CN1050238C - 用于监测电气设备接地完备性的检测器 - Google Patents

Abstract

一种用于监测电气设备接地完备性的检测器，该电气设备具有用于从电源的相应火线和零线向设备馈送电流的火线和零线端子，该电源具有用于与设备接地端子相连的接地点。该检测器包括一差分比较器电路，用于将设备零线端子电压和接地端子电压进行比较，当二者之差超过一预定阈值时产生一个故障信号。一常闭开关设备至少与火线和零线端子之一相连，以便由可操作地耦合至该检测器并响应其产生的故障信号的一继电器开。

Description

用于监测电气设备接地完备性的检测器

本发明涉及接地故障回路的电保护系统。

在过去15到20年里，为了防止漏电故障，漏电断路器(ELCBs)发挥了越来越多的作用。众所周知，ELCB的原理在于，当发生接地故障时，一些在正常情况下流出火线并经零线返回的电流，会泄漏到地，因此，对应火线(或相线)和零线电流之间存在不平衡。如果检测到这个不平衡超过某一预定的阈值时，就启动继电器以切断馈至火线和零线的电源电压。

ELCB在防止具有一接地的导电外壳的设备生漏电时特别有效。在这种情况下，如果设备出现某种故障以至于外壳带电，电流就会泄漏到地并立即启动ELCB。但如果该设备接地不好以至于在外壳带电的情况下电流没有泄漏通路，ELCB就不会被启动，除非有人接触这个导电外壳并由此提供接地途径。在这种情况下，漏电流流经导致引起ELCB操作的所需的火、零线电流之间不平衡的人体。在这种情况下，虽然ELCB仍能正常工作，但必须有通过接触该设备的人体的泄漏电流。

因此，必须调整ELCB使得在上述情况下产生的泄漏电流对人体来说不是致命的。但是，这个所谓“致命”漏电流大小对不同的人并不一样。而且，实际流过接触该“带电”设备外壳的人体的电流是人体电阻的函数。皮肤湿润的人(如母亲和儿童)比起皮肤干燥结茧的建筑工地人员来，人体电阻要小得多。泄漏电流对后者只产生轻微触电感觉时，对于前者就可能是致命的了。再者，对年轻人可能致命的漏电流还是太小，以至于如果针对这么小的漏电流启动ELCB的话，在实际操作中会导致ELCB的错误报警或误动作。。

实际上对上述问题并没有完善的解决方案。人们所能做的只是使ELCB工作在大约30mA的“平均”漏电流的情况下，即使清楚这可能对一部分人来说是致命的。更何况对没有接地或接地不好的设备，漏电流一般通过人体流向地，而这个人往往是偶然触到金属外壳的。显然，至少在某些情况下，ELCB只提供了一个表面的，而不是完善的安全保障。

此项发明的目的在于提供一种能替代ELCB或能与之协同工作的设备，这个设备能消除或大大改善上述不足之处。

根据本发明的一个主要方面，提供一种用于监测电气设备接地完备性的检测器，该电气设备具有用于从电源的相应火线和零线向该设备馈送电流的火线和零线端子，该电源具有用于与该设备的接地端子相连的接地点，所述检测器包括：

一差分比较器，用于对设备零线端子电压和接地端子电压进行比较，且当所述电压的差值超过给定阈值时对应产生一个故障信号。

这样的检测器只能用来给出“设备接地有故障”的指示。最好，该检测器还包括响应该故障信号的一断路装置，用于打开至少在火线与零线之一上的开关触点。

为了理解本发明及其如何实现，以下将仅采用非限定性示例结合附图对一些优选实施例进行描述，其中：

图1a，1b和1c表示包括根据本发明的一检测器的设备的示意图；

图2是根据本发明的该检测器的示意性电路图；

图3是与发明一同使用的辅助检测器的原理图；

图4是描述根据本发明的检测器如何与传统ELCB或接触器一同使用的原理图。

图1a中，示出代表分别连接至火，零线端子12和13的电气负载11的设备10。提供给设备10的电流来自电源的火线14和零线15，这个电源在图中是用一个变压器线圈16来表示的。实际上变压器线圈16是具有星形连接的变压器副边绕组的三相电源的一相，构成零线15的其星点连接到地GND。

