CN107727987B - 一种用电安全分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种用电安全分析方法,通过采集并分析地线、火线、零线以及工作参考地与保护地之间的电压数据,判断被测电路是否存在安全隐患。本发明通过分析被测电路中的相关电气参数,并以此分析相关监测回路中是否有漏电、地线故障、地线不良、地线带电等危及生命安全的隐患,及时发出报警并通过提示告知现场人员如何应对,从而避免触电、火灾事故的发生。
Description
技术领域
本发明涉及配电系统线路安全技术领域,具体涉及一种用电安全分析方法。
背景技术
目前应用于配电系统防止电击的报警装置,都是以“剩余电流监测器(RCM)”为主,如CN201307756Y、CN202903936U都是属于通过零序电流互感器,采集被监测回路的泄露电流,当泄露电流超过预设值时,发出报警提示,但这类装置只能检测到被检测回路是否发生漏电,无法分析配线线序是否错误、地线是否存在或者故障、不良、带电等直接危及用电安全的隐患。
“零序电流漏电保护器RCD”是目前配电系统的主要辅助漏电保护装置,其起到漏电保护作用有两个前提条件,一是自身工作正常,没有发生故障、失灵,二是被保护电器须接有接地线,这样当电器发生漏电时,对地才会产生零序电流,漏电保护器才会迅速切断电源,所以绝大多数由电器设备漏电导致的触电风险,都被接地保护和漏电保护器屏蔽掉,然而当漏电保护器故障失效,或者接地线故障、断线、没有接地保护的时候,偶发的电器漏电就会导致必然的触电事故,更为危险的是,如今绝大多数民房都没有做“等电位连接”当配电系统总地线突发断路故障时,如果系统内任何一台带接地线的电器发生漏电,该危险电压就会通过与之相连的地线,扩散到系统内所有带接地线的电器上,而此时如果发生触电事故,触电用户的漏电保护器是不会动作的,并且即使拉开自家总闸,地线仍然带电,这也是很多发生电击事故时,拉开总闸仍然带电的主要原因,然而RCD和接地保护的缺失、不良、失效、甚至带电,都是普通用户所无法知晓的。
因电器导致的火灾,占到火灾总数的35-40%,而这其中很多是因为零火线序错误和线路漏电导致的,错误的零火线序使得原本被安装到火线上的过流或温度等保护元件,实际工作在了零线上,而电器一旦发生对地短路的时候,实际的火线上已没有任何保护元件,因此容易发生电器和线路的过热起火,而如此严重的隐患是目前广泛采用的“漏电保护器RCD”和“剩余电流监视器RCM”所不能发现的。
因此,需要一种装置或方法通过对配电系统线路电气参数的在线分析,可以准确判断如:零火线序错误、地线缺失、地线接地质量、地线故障、地线带电等危及生命安全的隐患,从而防止电击、火灾等事故的发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用电安全分析方法。
为实现上述发明目的,本发明采用如下技术方案:
一种用电安全分析方法,通过采集并分析地线、火线、零线以及工作参考地与保护地之间的电压数据,判断被测电路是否存在安全隐患。
进一步的,包括以下步骤:
设定正常的地线零线电压值范围;
分析被测电路零火线序是否正确;
分析被测电路是否有地线;
评估被测电路地线是否接地良好;
判断被测电路地线是否故障,以及是否有同相漏电;
判断被测电路地线是否故障,以及是否有异相漏电。
更进一步的,分析被测电路零火线序是否正确包括:
分析零线、工作参考地之间的电压与火线、工作参考地之间的电压数据,当火线、工作参考地之间的电压大于零线、工作参考地之间的电压时零火线序正确,反之零火线序错误。
更进一步的,分析被测电路是否有地线包括:
分析火线、地线之间的电压是否趋近于零,若是则判定被测电路没有地线,反之则判定被测电路有地线。
更进一步的,评估被测电路地线是否接地良好包括:
当火线与地线之间的电压等于零线与地线之间的电压加上火线与零线之间的电压,且地线与零线之间的电压值处于预设正常的地线零线电压值范围时,判定被测电路地线接地良好。
更进一步的,判断被测电路地线是否故障,以及是否有同相漏电包括:
当地线与零线之间的电压值大于预设正常的地线零线电压值范围且火线、地线之间电压值小于火线、零线之间电压值并且通过电阻将地线与零线相连接时,零线与地线的电压仍超过预设的正常值时判定被测电路地线故障且有同相漏电。
