CN104143811B - 一种直流漏电保护电路 - Google Patents

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本发明属于漏电保护技术领域,公开提供了一种直流漏电保护电路,包括漏电断路器、第一可控开关和至少一个第一电阻、第二可控开关和至少一个第二电阻、以及用于控制第一可控开关和第二可控开关通断的开关控制电路,所述交流漏电断路器的进线N端和L端分别接电源端正母线和负母线,出线N端和L端分别接负载端正极和负极;第一可控开关和第一电阻串联在正母线和地线之间,第二可控开关和第二电阻串联在负母线和地线之间。本发明省略了专用于直流检测的传感器及检测电路,以最简单的线路结构和最低的成本实现直流供电线路的漏电保护。有利于简化用电线路结构,节约线路配置成本。

Description

一种直流漏电保护电路
技术领域
本发明属于漏电保护技术领域,涉及直流供电系统的漏电保护技术,具体的说是一种直流供电系统的漏电保护方法。
背景技术
随着开关电源技术的发展和普及,直流供电已被广泛运用于大型机房和数据中心。在交流供电系统中,漏电保护一般使用常见的漏电断路器即可。现有漏电断路器,主要由作为检测元件的零序电流互感器和作为操作执行机构的脱扣器组成,用于单相低压交流供电系统的漏电断路器的零序电流互感器包括两组一次绕组和一组二次绕组,两组一次绕组分别串联在供电线路中的相线和零线中,二次绕组与脱扣器联接。正常不发生漏电时,通过互感器的两组一次绕组的交变电流大小相等方向相反,且相位同步,因交变电流所产生的交变磁场相互抵消,二次绕组中不产生互感电流。当用电系统某处电路发生漏电时,相线和零线中流过的电流就会不平衡,互感器的一次绕组将产生交变磁场,二次绕组内产生感应电流,从而触发脱扣器动作,断开开关,保证用电安全。
但是,根据互感器的原理,互感电流的产生条件是,存在交变磁场。由于直流电流不产生交变磁场,所以现有的漏电断路器都仅适用于交流供电系统,断路器只能识别交变的漏电电流,直接把这种漏电断路器设置在直流供电系统中,当发生漏电时,因漏电流是一个直流电流,漏电断路器中的互感器二次绕组无法感应出电流,也就无法触发脱扣器动作,断开开关。
目前,直流供电系统漏电保护一般有两种方法:一是给整个系统安装一套绝缘检测装置,当系统某处电路发生漏电时,绝缘检测可以检测出发生故障的地方,并发出报警,工作人员可以人工排除故障;二是在支路的正负线路上安装电流传感器,通过比较输入和输出的电流大小是否一致来判断是否存在漏电,如有漏电则通过一些执行部件将电路断开。
方法一不足的地方是当系统发生漏电时,不能立刻将电源切断,存在一定的安全隐患。方法二不足的地方是需要额外加电流传感器以及相应的检测电路和受检测电路控制的执行部件来起到保护的作用,结构相对复杂,成本高。
发明内容
本发明的目的是针对现有直流供电系统漏电保护方法所存在的上述不足,提供一种将用于单项交流供电线路的普通漏电断路器转用于直流供电线路,并在有接地发生时,漏电流可被漏电断路器识别并迅速断开开关的直流漏电保护方案。
为了实现上述目的,本发明提供一种直流漏电保护电路,包括漏电断路器、第一可控开关和至少一个第一电阻、第二可控开关和至少一个第二电阻、以及用于控制第一可控开关和第二可控开关通断的开关控制电路,所述交流漏电断路器的进线N端和L端分别接电源端正母线和负母线,出线N端和L端分别接负载端正极和负极;第一可控开关和第一电阻串联在正母线和地线之间,第二可控开关和第二电阻串联在负母线和地线之间;所述开关控制电路包括两个控制信号输出端,分别接第一可控开关和第二可控开关的控制端。
