CN105896469B - 一种自动监测运行故障的电路保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动监测运行故障的电路保护装置，接地故障保护单元包括接地故障检测电路、交流电源通道和电磁驱动电路，自我故障监测单元包括自动测试电路和测控电路，所述测控电路定时启动自我故障监测过程，控制自动测试电路向所述接地故障保护单元输出接地故障电流，并监测电磁驱动电路输出的故障状态信号实现自我故障监测，并根据故障状态信号判断接地故障保护单元的运行状况，如果故障则输出应急中断信号，触发电磁驱动电路工作，使接地故障保护单元应急脱扣，以切断通往负载和插座端子的交流电源，实现应急断电保护功能。接地故障保护单元采用由二个可控硅构成的电磁驱动电路，以提高电路保护装置的可靠性。

Description

一种自动监测运行故障的电路保护装置
技术领域
本发明属于电路保护技术领域，尤其涉及一种自动监测运行故障的电路保护装置，尤指剩余电流动作保护装置或接地故障电路中断装置，该保护性电路中断装置能自动监测自身工作状况，在自身发生运行故障时输出警示信号，并采取应急断电措施。
背景技术
剩余电流动作保护装置，或接地故障电路中断装置，用于检测由电网电源供电的电器、仪器、装置、设备、电气系统等用电器及供电线路接地故障电流GFC，当该接地故障电流GFC超过规定的限值时，电路保护装置将自动切断电源，从而达到保护人身、财产安全的目的。在实际使用中，剩余电流动作保护装置，或接地故障电路中断装置的接地故障检测电路常常会局部或全部失效，导致接地故障电路中断装置的保护功能失效，而此时使用者并不知晓，存在安全隐患。
为了解决上述问题，一些剩余电流动作保护装置，按照IEC 61008-1、IEC 61009-1、GB 6829.1等标准设计，设置了一个测试按钮，要求使用者定期、每月一次手动操作该按钮，以测试电路保护装置能否正常工作。这一方面增加了使用者的工作负担，再者，这种定期检测必须切断用户的供电电源线路，对用户造成不便，第三，如果用户没有进行定期检测，或者电路保护装置在两次定期检测间隔(如一个月)内发生故障，而用户不能及时发现电路保护装置已无保护能力，同样存在安全隐患。
为了解决上述问题，一些接地故障电路中断装置，按照UL943标准设计，设置自我故障监测功能，以定期诊断接地故障电路中断装置的工作状况，并在接地故障电路中断功能发生故障时，输出警告信号。一些接地故障电路中断装置设置了自我故障监测、警告和保护断电功能，但因其电路及结构复杂，一方面，导致其制造难度及成本增大，另一方面，降低了电路保护装置原有保护功能的可靠性，仍然存在安全隐患。
发明内容
本发明是CN101295609B专利和CN201510206672.2的延伸，提供一种自动监测运行故障的电路保护装置。CN101295609B专利和CN201510206672.2所述的内容将被引用于本专利。本发明所要解决的一个技术问题是为所述保护性电路中断装置提供一种应急保护触发电路，当保护性电路中断装置的接地故障保护功能发生故障时，该应急保护触发电路能触发接地故障保护装置的脱扣装置，以切断输往负载端的交流电源，实现应急断电保护功能。本发明所要解决的另一个技术问题是为所述保护性电路中断装置提供一种双可控硅电磁驱动电路，以提高应急保护功能的可靠性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种自动监测运行故障的电路保护装置，该电路保护装置包括接地故障保护单元和自我故障监测单元。接地故障保护单元实现接地故障保护功能；自我故障监测单元监测接地故障保护单元的运行状况，实现自我故障监测和应急保护功能。
接地故障保护单元包括接地故障检测电路、交流电源通道和电磁驱动电路。所述接地故障检测电路检测交流电源通道上的接地故障电流GFC，输出接地故障中断信号U_GFI，触发电磁驱动电路工作。
