置的电流提供组件一种示意性实施方式中，低压限压单元34可以采用压敏电阻实现限压功能，但也可以采用瞬态电压抑制器(TVS)、稳压二极管、放电管等具有限压功能的元器件代替压敏电阻。

图1所示的控制模块20，可以采用反向器，集成运算放大器或类似功能的芯片，也可以采用分立元件组成的信号处理电路(例如三极管，场效应管，电子管等等)，也可以采用微处理器芯片等。可选的控制模块20还可以与例如RCD中的微处理器集成在一起。

在图1所示的示意性实施方式中，控制模块20的供电端可电连接于供电模块10的输出端，即供电模块10为控制模块20提供电能供其工作，但还可以为控制模块20配制其他的供电方式，例如为控制模块20单独配备电池。

图2是保护装置的电流提供组件另一种示意性实施方式的结构示意图，图中与图1相同的部分在此不再赘述。如图所示，供电模块10包括一个交流供电单元12、一个供电限流单元14、一个供电限压单元16和一个整流单元18。交流供电单元12、供电限流单元14和整流单元18串联连接。交流供电单元12可输出交流信号I_A，例如三相交流信号。供电限流单元14可限制交流信号I_A的电流大小。整流单元18可将交流信号I_A整流为直流电，并通过整流单元18的输出端输出供电信号I_D。供电限压单元16并联于供电限流单元14的输出端，供电限压单元16可监测供电限流单元14输出端的输出电压V_O，当输出电压V_O出现瞬时很大的浪涌电压时，供电限压单元16将其后的电路电压限定在某一值，以保护后边的电路。

如图2所示，低压大电流模块30还包括一个低压限流单元36，低压限流单元36与限压单元34和继电器单元32串联连接，低压限流单元36的输入端可电连接于整流单元18的输出端，低压限流单元36可限制流经低压限流单元36、低压限压单元34和继电器单元32电流的大小，使低压大电流模块30工作在合适的电流范围内。

图3和图4用于说明图2所示实施方式的电路结构示意图。图3显示了供电模块10的一种示意性实施方式的电路结构图，如图所示，交流供电单元12是包括LA、LB、LC和N的三相四线交流电源。供电限流单元14包括绕线电阻R1、R2、R3和R4，它们分别串接在交流单元12的每一个供电线路上。供电限压单元16是包括压敏电阻R5、R6、R7和R8的限压电路。例如，压敏电阻R5和R6串联在LC和N线之间，即并联在供电限流单元的输出端。整流单元18是包括二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8组成的整流电路，在整流单元的输出端输出供电信号I_D。整流后的信号相当于将三相交流电的各个相电压叠加。其中压敏电阻R5、R6、R7和R8配合绕线电阻R1、R2、R3和R4，当三相四线交流电源输入瞬时浪涌电压时，通过压敏电阻R5、R6、R7和R8的参数选择，将压敏电阻R5、R6、R7和R8之后电路的电压限制在某一合理值，使得电路得到保护。

虽然在图3所示的实施方式中，供电模块10采用从三相交流电取电的方式，但供电模块还可以采用电池、AC-DC电源模块、DC-DC电源模块或者利用电流互感器从电网取电的方式。

图4显示了低压大电流模块的一种示意性实施方式的电路结构图。如图所示，继电器单元32包括一个继电器K1和用于驱动继电器K1的驱动电路(包括三极管Q4和二极管D18)。三极管Q4的基极为继电器单元的控制端。第二限流单元36为一个限流电阻R30。低压限压单元34为一个压敏电阻R42。

参见图3和图4，整流单元18的输出端A连接至限流电阻R30的B端。当剩余电流保护装置的检测单元未检测到剩余电流存在(无触发信号)时，三极管Q4截止，继电器K1处于分断状态；当剩余电流保护装置的检测单元检测到剩余电流存在(触发信号有效)时，控制模块(图中未显示)输出的第一控制信号S₁使三极管Q4导通，从而使继电器K1接通，供电模块10向限流电阻R30、压敏电阻R42、负载40和继电器K1的线路供电。在压敏电阻R42的作用下，负载40得到低压下的大电流。