本发明所述漏电保护电路,把直流用电线路的正母线和负母线类比为单相交流用电线路的N线和L线,参照漏电断路器在交流用电线路中的连接方法,将用于单项交流供电系统的普通漏电断路器连接在直流供电系统中。并在直流供电系统的正母线和地线之间串联至少一个电阻和一个可被控制的开关,同样在负母线和地线之间也串联至少一个电阻和一个可被控制的开关。通过开关控制电路控制可控开关的反复通断,当用电线路中有漏电流产生时,直流漏电信号经地线及反复通断的可控开关被转换成正半周方波交变信号后,回流至漏电断路器中零序互感器的某一次绕组,则零序互感器的二次绕组产生互感电流驱动脱扣机构断开用电线路。
为了避免发生正母线和负母线之间直接通过上述两个电阻相连形成回路造成电能浪费的情况,作为一种改进,本发明在对可控开关的控制方式上进一步提出一种交错通断的方法,即当正母线和地线之间的开关闭合时,负母线和地线之间的开关断开,当正母线和地线之间的开关断开时,负母线和地线之间的开关闭合。采取该控制方法,可以有效避免,正母线与负母线经电阻连接形成回路。使漏电保护电路的设置对供电线路不构成任何影响。控制开关通断的频率优选为交流供电系统中交流电的频率——50Hz,或在40Hz~60Hz的频率范围内,以使通过交流漏电断路器的交变电流信号更接近于常见交流电信号。
上述漏电保护电路在实际使用中,当支路负载端正极发生接地时,漏电流通过负母线与地线之间的电阻流回电源负极,形成电流回路;当支路负载端负极发生接地时,漏电流通过正母线与地线之间的电阻从电源正极流出,形成电流回路。由于正负母线和地之间的电阻是以一个固定频率在变换着连接和断开的状态,所以不管支路负载端哪一极发生接地,通过漏电断路器的漏电电流始终是一个固定频率的交流电流,漏电断路器就可以识别出系统是否发生漏电,实现漏电保护的功能。
本发明所述电路省略了专用于直流检测的传感器及检测电路,以最简单的线路结构和最低的成本实现直流供电线路的漏电保护。有利于简化用电线路结构,节约线路配置成本。
根据背景技术描述可知。所述漏电断路器包括一个零序电流互感器、一个由零序电流互感器二次绕组触发的脱扣器、一个由脱扣器驱动的脱扣开关。当互感器中通过一个交变电流时,互感器二次绕组产生感应电流,触发脱扣器动作,断开开关。如将漏电断路器分解开来,上述漏电保护电路可进一步改进如下:
一种直流漏电保护电路,包括零序电流互感器、由零序电流互感器二次绕组触发的脱扣操作机构、第一可控开关和至少一个第一电阻、第二可控开关和至少一个第二电阻、以及用于控制第一可控开关和第二可控开关通断的开关控制电路;脱扣操作机构由脱扣器及由脱扣器驱动的脱扣开关组成,脱扣器与零序电流互感器二次绕组连接,脱扣开关串联在供电线路中;零序电流互感器包括两组一次绕组,分别串联在正母线和负母线上;第一可控开关和第一电阻串联在正母线和地线之间,第二可控开关和第二电阻串联在负母线和地线之间。所述开关控制电路包括两个控制信号输出端,分别接第一可控开关和第二可控开关的控制端。
所述第一电阻和第二电阻作用在于防止母线与地线直接连接,其数量选一个或多个并不影响其作用效果。所述开关控制电路提供一个或两个固定频率的开关信号,分别输出到第一可控开关和第二可控开关的控制端,以分别控制两个可控开关通断。
所述可控开关可以是任何能够通过电路控制导通和断开的开关装置或元件,可以选用继电器、三极管、光电耦合器等。考虑到继电器有开关次数的限制,三极管无法把控制信号和系统电压隔离,本发明优选光电耦合器作为可控开关,既不受开关次数的限制也可将控制信号和系统电压隔离。开关控制电路输出的高低电平信号控制光电耦合器输入端的发光元件是否发光,继而控制光电耦合器输出端的两个节点导通或断开,从而实现所述可控开关的导通或断开功能。所述开关控制电路控制第一可控开关与第二可控开关的过程中,为了避免发生正负母线之间直接通过上述两个电阻相连的情况,优选采用交错通断的方法,即当正母线和地之间的开关闭合时,负母线和地之间的开关断开,当正母线和地之间的开关断开时,负母线和地之间的开关闭合。控制开关通断的频率优选为交流供电系统中交流电的频率——50Hz,或在40Hz~60Hz的频率范围内。
