CN1043392C - 接地故障断路器 - Google Patents

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Abstract

一种接地故障断路器，它包括：一个电压-电流变换器，它具有两个变压器，用于监测负载前后的电流；一个漏电流/电压检测器，用于处理变压器的输出并产生一个合成电压；一个电压比较器，把该合成电压和预定参考电压进行比较以确定在两个变压器输出之间是否存在一个由接地故障引起的差值，和一个开关驱动器，当上述两变压器输出之差超过预定参考电压时，把负载从电源断开。

Description

接地故障断路器
本发明涉及一种接地故障断路器，在负载电流中有接地故障漏电流时，能够把负载从交流电源断开，并在出现负载过电流时，有选择性地切除负载。
这种电路断路器可从英国专利第1359848号中得知，其中，该电路断路器具有一个锁扣(latch)和一个跳闸装置，通过释放该锁扣而使该电路断路器跳闸，所述跳闸装置具有可励磁工作的跳闸线圈。该电路断路器包括两个磁芯，其绕组设置在交流电桥的各个臂上，具有设置在电桥对角线上的跳闸线圈。两个磁芯被电感耦合到用于监视接地漏电流的导线上，以便向绕组提供两个差分变流器，使得包括跳闸线圈的电桥对角线会附加接收在绕组中由于导体中发生接地漏电流而感应的电压所产生的电流。
然而，这种电路断路器的问题是其灵敏度和响应速度都很低。
本发明的目的是通过提供一种改进的接地故障电路断路器来解决这种问题。本发明的基本构思是使用两个变压器，其构成和安排使得其合成输出通常为零。
为了实现上述目的，本发明提供一种用在含有交流电源和负载的电路中的接地故障断路器，它包括：电流-电压变换器，该变换器含有两个变压器，用于监测流经负载前后的电流；漏电流/电压检测器，用于处理两个变压器的输出，以产生一个合成电压；电压比较器，把该合成电压和预定参考电压进行比较，以确定在两个变压器的输出之间是否存在一个由负载接地故障引起的电压差；切换电路，当两个变压器输出电压之差大于预定参考电压时，把负载从电源断开；其中每个变压器有第一和第二两个初级线圈，它们被连到负载的两端，与正常负载电流相应，两个变压器在其各自的次级绕组上提供基本上相位相反的输出。
最好两个变压器的结构完全相同。
在第一个最佳方案中，两变压器的相应的第一初级绕组被串连在一起，并且两个相应的第二初级绕组也串联连接。
在第二个最佳方案中，两个变压器相应的第一初级绕组被并联地连在一起，且相应的第二初级绕组也被并联连接。
在第一个最佳实施例中，每个变压器的第一和第二初级绕组具有完全相同的导线截面，但匝数不同，以使在变压器次级绕组上的输出电压与另一个变压器的输出电压基本反相。
在第二个最佳实施例中，每个变压器的第一和第二初级绕组具有完全相同的匝数，但导线截面不同，以使该变压器次级绕组上的输出与另一变压器的输出基本反相。
在第三个最佳实施例中，每个变压器的第一和第二初级绕组具有完全相同的导线截面和相同匝数，但一个绕组与一个电阻并联，以使该变压器二次绕组上的输出与另一个变压器的输出反相。
最好是，预定的参考电压是可调的，以便调整断路器对接地故障的响应灵敏度。
接地故障断路器还可以包含另一个电压比较器，它将上述任一变压器次级绕组上的输出电压和预定的门限电压比较，当其超过门限电压时，开关电路就动作，以避免负载过电流。
尤其是，上述另一个电压比较器的预定门限电位是可调的，以便调整断路器对过电流的响应灵敏度。
本发明的优点是改进了接地故障电路断路器的灵敏度和速度。
下面参照附图更详细地描述本发明，其中：
图1是本发明接地故障断路器的实施例的电路简图；
图2a到2e是适合用0在图1电路断路器中的5种可能的电流-电压变换器的电路简图；
图3a到3c是由图2a到2e的每个电流-电压变换器检出的负载电流和漏电流的波形图；
图4a到4b是适合用在图1断路器中的两种可能的漏电流/电压检测器。
首先参看图1。这是一个实施本发明的接地故障断路器10，这个断路器10用在包含一个负载11和一个交流电源(未示出)的电路中。断路器10包含一个接有负载11的电流-电压变换器12，变换器12用于检测包含任一来自负载11的接地漏电流故障的负载电流。漏电流/电压检测器13A连到变换器12的输出端，用于处理变换器的输出电压，并提供一个合成电压，根据预定的参考电压来检验是否存在一个接地故障电流。断路器10还包括一个开关驱动器14，当出现接地漏电流时，把负载11从电源断开。
图2a到图2e示出了实现电流-电压变换器12的5种可替换电路方案，其中首先涉及图2a的变换器12A。变换器12A由第一和第二变压器T1和T2构成。变压器T1有第一和第二初级绕组P11和P12，变压器T2有第一和第二初级绕组P22和P21。变压器T1和T2的相应的初级绕组P11和P21是完全相同的，并且各自的初级绕组P12和P22也是完全相同的。变压器T1和T2具有相应的完全相同的次级绕组S1和S2。变压器T1和T2的第一初级绕组P11和P22串联连接在负载11的火线端上，而其第二初级绕组P12和P21连接在负载的中性线端上。容易理解，变压器T1和T2有相同的结构，但相对于负载11，变压器T1的初级绕组P11和P12是和变压器T2的初级绕组P21和P22的接法相反的。
在图2a中，正常负载电流用I2表示，负载上接地故障引起的漏电流用I1表示。负载电流I2流过每个变压器T1和T2的两个初级绕组P11和P12、P21和P22，但如图所示，漏电流I1将仅流过变压器T1的第一初级绕组P11和变压器T2的第一初级绕组P22。