设备10有一个直接连到GND的接地端子17。应理解，由GND代表的接地端实际上是由供电部门提供的并通常被连至用户配电板上的本地母线(图中未示出)。连接于设备10的零线端子13和接地端子17间的是检测器18，用于监测接地端子17与GND之间的连接情况。为完整起见，应该指出，接地端子17处的电位和远端配电变压器处电源地的电位(也由GND来表示)名义上是相同的，但是它们实际情况下并不是物理的连接于同一点，因此这两点的电位有一些差别是允许的。最大允许的电位差由供电部门提供，典型值是小于12V。检测器18检测零线端子13和接地端子17间的电位差是否超过供电部门允许的最大值，如果超过，就产生显示设备10接地有故障的故障信号。

图1b是火线端子12被错误地连到接地端子17的情况。如果接地端子17与GND连接，就会存在流至地的泄漏电流，因此火线电流与零线电流之间存在不平衡，其值足以引起传统的ELCB动作。(如图4)

图1C中，示出了另一个引起火线端子12与接地端子17之间实际上短路的故障情况。但此时由于接地不良或没有接地，接地端子17并没有与GND相连。或者由于例如从用户配电板至接地端子17的直接接地被腐蚀，接地端子17和GND之间的电阻变大，导致接地端子17的电位高于GND。如果有人接触到这个设备，就与其火线端子12直接接触，并提供了另一条泄漏通路，这将是很危险的。对GND的直接接地阻抗越大，通过人体分流的电流也就越大。如上所述，这个电流有时是致命的。

现参看图2，示出包括连接到设备10的接地端子17的一低压支路20和一高压支路21的检测器18的电路图，其中一经稳压的6V直流电压跨接该高压支路。该经稳压的直流电压以传统方式通过一降压变压器22得到，22的原边线圈23两端分别与火线14和零线15相连接，而其副边线圈24连接到标准桥式整流器25，25的负极性输出端与低压支路20相连，而其正极性输出端则经过整流二极管26连接至传统6V的集成稳压器27。

包括电阻28和29的第一分压器跨接于支路20与21之间，其公共节点30连到比较器31的反相输入端以提供对地电位有固定偏置值的一参考电压。包括电阻32和33的第二分压器通过整流二极管34连接在高压支路21和设备的零线端子13之间。第二分压器的公共节点35连接至比较器31的同相输入端，并通过相互并联的6V齐纳二极管36和滤波电容37连接至低压支路20。

比较器31的输出端38连到NPN双极性晶体管39的基极，39的射极接至低压支路20，集电极通过继电器40接至未稳压的高压支路。电阻41跨接于未稳压的高压支路和双极性晶体管39基极之间，在晶体管39的基极和低压支路20间并联有电容42。实践中将一整流二极管(未示出)连接至继电器线圈40两端旁路由继电器线圈40引起的高压反电势从而避免损坏双极性晶体管39。

为了提高该检测器18的安全性，提供了其输出端与第一比较器31的输出端38短接的第二比较器43，其反相输入端和同相输入端通过相应的第一和第二分压器以及外围元件连接至GND和设备的零线端子13。由于该第一、第二分压器和外围元件与上述第一比较器31的线路从各个方面来说都一样，所以在图中没有标出元件号。第一和第二比较器31和43由例如国家半导体公司LM193系列的双比较器集成电路构成。

整流二极管34的作用是切掉交流电源电压的负半周(所谓“负”，是以低压支路20为0V)，以使比较器31、43只在交流电源的正半周有效。同时用联接于GND和高压支路21之间的平滑电容44来滤除交流纹波，而整流二极管26的作用是进一步提高电压的稳定度。