更进一步的,判断被测电路地线是否故障,以及是否有异相漏电包括:
当地线与零线之间的电压值大于预设正常的地线零线电压值范围且火线、地线之间电压值大于火线、零线之间电压值时判定被测电路地线故障且有异相漏电。
相对于现有技术,本发明的技术效果在于:
本发明通过分析被测电路中的相关电气参数,并以此分析相关监测回路中是否有漏电、地线故障、地线不良、地线带电等危及生命安全的隐患,及时发出报警并通过提示告知现场人员如何应对,从而避免触电、火灾事故的发生。
附图说明
图1是本发明实施例1中一种用电安全分析装置的电路结构示意图;
图2是本发明实施例2中一种用电安全分析装置的电路结构示意图;
图3是本发明实施例3中一种用电安全分析装置的电路结构示意图;
图4是图1、2、3中开关选相电路的局部放大结构示意图;
图5是电压数据示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明,本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
以下提供本发明的一种实施方式:
请参见图1至5,一种用电安全分析装置,包括接入机构,所述接入机构包括地线接口、火线接口、零线接口,以分别与被测电路的地线(E)、火线(L)、零线(N)对接;
电源,所述电源与所述接入机构的火线接口、零线接口电性连接;
开关选相电路4,所述开关选相电路通过驱动电路12与MCU 7电性连接,以在MCU控制下通过接入机构分别与地线、火线、零线中的至少一条接通进行检测,通过MCU分析地线、火线、零线以及工作参考地与保护地之间的电压数据,判断被测电路是否存在安全隐患;
限流电路3,所述限流电路设置于所述开关选相电路和所述接入机构之间;
滤波电路8,所述滤波电路与MCU通信连接;
分压电路5,所述分压电路设置于所述滤波电路和所述开关选相电路之间;
还包括与所述MCU通信连接的通讯电路10、语音合成输出电路9、显示电路6和按键输入电路11。
本发明通过采集配电线路(被测电路)中的,火线(L)零线(N)地线(E)三者之间的电压数据,分析配电系统存在的安全隐患。
分析LNE之间的电压关系,首先须确定LNE之间的线序是否正确,同时LNE之间的线序错误本身就是一种非常严重的安全隐患,但由于在实际应用中,正常的地线与零线的电气参数非常接近,无法直接用电路区分,并且如果地线与零线或者火线发生线序错误时,会导致负载无电或系统漏电保护开关跳闸,无法正常工作,所以在本发明中,默认地线线序正确,只对非常容易发生线序错误的火线、零线进行线序鉴别,由于交流电的特性是无极性的,所以如要区分LN的线序,就必须要有一个参考点,正常的地线可以作为参考点,但如果在地线缺失、断线、带电等情况下,就无法作为参考点使用,因此本发明采用开关选相电路4与MCU 7配合,检测火线对检测电路工作参考地(GND)的感应电压,区分零火线,由于该电压是火线经过检测电路内阻,到检测电路工作参考地,再由检测电路工作参考地对大地之间的等效电容形成的,由于该等效电容比较微弱,本发明采用通过人体触摸感应电极的方式,增强GND对地的等效电容。
该发明利用开关选相电路4内的K1-K8的不同组合,分别检测出零火线序和各组相关电压,又防止了同时测量多组电压时,检测电路内阻的相互关联与干扰,另外为了防止检测电路供电电源内阻与被测电路导通,对检测电路造成干扰,本发明采用AC-DC隔离电源2或电池25作为电源,为检测电路供电。
实施例1
请参见图1和图4,三脚插头1是可以与装置外壳做成一体,而直接将该装置插到被测电路插座上,也可以是外接引线,在该引线上另外安装三脚插头,当该三脚插头1插入被测电路后,AC-DC隔离电源2通过保险丝F1,与三脚插头1上的火线接口、零线接口接通上电,电路开始工作,被测电路电压经过三脚插头1,送至限流电路3经内部R1、R2、R3限流后,送至开关选相电路4,开关选相电路4内部的开关K1-K8,优选采用固态继电器,或电子开关,其具体作用是根据程序需要,分别选择L、N、E三条线路的一条或多条与检测电路接通进行检测,开关选相电路的开关数量并不限定在8个,其具体工作过程如下:
1、零火线序判断:
MCU上电后,首先通过驱动电路12控制U6内的K3和U10内的K8闭合,三脚插头1上的L线上的电压,经过K3到分压电路5,经过分压电路5内部分压电阻R18接至工作参考地GND,此时由于K8已经闭合,GND通过K8、隔离电容C7、隔离电阻R20连接于感应电极S1上,此时MCU将通过语音合成输出电路9及显示电路6提示操作者触摸感应电极S1,由于人体与大地存在等效电容,当人体触摸感应电极S1时R18上会有微弱电流流过,R18两端就会产生一个电压Vlg,该电压经过R12送至滤波电路8内的U4,进行电流放大,U4输出经过R13、C2滤波,送至U5再次进行电流放大,U5输出经过电阻R14和滤波电容C1滤波后送至MCU 7采样分析获得L线上对大地的电压Vlg,之后MCU 7经过上述同样的过程再闭合U6内的K4,和U10内的K8,将获得N线上的电压Vng,依据三角插头左零右火的规则,当检测到火线L上的电压Vlg大于零线N上的电压Vng时,零火线序正确,反之零火线序错误。
2、零地电压Vne检测:
零火线序确定后,MCU 7将通过驱动电路12控制开关选相电路4内的K6、K4同时闭合,线路E通过限流电路3内的限流电阻R24、开关选相电路4内的R38、K6连接于工作参考地GND,线路N将通过限流电路3、内的R16、开关选相电路4内的K4、R1连接于分压电路5内的R18,通过R18,NE构成回路,R18内将有NE电流,R18两端将有分压后的Vne,该电压经R12送至滤波电路8内的U4进行电流放大,经过R13、C2滤波,送入U5再次电流放大,经过R14、C1再次滤波后送至MCU进行采样分析具体数值并得到NE之间的电压值Vne。
3、火线地线电压Vle检测:
MCU 7通过驱动电路12控制开关选相电路4内的K3、K6同时闭合,线路E通过限流电路3内的限流电阻R24、开关选相电路4内的R38、K6连接于工作参考地GND,线路L通过限流电路3内的限流电阻R15、K3、R1连接于分压电路5内的R18,通过R18,LE构成回路,R18内将有LE电流,R18两端将有分压后的Vle,该电压经R12送至滤波电路8内的U4进行电流放大,再经过R13、C2滤波,送入U5再次电流放大,经过R14、C1再次滤波后送至MCU进行采样分析具体数值并得到LE之间的电压值Vle。
4、火线零线电压Vln:
MCU 7通过驱动电路12控制开关选相电路4内的K5、K3同时闭合,线路N将通过限流电路3、内的限流电阻R16、开关选相电路4内的K5连接于工作参考地GND,线路L通过限流电路3内的限流电阻R15、K3、R1连接于分压电路5内的R18,通过R18,LN构成回路,R18内将有LN电流,R18两端将有分压后的Vln,该电压经R12送至滤波电路8内的U4进行电流放大,再经过R13、C2滤波后,送入U5再次电流放大,经过R14、C1再次滤波后送至MCU进行进行采样分析具体数值并得到LN之间的电压值Vln。
在确定了零火线序和零线与地线之间的电压Vne、火线与地线之间的电压Vle、火线与零线之间的电压Vln之后,MCU就可以分析出被检测配电线路如下故障:
1、无地线:在相电压为220V的配电系统里,当地线被正确安装而且接地良好的时候,火线L对地线E,会有一个与相电压接近的电压Vle存在,当没有安装接地线时,火线与地线不能构成回路,该Vle接近为零,当检测火线与零线Vln正常,而火线与地线Vle接近零时,可认为地线没有被正确安装或者缺失。
2、地线故障:在配电系统里,有时接地线虽然已经安装,但是有可能会因为接线端子氧化、地线断路等情况导致地线故障,当地线因某种原因导致断路时,由于地线对火线存在等效电容,因此地线上将有感应电压产生,此时火线对地线的电压Vle将小于火线对零线的电压Vln即:Vle<Vln同时Vne>正常值(如6V)即可认为地线出现故障。