自我故障监测单元包括自动测试电路和测控电路。所述测控电路定时启动自我故障监测过程，控制自动测试电路向所述接地故障保护单元输出接地故障电流GFC，并监测电磁驱动电路输出的故障状态信号U_FS，实现自我故障监测，并根据故障状态信号U_FS判断接地故障保护单元的运行状况，如果判断为故障，则输出应急中断信号U_EI，触发电磁驱动电路工作，使接地故障保护单元应急脱扣，以切断通往负载和插座端子的交流电源，实现应急断电保护功能。
其中，交流电源通道包括磁力开关、交流电源输入端子、负载和插座端子。磁力开关用于接通或断开交流电源输入端子与负载和插座端子之间的电气通道。
进一步地，接地故障保护单元还包括人工测试电路，用于通过人工操作在交流电源通道上产生一个接地故障电流GFC。接地故障检测电路检测交流电源通道上的接地故障电流GFC，并输出接地故障中断信号U_GFI，触发电磁驱动电路工作，使磁力开关脱扣，以切断通往负载和插座端子的交流电源，实现接地故障手动检测功能。
本发明在接地故障检测电路检测到交流电源通道上有接地故障电流GFC时，如果是人工测试电路发出的接地故障电流GFC，则触发电磁驱动电路工作，使磁力开关脱扣，以切断通往负载和插座端子的交流电源，实现接地故障手动检测功能；如果是负载和插座端子发生接地故障，则触发电磁驱动电路工作，使磁力开关脱扣，以切断通往负载和插座端子的交流电源，实现接地故障自动保护功能；如果是自我故障监测单元发出的接地故障电流GFC，则根据故障状态信号U_FS判断接地故障保护单元的运行状况，如果判定为故障，则输出应急中断信号U_EI，触发电磁驱动电路工作，使接地故障保护单元应急脱扣，以切断通往负载和插座端子的交流电源，实现应急断电保护功能。
自我故障监测单元还包括警示电路。测控电路监测来自接地故障保护单元的故障状态信号U_FS，当判定为故障时，通过警示电路输出警告信息。
进一步地，所述电磁驱动电路包括二极管143、脱扣线圈142、可控硅SCR_A、可控硅SCR_B、二极管148和电阻149，其中，交流电源经二极管143、脱扣线圈142后，被接到可控硅SCR_A的阳极，可控硅SCR_B的阳极与可控硅SCR_A的阳极连接，该可控硅SCR_B的阴极与可控硅SCR_A的阴极连接；二极管148的负极经电阻149与可控硅SCR_A的控制极连接，该二极管148的正极与可控硅SCR_B的控制极连接，所述接地故障中断信号U_GFI经电阻149被连接到SCR_A的控制极，所述应急中断信号U_EI被连接到可控硅SCR_B的控制极。所述可控硅SCR_B的阳极与可控硅SCR_A的阳极输出故障状态信号U_FS。
进一步地，所述测控电路包括应急保护电路和监控芯片及辅助电路，其中，监控芯片及辅助电路接收故障状态信号U_FS，监测所述自我故障监测过程的运行时间Trun，当该运行时间Trun大于最大运行时间Tmax时，即判定接地故障保护单元处于故障状态，输出应急控制信号U_EC，所述应急保护电路接收、延迟并放大该应急控制信号U_EC，输出应急中断信号U_EI，所述最大运行时间Tmax由应急保护电路和/或监控芯片及辅助电路设定。
所述应急保护电路包括输入电阻、延迟电容、应急三极管和输出电阻，其中，输入电阻和延迟电容构成延迟电路；应急三极管和输出电阻构成放大电路。所述应急三极管的基极接收应急控制信号U_EC，该应急三极管的发射极输出应急中断信号U_EI。
在自我故障监测过程，监控电路在发出开始自检指令之后，延迟T1时间，向应急保护电路输出一个应急控制信号U_EC，应急保护电路接收到该应急控制信号U_EC之后，延迟T2时间，输出应急中断信号U_EI。上述最大运行时间Tmax等于T1与T2之和。
所述接地故障检测电路输出接地故障中断信号U_GFI，触发所述可控硅SCR_A导通，驱动所述脱扣线圈工作，使所述磁力开关脱扣，实现接地故障保护功能；所述应急保护电路输出应急中断信号U_EI，触发可控硅SCR_B和/或所述可控硅SCR_A导通，驱动脱扣线圈工作，使磁力开关脱扣，实现应急保护功能。