每个变压器T1或T2的初级绕组P11和P12、P21和P22具有相同的导线截面，但是，初级绕组P11、P21的匝数比初级绕组P12、P22的匝数多，磁耦合的初级绕组P11和P12、P21和P22的相对匝数，是确定变压器T1或T2的N/S极性的因素。变压器T1和T2的初级绕组P11和P12、P21和P22的结构和接法是这样设计的，使得各个变压器的电感大小相同，但相位相反。流过变压器T1和T2的负载电流I2在初级绕组P11和P12、P21和P22中将引起完全相反的N/S极化效果。在任一给定时间内，每个变压器T1和T2的磁场的N/S极性，是由一组初级绕组P11或P22超过或低于另一组初级绕组P12或P21的合成磁感应所确定的。
就负载电流I2而论，它使变压器T1和T2的相应的次级绕组S1和S2上产生的电动势E1和E2具有相同的值，但相位相差180°，如图3b所示。由于漏电流I1只经过变压器T1和T2的第一组初级绕组P11和P22，而不流过其第二组初级绕组P12和P21，相应地，在变压器次级绕组S1和S2上，漏电流I1感应的电动势E1和E2在相位上保持如图3a所示的情形。每个变压器T1和T2的负载电流和漏电流I2和I1所感应的电动势E1和E2的合成波形如图3c所示。
图4a和4b示出了漏电流/电压检测器的两种可替换的方案13A和13A′，其输出被连到了一个电压比较器方块13B上。
漏电流/电压检测器13A是由跨接在变压器T1和T2的次级绕组S1和S2两端的串联滤波电容器对C1和C2和与电容器对C1和C2并联的电阻R3构成。由于电容器C1和C2是串联的，变压器T1和T2的滤波/整流输出电动势E1和E2就迭加在一起，在电阻R3上产生一个合成电压，再由电压比较方框13B去处理。容易理解，由负载电流I2单独感生的两个电动势，由于相位相反，彼此完全抵消，结果，所述的合成电压就只表示漏电流I1的双倍值。
电压比较器方块13B包含：一个运算放大器15，用于放大漏电流/电压检测器13A提供的合成电压；和一个运算放大器比较器16，用于把被放大的合成电压和预定的参考电压进行比较，并且该预定参考电压通过可变电阻R4可被调整。参考电压与接地故障漏电流的最大容许极限相对应。因此，断路器响应接地故障的触发灵敏度是可调的。在运算放大比较器16的输出端接有一个二极管D1，当被放大的合成电压超过参考电压时，它就导通。
开关驱动器14是由一个电磁线圈17和可控硅19构成，该电磁线圈17控制一被拉伸弹簧铰接的软铁臂18，可控硅19控制该电磁线圈17的操作。运算放大比较器16的二极管D1连接到可控硅19的控制极，以便当二极管D1导通时(响应于出现漏电流I1)，通过控制极去触发可控硅19，可控硅19导通，电磁线圈17就被激励。然后电磁线圈17产生引力，使被铰接的臂18旋转，打开控制电源向负载提供电力的双刀双掷开关20。
可以理解，漏电流I1可能出现在负载电路的任何一个部分，造成变压器T1和T2的输出电压之间不平衡或不对称，由此产生一个合成电压，通过开关驱动器14，使开关20跳闸。
断路器10还包括另一个电压比较器方块21，它包括一个运算放大比较器22，用于检测流过负载11的任何一个过电流。运算放大器22的第一输入端被连到变压器T2(或变压器T1)的次级绕组S2(或S1)上，以便拾取变压器T2(或T1)的输出电压，所述输出电压代表负载电流I2的值。运算放大比较器22的第二输入端连到整机电路直流工作电压V和本地接地端之间的可变电阻R5上。可变电阻R5确定一可调门限电压，以便通过运算放大比较器22把该门限电压和由第一输入端拾取的电压进行比较。当被拾取的电压超过门限电压时，运算放大比较器22通过连接在可控硅19控制极上的二极管D2提供一个输出，触发可控硅19去操作电磁线圈17以打开开关20，从而把负载11从电源断开。可以理解，通过可变电阻R5，就可以调整断路器10的响应负载过电流的灵敏度。
开关20有一对压缩弹簧的开关动触头25，和支撑在开关触头25一端上的一个长操作杆26，操作杆26反端形成一个钩28，通常啮合在固定支座27的后面，以保持开关20闭合。铰接臂18被电磁线圈17作用而绕轴旋转，向外把钩28推出支座27以打开开关20。在接地故障或过电流已被排除以后，开关20被复原，通过纵向手推操作杆26返回，直到钩28再次与支座27的背面啮合，再次把开关20闭合，从而使负载11连通到电源上。
断路器10还包括一个内装电压调节器23，用来把来自电源的交流电网电压转换为直流电压V，去操作整机电路。调节器23是由一个桥式整流器24、二个电容C3和C4、一个电阻R6和一个齐纳二极管Z1连在一起构成，以常规方式进行全波整流。
参见图2b，这里示出了一个第二电流-电压变换器12B，其工作方式与第一变换器12A相同。在变换器12B中，两个变压器T1和T2的初级绕组P11和P12、P21和P22具有相同的匝数，但初级绕组P12、P22的导线截面比初级绕组P11、P21的大。就每对磁耦合的初级绕组P11和P12、P21和P22而言，这些绕组相互作用，从而确定了由流过两个绕组的负载电流I2所感生的变压器输出电势E1或E2间的一定的相移。变压器T1和T2的初级绕组P11和P12、P21和P22是如此安排的，使得相应负载电流感生的变压器输出电动势E1和E2的相位恰好相差180°。就漏电流I1而言，相应的感应的变压器输出电动势E1和E2保持同相，因为漏电流I1仅仅流过变压器T1和T2的第一初级绕组，而不流过它们的第二初级绕组。
现在参看图2c，它示出了第三个电流-电压变换器12C，变换器12C的工作和第一变换器12A相同。变压器T1和T2的所有4个绕组具有相同的截面和相同的匝数，但是一个电阻R1或R2被并联到每个初级绕组P12或P22上，以确定所要求的变压器输出电动势E1和E2的相移。
图2d和2e示出了另外两个可替换的电流-电压变换器12D和12E，除了两个第一或第二初级绕组P11和P22、P12和P21是并联而不是串联外，它们与第一和第二交换器12A和12B非常类似。
本发明是仅仅通过举例方法给出的，在不脱离所附权利要求规定的本发明的范围的情况下，熟悉本技术的人可以对上述实施例作出修改或变换。