3、地线故障并且已经带电(同相漏电):当判断出地线故障时,说明地线已经有异常电压,但尚不能区分是地线断线后由等效电容引起火线对地线的感应电压,还是有某种原因引起的地线带有本回路相线电压,因此本发明将地线E通过限流电路3内的限流电阻R24和开关选相电路4内的开关K1、K2限流电阻R15、R16,分别与零线N火线L相连,当根据故障2判断为地线故障时,为进一步区分地线所带电压是感应电压还是漏电导致,MCU会判断当前线序,如线序正确闭合K2,地线E上的电压将通过K2、R16与零线N连接,如当前线序错误,则闭合K1,通过K1、R15与火线L连接(线序错误时实际L是零线N),由于地线上的感应电压是火线通过微弱的等效电容与地线感应形成的,因此内阻很高,而实际火线因某种原因对地线发生电连接性质的漏电时,由于R15、R16的阻值远大于火线电源内阻,因此当地线发生漏电时,地线E经过上述回路与零线N连通后,地线E电压会被拉低到接近零线N的电位,即Vne≈0时,表明是地线断路故障,测到的电压是感应电压,当经过上述回路与零线N连通后,地线电压没有变化时,表明发生火线对地线的直接漏电。
4、地线故障并且已经带电(异相漏电):在配电系统中,如果一个用电单位如一栋楼,采用三相电源供电时,每层楼会分别用不同的相序供电,但地线会采用树状结构最终汇聚成一条总地线,当干线或总地线发生断路后,如果A相用户电器对地线发生漏电时,该A相电压会通过地线到B或C相用户,此时A、B相用户的火线对地线的电压为线电压,Vle>Vln时,可判断为异相漏电。
5、零线压降异常:正常工作中的配电系统,由于零线上有电流过,因此会产生压降,而地线上没有电流,因此不会有压降,所以正常情况下,火线对地线的电压Vle会大于或等于火线对零线的电压Vln,并且Vne+Vln=Vle,正常的Vne范围在某一值内,如0-6V之间,当Vne>正常值,并且Vne+Vln=Vle时,即可判断为零线压降异常。
其它电路工作原理:
MCU 7把所有判断结果通过显示电路6和语音合成输出电路9,显示播报检测结果和注意事项,按键输入电路11可用来查询检测结果或清除报警信息,通讯电路10可以将检测结果发送至服务器或其它需要该检测结果的系统。
实施例2
本发明提供的用电安全分析装置可以集成在现有电器中,也可以单独形成检测仪器。请参见图2当把本发明做成便携式智能检测仪器时,可采用电池供电的方式,电池25为全部电子电路提供电源,其具体电路工作原理,除电源部分换成电池外,其它与实施例1相同。
实施例3
请参见图3,本发明提供的用电安全分析装置也可以做成86标准插座,其中,接入机构为负载插座20,负载插座20电性连接有电源接线端子21,其它与实施例1相同。
本发明还提供了一种用电安全分析方法,通过采集并分析地线、火线、零线以及工作参考地与保护地之间的电压数据,判断被测电路是否存在安全隐患。
本发明通过分析配电线路(被测电路)中的,火线(L)零线(N)地线(E)以及工作参考地GND与保护地PGND之间的电压数据,判断配电系统存在的安全隐患。
由于交流电的特性是无极性的,所以如要区分LN的线序,就必须要有一个参考点,正常的地线可以作为参考点,但如果在地线缺失、断线、带电等情况下,就无法作为参考点使用,因此本发明采用工作参考地GND做为参考点,由于工作参考地GND与保护地PGND之间,存在微弱的等效电容CX,因此可检测到火线对GND的电压Vlg,而零线N对GND的电压Vng通常只有火线对GND电压Vlg的50%左右,通过人体触摸GND以加大等效电容CX时,Vlg可以大于Vng十几倍以上。
在常用的配电系统中如Tn-S,Tn-C,Tn-CS,TT系统中,通常有火线l,零线n,地线e三类导线,火线对零线、地线,都会构成回路,当零火线序错误、接地系统发生故障或异常时,三类导线之间的各组电压会相对于正常情况下发生变化
A:设正常的Vne=y正常情况下,零线与地线的电压差比较小,一般y在10V以内。
B:当Vlg>Vng被监测线路零火线序正确,反之零火线序错误。
C:当Vle≈0时被监测线路没有安装地线,否则已安装地线。
D:当Vne+Vln=Vle并且Vne=y时,地线良好。
E:当Vne>y Vle<Vln时,地线故障,并且有同相漏电。
F:当Vne>y Vle>Vln时,地线故障,并且有异相漏电。
详细描述如下:
A设定正常的Vne值:在相电压为220V的配电系统中,地线E对零线N都有直接或通过大地的电气上的连接,(除民用建筑很少采用的IT系统),因此当零线上无电流时,零线也不会有压降,因此零线N对地线E的电压差也为零,当零线有电流流过过时,由于零线有电阻因此会产生电压降,此时零线对地线就会产生电压Vne,由零线压降产生的Vne的大小与零线电阻和零线电流有关,正常时的Vne一般不超过某一值,如10V,但当地线e因断路并且带电时,其地线e上的电位就会升高,因此Vne也会升高,由于Vne与零线电阻、零线电流、地线电位等多种变量因素有关,因此将正常的Vne值设定一个范围Y,以便于分析。