本发明提出的自动监测运行故障的电路保护装置，其自我故障监测单元监测自我故障监测过程的运行时间，实现自我故障状态下的应急保护功能。接地故障保护单元中的电磁驱动电路采用由二个可控硅SCR_A和SCR_B构成的电流驱动电路，以实现自我故障状态下应急保护功能的电流驱动。电路简单、经济、高效。
附图说明
图1是本发明实施例的结构框架图；
图2是本发明一种实施例的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。
图1是本发明实施例的结构框架图。展示电路保护装置的主要功能单元及控制关系。该电路保护装置包括一个接地故障保护单元1和一个自我故障监测单元2。
接地故障保护单元1实现接地故障保护功能，并向自我故障监测单元2输出故障状态信号U_FS；自我故障监测单元2向接地故障保护单元1输出接地故障电流GFC，并监测接地故障保护单元1的故障状态信号U_FS，向接地故障保护单元1输出应急中断信号U_EI，实现自我故障监测和应急保护功能。
接地故障保护单元1包括接地故障检测电路101、交流电源通道102和电磁驱动电路104。其中，交流电源通道102包括磁力开关88、交流电源输入端子N1和L1、负载和插座端子N2和L2。磁力开关88用于接通或断开交流电源输入端子与负载和插座端子之间的电气通道。
优选地，本实施例接地故障保护单元1还包括人工测试电路103，人工测试电路103用于通过人工操作在交流电源通道102上产生一个接地故障电流GFC。接地故障检测电路101检测交流电源通道102上的接地故障电流GFC，并输出接地故障中断信号U_GFI，触发电磁驱动电路104工作，使磁力开关88脱扣，以切断通往负载和插座端子的交流电源，实现接地故障保护功能。具有该人工测试电路103，可以通过手动检测电路是否工作正常。如果不设置该人工测试电路103，也不会影响本电路保护装置的工作。
接地故障检测电路101包括接地故障电流传感器150、中性线重复接地传感器160、接地故障检测芯片170和第一直流电源180。接地故障电流传感器150和中性线重复接地传感器160感应交流电源通道102中出现的接地故障电流GFC，并向接地故障检测芯片170传送接地故障信号，该接地故障检测芯片170用于检测接地故障电流传感器150和中性线重复接地传感器160传达的接地故障信号，输出接地故障中断信号U_GFI。当交流电源通道102及负载线路上出现接地故障时，接地故障检测电路101输出接地故障中断信号U_GFI。第一直流电源180输出直流电源V1，为接地故障检测芯片170供电，它的负极作为电路保护装置的逻辑地GND。
自我故障监测单元2包括自动测试电路201、测控电路202和警示电路203。其中，测控电路202输出自我故障监测信号U_TEST，启动自我故障监测过程，控制自动测试电路201向接地故障保护单元1输出接地故障电流GFC，并监测来自接地故障保护单元1的故障状态信号U_FS，判断接地故障保护单元1的运行状况，向警示电路203输出警告信息U_WM，并在接地故障保护单元1发生故障时，向电磁驱动电路104输出应急中断信号U_EI，触发电磁驱动电路104工作，使磁力开关88脱扣，实现应急保护功能。
测控电路202包括应急保护电路280、监控芯片及辅助电路260和第二直流电源270。其中，监控芯片及辅助电路260承担测控电路202的监测和控制功能，输出应急控制信号U_EC。应急保护电路280接收、延迟并放大应急控制信号U_EC，并输出应急中断信号U_EI。其中，第二直流电源270输出直流电源V2，为测控电路202供电。
自我故障监测过程为：测控电路202的输出U_TEST由低电平转为高电平，启动自我故障监测过程，自动测试电路201向接地故障保护单元1输出接地故障电流GFC；当接地故障保护单元1的接地故障保护功能正常时，接地故障保护单元1输出的故障状态信号U_FS在设定时间Tmax(如40mS)内由高电平转为低电平(表征“状态正常”)，即在自我故障监测过程中，接地故障检测电路101检测到接地故障电流GFC，接地故障检测芯片170输出接地故障中断信号U_GFI，电磁驱动电路104中的可控硅SCR_A导通，接地故障保护单元1输出的故障状态信号U_FS由高电平转为低电平，表示状态正常。随后，测控电路202输出的U_TEST由高电平返回低电平，结束自我故障监测过程。期间，测控电路202的输出U_TEST为高电平的时间即为自我故障监测过程的运行时间Trun。
