CN108879596B - 一种具有电源监测功能的漏电保护电路 - Google Patents

Abstract

一种具有电源监测功能的漏电保护电路，包含：漏电保护电路，用于监测供电线路上的漏电故障，并且当漏电故障达到或高于设定的漏电保护阈值时断开用电负载；电源监测电路，其输入端连接到电源电路的输出端，用于监测漏电保护电路的电源，当监测到漏电保护控制电路的电源电压低于设定的阈值时输出动作或报警信号；电源电路，其输入端连接到相线和中线，输出端连接到漏电保护电路和电源监测电路，用于为漏电保护电路提供电源。本发明通过检测电源电路上的电压变化，使得电源电路中二极管开路的故障能够被检测出来，提高了漏电保护电路的安全性。

Description

一种具有电源监测功能的漏电保护电路

技术领域

本发明涉及一种漏电保护电路，尤其涉及一种具有电源监测功能的漏电保护电路。

背景技术

在电力供电系统中，为了应对负载端由于线路老化、故障等引发的人体触电的安全问题，在接入负载的节点通常需要安装具有漏电保护功能的剩余电流保护断路器。这种断路器通过零序电流互感器检测相线电流和中线电流的矢量和来判断是否发生漏电故障。当检测漏电电流大于设定的阈值时，断路器使得其内部的机械装置脱扣，断开负载的供电，保护人身以及设备的安全。

为了验证剩余电流保护断路器的工作状态，断路器上都安装有测试按钮，通过每月按动一次测试按钮来定期检测断路器是否能正常脱扣。但实际上终端用户很少定期进行这项检测。为此，需要一种自测试方法自动检测断路器的工作状态是否正常。一种常用的自测试方法是在可控硅无法使断路器断开期间产生模拟接地故障，从而可以在不需要断开用电负载的情况下测试断路器内零序电流互感器和漏电保护电路等元器件是否工作正常。如授权公开号为CN102694364的专利技术在AC电源的第一周期的前半周期开始并延伸到负半周期的时间段产生模拟接地故障，并检测控制电路对模拟相线接地故障的响应。授权公开号为CN102694364的专利技术则在负半周期内产生来模拟接地故障。为保证断路器有足够的能量正常工作和驱动脱扣器，通常断路器内的电子元器件采用全桥整流电路进行供电。当全桥整流电路中的部分二极管出现开路故障时，上述自检测方案无法检测到故障，甚至无法出现断路器无法脱扣的情况。这将造成非常严重的安全隐患。

如图1所示，漏电保护控制电路由D0~D3组成的全桥整流电路供电。自检控制电路连接三极管Q0的基极，Q0的集电极通过电阻R2与中线连接。在相线相对于中线的正半周期内，中线与整流器输出的GND之间的电压为0.7V，若在此期间三极管Q0导通，在Q0和R2支路上产生的漏电流很小，可忽略不计。在负半周期内，中线与整流器输出的GND之间的电压有效值为220V或110V，若在此期间三极管Q0导通，则在Q0和R2支路上会产生较大的模拟漏电流。漏电保护控制电路在负半周期内检测到该模拟漏电流后输出动作信号使得可控硅Q1导通。但与可控硅阳极连接的脱扣线圈的另一端与相线连接，在负半周期内，相线与整流器输出的GND之间的电压为0.7V，脱扣器无法动作。由此实现在不断开负载的情况下进行自检。

当全桥整流电路中的二极管发生开路时，断路器将存在安全性问题。如D0开路时，在正半周期内相线的供电通路被断开，负半周期内的供电通路完好，全桥整流电路变为半波整流电路。这种情况下，漏电保护控制电路的电源在正半周期内逐渐下降，在负半周期内恢复正常。若在负半周期内产生模拟漏电故障进行自检，则由于电源恢复正常，自检无法发现该故障。但是若有正常的漏电发生，需要在正半周期内脱扣时，由于正半周期内漏电保护控制电路的电源电压下降，输出到Q1控制极的驱动能力下降。特别是在低温条件下，可能无法驱动可控硅Q1的控制级使之导通。这种情况下虽然有漏电发生，但断路器无法脱扣，因此存在安全隐患。

更加严重的情况是出现D2开路的故障时，在正半周期内，全桥整流电路无法通过D2回到中线。但如图1中虚线所示，从GND流出的电流将经过反偏的三极管Q0、R2流回到中线，形成闭合回路。由于漏电保护控制电路的工作电流一般为500uA左右，电阻R2的大小为10KΩ左右，因此，在正半周期内虽然D2开路，但由Q0和R2形成的通路仍然可以为漏电保护控制电路正常供电。从电源上看不到任何异常的现象。在负半周期内进行自检亦无法发现该故障。但是，在有正常漏电发生时，漏电保护控制电路虽然可以使Q1导通，但脱扣线圈上的电流需要经过Q0和R2形成的通路回到中线形成闭合回路，由于R2电阻的限流作用，流经脱扣线圈的电流仅为几十毫安，该电流无法使脱扣器动作，断路器无法断开负载。断路器功能失效，但自检测控制电路无法发现故障并发出报警信号。由此可见现有方案存在严重的安全隐患。