Claims (10)

1．一种接地故障断路器，用在包含一个交流电源和一个负载的电路中，它包括：一个电流-电压变换器，它具有两个变压器，用以监视流过负载前和流过负载后的电流；一个漏电电流/电压检测器，以便处理变压器的输出，产生一个合成电压；一个电压比较器，通过把合成电压和一预定参考电压进行比较而确定在两个变压器输出之间是否存在一个差值，这个差值是由接地故障引起而出现在所述负载上的；和一个开关电路，当两变压器输出间的差值超过预定参考电压时，把负载从电源断开；其特征在于，每个变压器有第一和第二初级绕组连到该负载的两端，与正常负载电流相应，两个变压器在其各自的次级绕组上提供相位相反的输出电压。
2．一种如权利要求1所述的接地故障断路器，其中两个变压器具有完全相同的结构。
3．一种如权利要求1所述的接地故障断路器，其中各变压器的相应的第一初级绕组是串联的，且相应的第二初级绕组也是串联的。
4．一种如权利要求2所述的接地故障断路器，其中各变压器相应的第一初级绕组是并联的，且相应的第二初级绕组也是并联的。
5．一种如权利要求2所述的接地故障断路器，其中每个变压器的第一和第二初级绕组具有完全相同的导线截面，但是不同的匝数，以使一个变压器次级绕组上的输出与另一变压器的输出相位相反。
6．一种如权利要求2所述的接地故障断路器，其中每个变压器的第一和第二初级绕组具有完全相同的匝数，但导线截面不同，以使得在一个变压器次级绕组上的输出与另一变压器的输出相位相反。
7．一种如权利要求1所述的接地故障断路器，其中每个变压器的第一和第二初级绕组具有相同的导线截面和匝数，但是一个绕组与一个电阻并联，以使该变压器在其次级绕组上的输出与另一个变压器的输出相位相反。
8．一种如权利要求1所述的接地故障断路器，其中所述预定参考电压是可调的，以便调节断路器响应接地故障的灵敏度。
9．一种如权利要求1所述的接地故障断路器，它还包括另一个电压比较器，把任一变压器次级绕组上的输出和一个预定门限电压进行比较，当超过门限电压时，开关电路动作，以避免负载过电流。
10．一种如权利要求9所述的接地故障断路器，其中所述另一电压比较器的预定门限电压是可调的，以便调节断路器响应这一过电流的灵敏度。
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