所述开关控制电路只要具有间断地输出高低电平信号的功能即可。例如可采用555定时器作为主元器件配若干电阻电容等辅助元器件组成。555定时器通过其外围的电阻电容,选择合适的阻值和容值,使得555芯片的3脚输出一个频率固定的方波信号,线两路线路分别连接到两个可控开关的控制端,其中一线路通过串联一个反相器得到一个与原来信号高低电平相反的新的方波信号。这两个信号分别控制后续的两个可控开关,实现两个可控开关的交错导通或断开。又可由一个微控制器及部分电阻电容等辅助元器件组成,利用程序直接由微控制器产生两个频率固定的高低电平相反的方波信号,经过控制器的两个输出接口分别输出到两个可控开关的控制端。这两个信号同样分别控制所述的两个可控开关,实现开关的导通或断开。同样地,微控制器也可以输出一个方波信号,分两路发送到两个可控开关,其中一路由一个反相器得到一个与原来信号高低电平相反的方波信号,进而实现交错通断控制。
附图说明
图1 为直流供电系统漏电保护电路示意图。
图2 为漏电断路器内部结构示意图。
图3为采用555定时器的开关控制电路原理图。
图4为采用微控制器的开关控制电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图来详细说明本发明的漏电保护方法。
如图1所示,为了使直流供电系统中的直流漏电电流转变成交流电流,本发明在直流供电系统的正母线和地之间串联一个电阻R1和一个可被控制的开关S1,同样在负母线和地之间也串联一个电阻R2和一个可被控制的开关S2。通过控制电路来控制开关S1和开关S2的闭合和断开,来实现正负母线和地之间是否通过电阻相连。为了避免发生正负母线之间直接通过两个电阻相连的情况,本发明在对开关控制的过程中采用交叉通断的方法,即当正母线和地之间的开关S1闭合时,负母线和地之间的开关S2断开,当正母线和地之间的开关S1断开时,负母线和地之间的开关S2闭合。控制开关通断的频率为交流供电系统中交流电频率:50Hz。
如图1所示,电阻Rx+和Rx-表示当系统中发生漏电现象时,正负极对地的等效电阻。当支路负载端正极发生接地时,漏电流通过Rx+和负母线与地之间的电阻R2流回电源负极;当支路负载端负极发生接地时,漏电流通过正母线与地之间的电阻R1从电源正极流出再通过Rx-流回电源负极。由于正负母线和地之间的电阻是以50Hz的频率在变换着连接和断开的状态,所以不管支路负载端哪一极发生接地,通过漏电断路器的漏电电流始终是一个频率为50Hz交流电流,漏电断路器就可以识别出系统是否发生漏电,实现漏电保护的功能。
如图3所示,采用555定时器的开关控制电路,555芯片的1脚接电源负极,2脚和6脚相连,并通过一个电容C2接电源负极,通过一个电阻R7接7脚,7脚再通过一个电阻R6接8脚,4脚和8脚接电源正极,5脚通过一个电容接电源负极,3脚通过一个电阻R5接电源正极。通过选取电阻和电容的大小来使得3脚输出一个频率为50Hz的方波信号,再通过一个反相器U3A得到一个高低电平与原来相反的方波信号,分别控制后面的两个可控开关。控制信号接光电耦合器的2脚,其1脚通过一个电阻R3、R4接电源正极,其输出端3脚和4脚作为开关连接在母线与地线之间。当控制信号为高电平时,光电耦合器输入端的发光元件不发光,其输出端的两个节点断开;当控制信号为低电平时,光电耦合器输入端的发光元件发光,其输出端的两个节点导通。这样两个可控开关的状态将以频率为50Hz交错导通和断开。