上述最大运行时间Tmax由应急保护电路280和监控芯片及辅助电路260确定。在自我故障监测过程中，监控电路202在发出开始自检指令(U_TEST由低电平转为高电平)之后，延迟T1时间(“第一延迟时间T1”)，向应急保护电路280输出应急控制信号U_EC(U_EC由低电平转为高电平)，应急保护电路280接收到该应急控制信号U_EC之后，延迟T2时间(“第二延迟时间T2”)，输出应急中断信号U_EI(U_EI由低电平转为高电平)。最大运行时间Tmax等于T1与T2之和。
测控电路202通过监测自我故障监测过程的运行时间Trun，以判断接地故障保护单元1的运行状况。当测控电路202在上述最大运行时间Tmax内未能接收到来自接地故障保护单元1的表征“状态正常”的故障状态信号U_FS(U_FS由高电平转为低电平)时，Trun大于Tmax，即判定接地故障保护单元1已发生故障，测控电路202输出应急中断信号U_EI(U_EI由低电平转为高电平)，触发电磁驱动电路104工作，使接地故障保护单元1应急脱扣，以切断通往负载和插座端子的交流电源，实现应急断电保护功能。
图2是本实施例的电路原理图。展示图1所述电路保护装置各功能单元的一种电路实施例。
交流电源从交流电源输入端子L1和N1输入，再穿过接地故障电流GFC传感器150和中性线重复接地传感器160后，被接到磁力开关88的动触片上，磁力开关88的静触片分别与负载和插座端子连接，在本实施例中为与插座端子34A、34B，以及与负载26、27连接。
应急保护电路280包括输入电阻281、延迟电容282、应急三极管283和输出电阻284。其中，输入电阻281的一端接收监控芯片及辅助电路260输出的应急控制信号U_EC，该输入电阻281的另一端与应急三极管283的基极连接。延迟电容282的一端与应急三极管283的基极连接，该延迟电容282的另一端与逻辑地GND连接。应急三极管283的集电极与第二直流电源270的输出V2连接。输出电阻284的一端与应急三极管283的发射极连接，该输出电阻284的另一端与逻辑地GND连接。应急三极管283的发射极输出应急中断信号U_EI。输入电阻281和延迟电容282构成延迟电路。应急三极管283和输出电阻284构成放大电路。应急三极管283的基极接收应急控制信号U_EC，应急三极管283的发射极输出应急中断信号U_EI。
监控芯片及辅助电路260由监控芯片263及其辅助电路组成。监控芯片263的输出VOUT分别与U_TEST、U_WM和U_EC连接，监控芯片263控制自动测试电路201、警示电路203和应急保护电路280工作。
监控芯片263的输出VOUT(即U_TEST、U_WM和U_EC)由低电平转为高电平，启动自我故障监测过程：自动测试电路201向交流电源通道102输出接地故障电流GFC，接地故障检测电路101检测该接地故障电流GFC，并输出接地故障中断信号U_GFI(U_GFI由低电平转为高电平)，触发可控硅SCR_A导通，从而使电磁驱动电路104输出的故障状态信号U_FS由高电平转为低电平，监控芯片263接收到该故障状态信号U_FS后，使其输出VOUT(即U_TEST、U_WM和U_EC)由高电平转为低电平，结束自我故障监测过程。如果监控芯片263在上述最大运行时间Tmax内未能接收到来自接地故障保护单元1的表征“状态正常”的故障状态信号U_FS(U_FS由高电平转为低电平)时，即判定接地故障保护单元1已发生故障，应急中断信号U_EI由低电平转为高电平，触发电磁驱动电路104工作，使接地故障保护单元1应急脱扣，以切断通往负载和插座端子的交流电源，实现应急断电保护功能。
在本实施例中，上述自我故障监测过程中，由于U_TEST和U_EC来自同一个信号VOUT，故自我故障监测信号U_TEST和应急控制信号U_EC同步发出，即上述第一延迟时间T1等于零。