发明内容

本发明提供一种具有电源监测功能的漏电保护电路，可以检测电源故障，提高了安全性。

为了达到上述目的，本发明提供一种具有电源监测功能的漏电保护电路，包含：

漏电保护电路，用于监测供电线路上的漏电故障，并且当漏电故障达到或高于设定的漏电保护阈值时断开用电负载；

电源监测电路，其输入端连接到电源电路的输出端，用于监测漏电保护电路的电源，当监测到漏电保护控制电路的电源电压低于设定的阈值时输出动作或报警信号；

电源电路，其输入端连接到相线和中线，输出端连接到漏电保护电路和电源监测电路，用于为漏电保护电路提供电源。

所述漏电保护电路，包含：

零序电流互感器，其套设在相线和中线上，用于感应漏电故障；

漏电保护控制电路，其输入端连接零序电流互感器，用于检测供电线路上的接地故障，当供电线路上的漏电故障电流大于设定阈值时输出动作信号；

脱扣器驱动电路，用于接收至少一个动作信号，并输出驱动信号到脱扣器，驱动脱扣器断开用电负载，和/或发出报警信号。

脱扣器，其输入端连接到脱扣器驱动电路的输出端，用于断开用电负载和供电线路的连接。

所述的电源电路采用全波整流电路。

所述的电源监测电路包含：

采样电路，其连接电源电路，用于按一定比例采样电源电路的输出电压；该采样电路包含串联的第一分压电阻和第二分压电阻；

比较器，其正极输入端连接采样电路的输出信号，负极输入端连接参考电压，该比较器用于判断电源电路的输出电压是否低于动作电压阈值；参考电压与第一分压电阻和第二分压电阻的分压比共同确定动作电压阈值；

低通滤波器，其输入端连接比较器的输出信号，用于滤除电源上的毛刺，避免脱扣器发生误动作；

脉冲检测电路，其输入端连接低通滤波器的输出端，用于检测脉冲信号，防止误动作；脉冲检测电路接收到输入端的至少一个低电平脉冲信号后输出动作脉冲到脉冲展宽电路；

脉冲扩展电路，其输入端连接脉冲检测电路的输出端，输出端连接脱扣器驱动电路输入端，用于将脉冲信号展宽为宽脉冲信号，保证断路模块可靠工作。

所述的脱扣器驱动电路包含：

二极管，其正端连接到漏电保护控制电路的输出端，负端连接到可控硅的控制级；

二极管，其正端连接到电源监测电路的输出端，负端连接到可控硅的控制级；

可控硅，其阳极连接到脱扣器，当其控制级和阴极之间的电压高过可控硅的触发电压时，可控硅导通。

所述的脱扣器包含：

脱扣线圈，其连接在脱扣驱动电路的输出端和相线之间，用于产生脱扣所需的驱动力；

第一触点开关，其连接在相线和用电负载之间，在脱扣线圈产生的驱动力的作用下断开用电负载与相线的连接；

第二触点开关，其连接在中线和用电负载之间，在脱扣线圈产生的驱动力的作用下断开用电负载与中线的连接。

所述的具有电源监测功能的漏电保护电路还包含：自检测模块，用于自动测试漏电保护电路的工作状态，当检测到故障时输出动作信号。

所述的自检测模块包含：自检测控制电路、三极管、二极管和电阻，自检测控制电路分别连接相线和三极管的基极，三极管的集电极连接二极管的阴极，三极管的发射极接地，二极管的阳极串联电阻后连接中线。