以下是检测器18的工作原理。平时比较器31的输出电压为低，因此双极性晶体管39的基极电压为低，因此39为截止。当比较器31和43中任何一个的正、反相输入端的电位差超过了由电路参数决定的阈值时，送入双极性晶体管39基极的比较器的输出38变高，双极性晶体管39导通，从而继电器40动作。可以连接继电器40以产生指示接地不良的警报，或可以将其连接至诸如ELCB或接触器的断路装置，该断路装置用于自动地从设备10断开电源，如下面参考图3、图4所进行的详细描述。

在实际安装的检测器18的一个具体实施例中，第一分压器的电阻28、29的阻值都是240KΩ，而电阻32和33的值分别为5.5KΩ和3.3KΩ，电容37、42和44的值分别为22μF，100μF和470μF。电阻41的阻值为1KΩ。

参考图2的上述检测器18可用于图1b中所示的电路，用以指示零线端子13与地的电位差不超过允许的阈值。但在如图1C所示的火线端子12与接地端子17实际上短路的情况中，接地端子17通过火线14和电源的副绕组16仍与GND相连，如果火线14不是很长，由它和副绕组16所形成的阻抗没有产生大的压降的话，接地端子17和连到零线13的远端电源地间的电压就可能不会超出允许值。在这种情况下，即使17没有直接连至GND，检测器仍然认为接地“完好”。

图3所示为用来检测设备零线端子13和电源地GND间电位差的辅助检测电路50。在该电路中，有一个由整流二极管52a、52b和53a、53b共同组成的桥式整流器电路51，二极管对52a-52b和53a-53b分别背向地跨接于零线端子和GND之间，由于两对二极管的背向连接，保证了桥式整流器51两臂的阻值都远大于200KΩ。(这是供电部门所允许的零线和地之间的最小阻抗值)。桥式整流器51的正、负极性输出连接至继电器线圈54，该线圈54与锁存常闭开关触点55串联，并可操作地连接至锁存常闭开关触点56和锁存常开开关触点57，下面将参考图4对其功能进行描述。

当零线端子13与GND之间的电压超过桥式整流器51中整流二极管的反向偏置电压时，桥式整流器51就在零线端子13和GND之间导通电流，由此接通继电器线圈54使得常闭开关触点56打开而常开开关触点57闭合。继电器线圈54的动作又使得与其串联的常闭开关触点55打开，由此使继电器线圈54断电并防止其过热。但是，由于常闭开关触点55及56和常开开关触点57都是锁存式的，所以它们仍能保持继电器线圈54断电前的状态。直到按动常开按钮58才复位，常开按钮58与继电器线圈59相串联，并跨接于高、低压支路21和20之间，如上面参照图2所述。

参看图4，三相电源的三根馈电线60，61和62分别与三个常闭开关触点63，64和65相串联，这三个开关触点均适于由与前述常闭开关触点56相串联的接触器66瞬时操作。56与66通过常闭开关触点67和68跨接于火、零线14与15之间，开关触点67和68则耦合至具有传感线圈70的漏电断路器(earth leakage circuit breaker)ELCB69。电阻71经常开开关57跨接于火、零线间，并由ELCB69的传感线圈70所包围。

当继电器54由于零线和地之间存在电压差而瞬时接通时，常闭开关触点打开而由此将接触器66跨接于火线14和零线15之间，于是接触器66激活而常闭开关触点63、64和65打开，切断三相馈电线60、61和62的电源。

继电器54的瞬时导通同时使常开开关触点57闭合，从而使电阻71跨接在火线和零线14和15之间。选择电阻71的阻值，使得流经它的电流超过ELCB69的接地故障电流，典型值为30mA。由于这个电流流过ELCB69的传感线圈70，则被ELCB69认为是接地故障电流，且ELCB69动作，以便打开常闭开关触点67和68，并由此切断火线和零线14和15间的单相电源。