应急保护电路280接收到应急控制信号U_EC(U_EC由低电平转为高电平)之后，经过第二延迟时间T2，输出应急中断信号U_EI(U_EI由低电平转为高电平)。应急保护电路280的延迟过程为：U_EI由低电平转为高电平(记为t0时刻)，电流经输入电阻281给延迟电容282充电，使应急三极管283的基极电压VB上升，应急三极管283缓冲放大该电压VB，并在其发射极输出U_EI，该U_EI电压逐渐上升，最终，在t1时刻先使可控硅SCR_B导通，随后在t2时刻使可控硅SCR_A导通。当可控硅SCR_B无故障时，上述第二延迟时间T2等于t1-t0；当可控硅SCR_B有故障时，上述第二延迟时间T2等于t2-t0。
上述最大运行时间Tmax等于T1与T2之和，即等于T2(因为T1＝0)。
容易理解的是，图2的电路图仅为本发明的一种实施例，具体电路的构成还可以有其他实施例。例如输出VOUT(即U_TEST、U_WM和U_EC)分别为三个管脚，则U_TEST、U_WM和U_EC输出不同，U_TEST和U_EC非同步发出，即上述第一延迟时间T1不等于零。
电磁驱动电路104包括二极管143、脱扣线圈142、可控硅SCR_A、可控硅SCR_B、电阻149、二极管148。交流电源经二极管143、脱扣线圈142后，被接到可控硅SCR_A的阳极。可控硅SCR_A的阴极与逻辑地GND连接，该可控硅SCR_A的控制极通过电阻149接收接地故障检测电路101输出的接地故障中断信号U_GFI。可控硅SCR_B的阳极与可控硅SCR_A的阳极连接，该可控硅SCR_B的阴极与可控硅SCR_A的阴极连接，该可控硅SCR_B的控制极接收应急保护电路280输出的应急中断信号U_EI。二极管148的负极通过电阻149与可控硅SCR_A的控制极连接，该二极管148的正极与可控硅SCR_B的控制极连接。可见接地故障中断信号U_GFI连接到SCR_A的控制极，应急中断信号U_EI连接到可控硅SCR_B的控制极。
当发生接地故障时，接地故障中断信号U_GFI为高电平，可控硅SCR_A导通，此时，因二极管148反向截止，可控硅SCR_B不会导通。当接地故障检测电路101和/或可控硅SCR_A发生故障时，应急中断信号U_EI为高电平，该应急中断信号U_EI先使可控硅SCR_B(当SCR_B无故障时)导通，然后使可控硅SCR_A导通(当SCR_A无故障时)。可见在发生接地故障时，电磁驱动电路104处于导通状态，导致脱扣线圈142及磁力开关88发生脱扣动作，切断通往负载和插座端子的交流电源，实现接地故障保护功能。而在接地故障检测电路101和/或可控硅SCR_A发生故障时，应急中断信号U_EI触发电磁驱动电路104处于导通状态，导致脱扣线圈142及磁力开关88发生脱扣动作，切断通往负载和插座端子的交流电源，实现应急保护功能。可控硅SCR_A作为可控硅SCR_B的备份元件，以提高应急保护电路的可靠性。
需要说明的是，本电路保护装置的测控电路202的输出U_TEST由低电平转为高电平，启动自我故障监测过程，其监测过程与二极管143的导通时间处在不同的交流半波，在监测过程中，二极管143截止，不会导致脱扣线圈142及磁力开关88发生脱扣动作，这里不再赘述。
如本技术领域的人所知，本发明的附图和实施例仅为说明本发明的功能、结构和原理而不应当成为对本发明理解上的限制；同时，本发明的目的均已经实现。上述实施例可能在不脱离本发明原理的情况下有所变更，故此，本发明的保护应以权利要求书中所描述的范围为准。

Claims (8)

1.一种自动监测运行故障的电路保护装置，其特征在于，所述电路保护装置包括接地故障保护单元(1)和自我故障监测单元(2)，所述接地故障保护单元(1)包括接地故障检测电路(101)、交流电源通道(102)和电磁驱动电路(104)，所述自我故障监测单元(2)包括自动测试电路(201)和测控电路(202)；