B分析零火线序:分析LNE之间的电压关系,首先须确定被监测线路零线火火线序是否正确,同时零火线序错误本身就是一种非常严重的安全隐患,由于交流电的特性是无极性的,所以如要区分LN的线序,就必须要有一个参考点,正常的地线可以作为参考点,但如果在地线缺失、断线、带电等情况下,就无法作为参考点使用,因此本发明采用工作参考地GND做为参考点,由于工作参考地GND与保护地PGND之间,存在微弱的等效电容CX,因此可检测到火线对GND的电压Vlg,而零线N对GND的电压Vng通常只有火线对GND电压Vlg的50%左右,因此当Vlg>Vng时,零火线序正确,反之零火线序错误。
C分析是否有接地线:线序确定后,可根据火线L对地线E之间的电压Vle的数值判断被监测线路,地线是否被正确连接,正常情况下的Vle基本等于火线与零线之间的电压加上零线与地线之间的电压Vln+Vne,当没有安装地线时,火线与地线不能构成回路,因此Vle≈0因此当Vle为接近于零的某一数值时,即可判定被监测线路没有地线。
D评估地线是否良好:正常情况下,接地良好的地线,由于没有接地电流流过,因此火线对地线的电压Vle会高于或等于零线对地线的电压Vne,所以当Vle=Vne+Vln,并且Vne=正常值y时,表明地线接地良好
E判断地线故障,并有同相漏电:当地线发生断路故障并因与火线存在等效电容而有感应电压,或因某种原因本回路相线对地漏电时,地线电位将会升高,零线对地线电压Vne也会升高并大于正常值y,由于地线电位升高火线对地线电压Vle会小于火线对零线电压Vln,所以当Vne>y Vle<Vln时即可判断为地线故障,并有同相漏电。
F判断地线故障,并有异相漏电:当地线发生断路故障并因与火线存在等效电容而有感应电压,或因某种原因其它异相,相线对地漏电时,地线电位将会升高,零线对地线电压Vle也会升高并大于正常值y,由于地线带有另外异相电压,火线对地线将会有线电压,Vle会高于火线对零线电压Vln,所以当Vne>y Vle>Vln时即可判断为地线故障,并有异相漏电。
最后应说明的是:以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的精神和范围。
Claims (1)
1.一种用电安全分析方法,其特征在于,通过采集并分析地线、火线、零线以及工作参考地与保护地之间的电压数据,判断被测电路是否存在安全隐患;
还包括以下步骤:
设定正常的地线零线电压值范围;
分析被测电路零火线序是否正确;
分析被测电路是否有地线;
评估被测电路地线是否接地良好;
判断被测电路地线是否故障,以及是否有同相漏电;
判断被测电路地线是否故障,以及是否有异相漏电;
其中,分析被测电路零火线序是否正确包括:
分析零线、工作参考地之间的电压与火线、工作参考地之间的电压数据,当火线、工作参考地之间的电压大于零线、工作参考地之间的电压时零火线序正确,反之零火线序错误;
其中,分析被测电路是否有地线包括:
分析火线、地线之间的电压是否趋近于零,若是则判定被测电路没有地线,反之则判定被测电路有地线;
其中,评估被测电路地线是否接地良好包括:
当火线与地线之间的电压等于零线与地线之间的电压加上火线与零线之间的电压,且地线与零线之间的电压值处于预设正常的地线零线电压值范围时,判定被测电路地线接地良好;
其中,判断被测电路地线是否故障,以及是否有同相漏电包括:
当地线与零线之间的电压值大于预设正常的地线零线电压值范围且火线、地线之间电压值小于火线、零线之间电压值并且通过电阻将地线与零线相连接时,零线与地线的电压仍超过预设的正常值时判定被测电路地线故障且有同相漏电;
其中,判断被测电路地线是否故障,以及是否有异相漏电包括:
当地线与零线之间的电压值大于预设正常的地线零线电压值范围且火线、地线之间电压值大于火线、零线之间电压值时判定被测电路地线故障且有异相漏电。
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