如图4所示,微控制器通过程序控制,输出两个高低电平相反的频率为50Hz的方波信号,后续控制光电耦合器的导通和断开与上述采用555定时器的开关控制电路原理一致。

Claims (15)

1.一种直流漏电保护电路,包括漏电断路器、第一可控开关和至少一个第一电阻、第二可控开关和至少一个第二电阻、以及用于控制第一可控开关和第二可控开关通断的开关控制电路,所述漏电断路器的进线N端和L端分别接电源端正母线和负母线,出线N端和L端分别接负载端正极和负极;第一可控开关和第一电阻串联在正母线和地线之间,第二可控开关和第二电阻串联在负母线和地线之间。
2.根据权利要求1所述的直流漏电保护电路,其特征在于,所述开关控制电路包括两个控制信号输出端,分别接第一可控开关和第二可控开关的控制端。
3.根据权利要求1所述的直流漏电保护电路,其特征在于,两个所述可控开关交错通断。
4.根据权利要求1所述的直流漏电保护电路,其特征在于,所述可控开关为继电器、三极管、光电耦合器中任一种。
5.根据权利要求1所述的直流漏电保护电路,其特征在于,所述开关控制电路输出一个或两个固定频率的开关信号,分别输出到第一可控开关和第二可控开关的控制端。
6.根据权利要求1所述的直流漏电保护电路,其特征在于,所述开关控制电路包括555定时器,555定时器的3脚输出一个频率固定的方波信号,分两条线路分别连接到两个所述可控开关的控制端,其中一条线路中串连一反向器。
7.根据权利要求1所述的直流漏电保护电路,其特征在于,所述开关控制电路包括微控制器,所述微控制器产生两个频率固定的高低电平相反的方波信号,经过控制器的两个输出接口分别输出到两个可控开关的控制端。
8.一种直流漏电保护电路,包括零序电流互感器、由零序电流互感器二次绕组触发的脱扣操作机构、第一可控开关和至少一个第一电阻、第二可控开关和至少一个第二电阻、以及用于控制第一可控开关和第二可控开关通断的开关控制电路;脱扣操作机构由脱扣器及由脱扣器驱动的脱扣开关组成,脱扣器与零序电流互感器二次绕组连接,脱扣开关串联在供电线路中;零序电流互感器包括两组一次绕组,分别串联在正母线和负母线上;第一可控开关和第一电阻串联在正母线和地线之间,第二可控开关和第二电阻串联在负母线和地线之间。
9.根据权利要求8所述的直流漏电保护电路,其特征在于,所述开关控制电路包括两个控制信号输出端,分别接第一可控开关和第二可控开关的控制端。
10.根据权利要求8所述的直流漏电保护电路,其特征在于,两个所述可控开关交错通断。
11.根据权利要求8所述的直流漏电保护电路,其特征在于,两个所述可控开关按50Hz的固定频率交错通断。
12.根据权利要求8所述的直流漏电保护电路,其特征在于,所述可控开关为继电器、三极管、光电耦合器中任一种。
13.根据权利要求8所述的直流漏电保护电路,其特征在于,所述开关控制电路提供一个或两个固定频率的开关信号,分别输出到第一可控开关和第二可控开关的控制端。
14.根据权利要求8所述的直流漏电保护电路,其特征在于,所述开关控制电路包括555定时器,555定时器的3脚输出一个频率固定的方波信号,分两条线路分别连接到两个所述可控开关的控制端,其中一条线路中串连一反向器。
15.根据权利要求8所述的直流漏电保护电路,其特征在于,所述开关控制电路包括微控制器,所述微控制器产生两个频率固定的高低电平相反的方波信号,经过控制器的两个输出接口分别输出到两个可控开关的控制端。
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