其中，所述接地故障检测电路(101)检测交流电源通道(102)上的接地故障电流GFC，输出接地故障中断信号U_GFI，触发电磁驱动电路(104)工作，实现接地故障保护功能；
所述测控电路(202)定时启动自我故障监测过程，控制自动测试电路(201)向所述接地故障保护单元(1)输出接地故障电流GFC，并监测电磁驱动电路(104)输出的故障状态信号U_FS，实现自我故障监测，并根据故障状态信号U_FS判断接地故障保护单元(1)的运行状况，如果判断为故障，则输出应急中断信号U_EI，触发电磁驱动电路(104)工作，使接地故障保护单元(1)应急脱扣，以切断通往负载和插座端子的交流电源，实现应急断电保护功能；
所述测控电路(202)包括应急保护电路(280)和监控芯片及辅助电路(260)，其中，监控芯片及辅助电路(260)接收故障状态信号U_FS，监测所述自我故障监测过程的运行时间Trun，当该运行时间Trun大于最大运行时间Tmax时，即判定接地故障保护单元(1)处于故障状态，输出应急控制信号U_EC，所述应急保护电路(280)接收、延迟并放大该应急控制信号U_EC，输出应急中断信号U_EI。
2.如权利要求1所述的电路保护装置，其特征在于，所述自我故障监测单元(2)还包括警示电路(203)，所述测控电路(202)监测来自接地故障保护单元(1)的故障状态信号U_FS，如果判断为故障，则通过警示电路(203)输出警告信息。
3.如权利要求1所述的电路保护装置，其特征在于，所述接地故障保护单元(1)还包括人工测试电路(103)，用于通过人工操作在交流电源通道(102)上产生一个接地故障电流GFC。
4.如权利要求1所述的电路保护装置，其特征在于，所述电磁驱动电路(104)包括第一二极管(143)、脱扣线圈(142)、可控硅SCR_A、可控硅SCR_B、第二二极管(148)和电阻(149)，其中，交流电源经第一二极管(143)、脱扣线圈(142)后，被接到可控硅SCR_A的阳极，可控硅SCR_B的阳极与可控硅SCR_A的阳极连接，该可控硅SCR_B的阴极与可控硅SCR_A的阴极连接；第二二极管(148)的负极经电阻(149)与可控硅SCR_A的控制极连接，该第二二极管(148)的正极与可控硅SCR_B的控制极连接，所述接地故障中断信号U_GFI经电阻(149)被连接到SCR_A的控制极，所述应急中断信号U_EI被连接到可控硅SCR_B的控制极，所述可控硅SCR_B的阳极与可控硅SCR_A的阳极输出故障状态信号U_FS。
5.如权利要求1所述的电路保护装置，其特征在于，所述最大运行时间Tmax由应急保护电路(280)和/或监控芯片及辅助电路(260)设定。
6.如权利要求1所述的电路保护装置，其特征在于，所述测控电路(202)还包括第二直流电源(270)，所述应急保护电路(280)包括输入电阻(281)、延迟电容(282)、应急三极管(283)和输出电阻(284)，其中，输入电阻(281)和延迟电容(282)构成延迟电路；应急三极管(283)和输出电阻(284)构成放大电路，所述应急三极管(283)的基极接收应急控制信号U_EC，应急三极管(283)的发射极输出应急中断信号U_EI，所述应急三极管(283)的集电极与第二直流电源(270)的输出连接。
7.如权利要求4所述的电路保护装置，其特征在于，所述交流电源通道(102)包括磁力开关(88)、交流电源输入端子、负载和插座端子，磁力开关(88)用于接通或断开交流电源输入端子与负载和插座端子之间的电气通道。
8.如权利要求7所述的电路保护装置，其特征在于，所述接地故障检测电路(101)输出接地故障中断信号U_GFI，触发所述可控硅SCR_A导通，驱动所述脱扣线圈(142)工作，使所述磁力开关(88)脱扣，实现接地故障保护功能；所述应急保护电路(280)输出应急中断信号U_EI，触发可控硅SCR_B和/或所述可控硅SCR_A导通，驱动脱扣线圈(142)工作，使磁力开关(88)脱扣，实现应急保护功能。
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