图5是电流保护装置的电流提供组件其他示意性实施方式的结构示意图，图中与图2相同的部分在此不再赘述。在图5所示的电流提供组件中还包括一个隔离开关模块50。这个模块的作用是和继电器单元32一起配合动作，以增加整个组件中的电气间隙，确保操作安全。例如，如果继电器单元32采用了小型继电器，而整流单元18输出的电压又较高时，小型继电器不能提供安全的电气间隙。这时就需要增加隔离开关模块50，其本身也可以是一个继电器。这样，两个继电器相互配合(例如同时导通或先后导通)就可以提供至少两倍于单个继电器情况的电气间隙。当然，可选地，如果继电器单元32选用了较大的接触器，其能够确保安全的电气间隙，则隔离开关模块50也可以省略。

此外，在下进线系统中，例如带有剩余电流保护装置的断路器即使脱扣，负载40中仍然存在电流，因而必须在一定的延时时间后切断负载40中的电流，避免负载40长时间通过大电流而烧毁。以RCD为例，如果RCD工作在其额定电压范围内，例如85～440VAC，继电器单元32可以顺利分断，但如果剩余电流保护装置工作电压超出其额定工作电压时，继电器单元32两端的高电压使得其无法分断，从而使得负载40烧毁。因此，为了能够使得K1顺利分断，在本发明中还设置了过零单元19。在控制模块20在停止输出第一控制信号S₁使继电器单元32中的K1分断前，先发出一个第二控制信号S₂至过零单元19，使其分断，从而减小供电模块10输出电压的幅值，使得剩余电流保护装置工作在其额定工作电压范围内，大大减小需要分断的继电器两端的电压，使它们可以可靠分断，保护负载40不被烧毁。

如图5所示，过零单元19设置在供电限流单元14和整流单元18之间。交流供电单元12、供电限流单元14、过零单元19和整流单元18串联连接。控制单元输出的控制信号还包括一个用于控制过零单元的第二控制信号S₂，且过零单元19的控制端可接收第二控制信号S₂。当过零单元19的控制端收到第二控制信号S₂时，过零单元可降低供电模块10输出电压的幅值。在剩余电流保护装置的电流提供组件一种示意性实施方式中，过零单元19由一个继电器电路实现，例如断开三相交流线路中的两相。

图6、图7并结合图4可用于说明图5所示实施方式的电路结构示意图。图6显示了供电模块的一种示意性实施方式的电路结构图，图中与图3相同的部分在此不再赘述。如图所示，过零单元19包括一个三极管Q6和一个继电器K4，三极管Q6的基极为继电器单元的控制端。继电器K4可选择性地接通或分断从包括LA、LB、LC和N的三相四线交流电源，到包括二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8组成的整流电路之间的连接线路。例如，在图6中，正常情况下K4的两个触点常闭，三相交流电照常提供给整流电路。当因例如漏电保护，K1导通且延时了一预定延时时间(30ms)后时，控制模块可发出第二控制信号S₂给Q6，Q6可响应于此控制信号而导通，从而促使K4断开三相交流电中的例如其中两相。这样，整流电路所获得电压幅度就大幅度下降，使得整个波形向零点靠近。可选地，K4还可以断开其他两项，或一项交流电。此时，继电器单元中的继电器K1即可响应于控制信号S₁的停止或失效而顺利分断。

图7显示了隔离开关模块的一种示意性实施方式的电路结构图。如图所示，隔离开关模块50包括一个三极管Q7和一个继电器K3，三极管Q7的基极为继电器K3单元的控制端。K3为常开开关。当接收到保护触发信号(或控制器发出的控制信号S₃)时，Q7导通，K3闭合，从而低压大电流模块可得电。与此同时或者之前(或之后)，图4所示的K1也可响应于保护触发信号或控制电路发出的控制信号S₁而闭合，由此为负载40提供低压下的大电流。反之，K3和K1也可响应于相应的控制信号的失效而分断，以确保负载40不会因长时间通大电流而烧毁。