在找到故障原因并完全排除后，可重新接通电源，并按动复位按钮58(图3中所示)以便接通继电器线圈59。继电器线圈59被可操作地耦合至由继电器线圈54操作的锁存开关触点55、56和57。因此，继电器线圈59一接通，两个常闭开关触点55和56就恢复至其闭合状态，而常开开关触点57恢复至其打开状态。

可以理解，也许希望避免同时使用图4中的接触器和ELCB。如果希望的话，可以省去这些保护装置之一。但这里示出并描述了这两者只是为了证明辅助检测装置50可以与它们中任何一个一起协同工作。

还可理解，连接在零线15和GND之间的辅助检测电路50不需要连接设备10，因为它跨接在电源的输入零线与地之间。因此，辅助检测电路50监测输入电源的零线与地之间的任何超过允许值的电位差并启动主接触器和/或ELCB进行处理。但是，如果设备10的接地端子17连接到GND，主检测器18和辅助检测电路50共同监测接地完备性，即使并未发生接地故障。而在发生接地故障时，即使由主检测器18检测到的接地回路阻抗过低以至于无法指示接地不良，辅助检测电路50仍可有效工作。

因此，根据本发明提供了一种用来监测输入电源接地完备性的检测器，以便在其发生故障时，零线和地之间的电位差可用来切断电源。这样，就能够保证良好的接地，在发生金属外壳“带电”的情况时，电流也能泄漏到地。这种检测器向设备使用者提供了完备的保护，因为流过设备使用者人体的电流与ELCB相比微乎其微，不论是在没有接地还是接地不良的情况下，都是如此。

Claims (8)

1、一种用于监测电气设备(10)的接地完备性的检测器(18)，该电气设备(10)具有用于从电源的相应火线(14)和零线(15)向该设备馈送电流的火线和零线端子(12)和(13)，该电源具有用于与设备的接地端子(17)相连的接地点(GND)，所述检测器包括：

差分比较器电路装置(31、43)，用于对设备接地端子电压的比例分压和零线端子电压的比例分压进行比较，如果所述比例分压之间的差值超过一预定阈值，则产生一故障信号；

其特征在于，该差分比较器电路装置(31、43)包括：

具有一高压支路(21)和一低压支路(20)的低压直流电源装置，所述低压支路耦合至设备的接地端子，

第一分压器装置，该装置包括串联跨接于高、低压支路之间且具有一耦合至一比较器的第一输入端的公共节点(30)的一对电阻(28，29)，及

第二分压器装置，该装置包括串联跨接于高压支路和设备零线端子之间且具有一耦合至该比较器的第二输入端的公共节点(35)的一对电阻(32，33)。

2、权利要求1的检测器，其中该差分比较器电路还包括：

可操作地耦合至该比较器的输出端的一断路装置(66，69)。

3、权利要求2的检测器，其中该切断装置包括一晶体管开关(39)，该晶体管开关(39)耦合到至少与火线和零线端子之一相连的一常闭开关设备(40)并响应该故障信号以打开该开关设备。

4、权利要求2的检测器，其中该差分比较器电路至少包括两个其输出端共同连至所述断路装置的比较器(31，43)。

5、权利要求1的检测器，其中该比较器是一集成电路。

6、权利要求1的检测器，还包括用于检测电源接地点与设备零线端子间电压差的一辅助检测电路(50)，所述辅助检测电路包括：

连接于电源接地点与零线之间的一高阻抗电流检测器(51)，用于在零线和接地点之间有任何方向的电流流过时产生一不平衡信号，及

一辅助断路装置(54)，该装置可操作地耦合至所述常闭开关设备并响应该不平衡信号以打开该开关设备。

7、权利要求6的检测器，其中该电流检测器包括具有一对背向串联跨接于零线与电源接地点之间的整流二极管的桥式整流器。

8、权利要求6的检测器，其中：

该辅助断路装置(54)与一切断开关(55)串联，以便断路装置刚一动作，该切断开关就打开，由此使断路装置断电，及

还提供了用于闭合该切断触点的一复位装置(58，59)。

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