参见图6、图7和图4，整流单元18的输出端A连接至隔离开关模块50的A’端连接，且隔离开关模块50的B’端连接至限流电阻R30的B端。

结合图4-7的供电组件的整体操作如下。当剩余电流保护装置的检测单元未检测到剩余电流存在时，三极管Q6断开，继电器K4处于常闭状态，三相交流电正常供电；三极管Q7和Q4截止，继电器K3和K1处于分断状态。当剩余电流保护装置的检测单元检测到剩余电流存在时，控制模块(图中未显示)输出第一控制信号S₁和第三控制信号S₃至三极管Q4和Q7的基极，使得三极管Q4和Q7导通，从而控制继电器K1和K3接通，使得负载40得到需要的低电压和大电流，触发断路器的脱扣动作；在K1和K3导通，即给负载40提供大电流之后的30ms，控制模块先输出控制信号S₂到Q6，使得Q6导通，继电器K4断开三相交流电中的例如两相，从而降低了整流后的电压幅度。之后，控制模块还使得输出到Q4和Q7的基极的控制信号S₁和S₃失效，致使三极管Q4和Q7截止，从而控制继电器K1和K3分断，以切断负载40上的大电流。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于为保护装置中的脱扣机构提供驱动电流的电流提供组件，包括：

一供电模块(10)，其输出端可输出供电信号(I_D)；和

一低压大电流模块(30)，所述低压大电流模块(30)包括一继电器单元(32)和一低压限压单元(34)，所述低压大电流模块(30)的输入端可与所述供电模块(10)的输出端可电连接，所述低压限压单元(34)与所述继电器单元(32)串联连接，且所述脱扣机构的负载(40)并联在所述低压限压单元(34)的两端；

其中，响应于一个保护触发信号(S_p)，所述继电器单元(32)导通，使得所述脱扣机构的负载(40)在低压下获得电流信号(I_B)。

2.如权利要求1所述的电流提供组件，其中所述电流提供组件还包括一个控制模块(20)，且所述控制模块响应于所述保护触发信号(S_p)输出控制信号，所述控制信号包括一个第一控制信号(S₁)，所述继电器单元(32)的控制端可接收所述第一控制信号(S₁)以接通输出至所述负载(40)的所述电流信号(I_B)。

3.如权利要求1所述的电流提供组件，其中所述低压限压单元(34)包括压敏电阻。

4.如权利要求1所述的电流提供组件，其中所述供电模块(10)包括一个交流供电单元(12)、一个供电限流单元(14)、一个供电限压单元(16)和一个整流单元(18)；

所述交流供电单元(12)、所述供电限流单元(14)和所述整流单元(18)串联连接；

所述交流供电单元(12)可输出交流信号(I_A)；

所述供电限流单元(14)可限制所述交流信号(I_A)的电流大小；

所述整流单元(18)可对所述交流信号(I_A)进行整流，并通过其输出端输出整流后的所述供电信号(I_D)；

所述供电限压单元(16)并联于所述供电限流单元(14)的输出端，以实现限压。

5.如权利要求4所述的电流提供组件，其中所述低压大电流模块(30)还包括一个低压限流单元(36)；

所述低压限流单元(36)、所述低压限压单元(34)和所述继电器单元(32)串联连接；

所述低压限流单元(36)的输入端可电连接于所述整流单元(18)的输出端，所述低压限流单元(36)可限制从其上流过的电流大小。

6.如权利要求4所述的电流提供组件，其中所述供电限压单元(16)包括压敏电阻。

7.如权利要求4所述的电流提供组件，其中所述供电模块(10)还包括一个过零单元(19)，所述过零单元(19)设置在所述供电限流单元(14)和所述整流单元(18)之间，且与所述供电限流单元(14)和所述整流单元(18)串联连接，所述过零单元(19)的控制端可接收所述控制模块(20)输出的第二控制信号(S₂)，当所述过零单元(19)的控制端收到第二控制信号(S₂)时，所述过零单元(19)可降低所述供电模块输出电压的幅值，其中所述第一控制信号(S₁)在所述第二控制信号(S₂)发出之后失效。

8.如权利要求7所述的电流提供组件，其中所述过零单元(19)包括一个继电器电路。

9.如权利要求7所述的电流提供组件，其中所述电流提供组件还包括一个隔离开关模块(50)，所述隔离开关模块(50)的输入端与所述整流单元(18)的输出端可电连接，其输出端与所述低压限流单元(34)的输入端和所述控制模块(20)的供电端可电连接，所述隔离开关模块(50)的控制端可接收所述控制模块(20)输出的第三控制信号(S₃)，当所述隔离开关模块(50)的控制端接收到所述第三控制信号(S₃)，所述隔离开关模块可切断所述供电信号(I_D)。

10.如权利要求8所述的电流提供组件，其中所述隔离开关模块(50)由继电器电路实现。