所述的自检测模块包含：自检测控制电路、第二可控硅和和电阻，自检测控制电路分别连接相线和第二可控硅的控制极，第二可控硅的阳极串联电阻后连接中线。

本发明通过检测电源电路上的电压变化，使得电源电路中二极管开路的故障能够被检测出来，提高了漏电保护电路的安全性。

附图说明

图1为常用的具有自检功能的漏电保护控制电路示意图。

图2为本发明的第一实施例的电路示意图。

图3为电源监测电路的内部结构示意图。

图4为发生二极管开路故障时电源监测电路内各节点的波形示意图。

图5为本发明的第二实施例示意图。

图6为本发明的第三实施例示意图。

具体实施方式

以下根据图2～图6，具体说明本发明的较佳实施例。

如图2所示，本发明的第一实施例中提供一种具有电源监测功能的漏电保护电路，包含：

漏电保护电路1，用于监测供电线路上的漏电故障，并且当漏电故障达到或高于设定的漏电保护阈值时断开用电负载4；

电源监测电路3，其输入端连接到电源电路2的输出端，用于监测漏电保护电路1的电源，当监测到漏电保护控制电路1的电源电压低于设定的阈值时输出动作或报警信号；

电源电路2，其输入端连接到相线和中线，输出端连接到漏电保护电路1和电源监测电路3，用于为漏电保护电路1提供电源。

所述漏电保护电路1，包含：

零序电流互感器101，其套设在相线和中线上，用于感应漏电故障；

漏电保护控制电路102，其输入端连接零序电流互感器101，用于检测供电线路上的接地故障，当供电线路上的漏电故障电流大于设定阈值时输出动作信号；

脱扣器驱动电路103，用于接收至少一个动作信号，并输出驱动信号到脱扣器104，驱动脱扣器断开用电负载4，和/或发出报警信号。

脱扣器104，其输入端连接到脱扣器驱动电路103的输出端，用于断开用电负载和供电线路的连接。

如图2所示，在本实施例中，所述的电源电路2采用全波整流电路4。

如图3所示，所述的电源监测电路3包含：

采样电路201，其连接电源电路2，用于按照一定比例采样电源电路2的输出电压；本实施例中，该采样电路201包含串联的第一分压电阻RS0和第二分压电阻RS1；

比较器202，其正极输入端连接采样电路201的输出信号VS，负极输入端连接参考电压VREF，该比较器202用于判断电源电路的输出电压是否低于动作电压阈值；参考电压VREF与第一分压电阻RS0和第二分压电阻RS1的分压比共同确定该动作电压阈值，在本实施例中，动作电压阈值设置为3V；

低通滤波器203，其输入端连接比较器202的输出信号VO，用于滤除电源上的毛刺，避免脱扣器发生误动作；本实施例中，低通滤波器203采用模拟滤波器或数字滤波器；当采用模拟滤波器时，该低通滤波器可以放置在采样电路201之后，比较器202之前。

脉冲检测电路204，其输入端连接低通滤波器203的输出端VLPF，用于检测脉冲信号，防止误动作；脉冲检测电路204接收到输入端的至少一个低电平脉冲信号后输出动作脉冲PWRFL到脉冲展宽电路205，为防止误动作，在本实施例中脉冲检测电路204检测到四个低电平脉冲以后输出动作脉冲信号到脉冲展宽电路205；

脉冲扩展电路205，其输入端连接脉冲检测电路204的输出端，输出端连接脱扣器驱动电路103输入端，用于将脉冲信号展宽为宽脉冲信号，保证断路模块可靠工作；脉冲展宽电路205收到脉冲检测电路204发出的PWRFL的脉冲信号以后，将其展宽为至少一个工频周期的宽脉冲信号，为保证脱扣器驱动电路103可靠地动作，在本实施例中展宽的脉冲宽度为1.5个工频周期的时间宽度。

如图2所示，所述的脱扣器驱动电路103包含：

二极管D5，其正端连接到漏电保护控制电路1的输出端，负端连接到可控硅Q1的控制级；

二极管D6，其正端连接到电源监测电路3的输出端，负端连接到可控硅Q1的控制级；

可控硅Q1，其阳极连接到脱扣器104，当其控制级和阴极之间的电压高过可控硅的触发电压时，可控硅导通；

所述二极管D6可以采用发光二极管，可以在电源监测电路输3出动作信号的同时发出报警信号。D6采用发光二极管的有益之处是当D2发生开路使得脱扣器无法脱扣时，D6仍可以发出报警信号提示脱扣器出现故障。

如图2所示，所述的脱扣器104包含：

脱扣线圈L0，其连接在脱扣驱动电路103的输出端和相线之间，用于产生脱扣所需的驱动力；

第一触点开关K1，其连接在相线和用电负载4之间，在脱扣线圈L0产生的驱动力的作用下断开用电负载与相线的连接；

第二触点开关K2，其连接在中线和用电负载4之间，在脱扣线圈L0产生的驱动力的作用下断开用电负载与中线的连接；

如图4所示，为发生二极管开路故障，导致全桥整流电路变为半桥整流时，电源监测电路3内各节点的波形示意图。在相线相对于中线的半个周期内，由于没有供电通路，漏电保护控制电路102的电源电压VDD逐渐下降，在接近正半周期结束点时，电源监测电路3内的比较器202检测到低的电源电压并输出低电平脉冲信号VO，低通滤波器203输出经过滤波以后的低电平脉冲信号VLPF，在第四个低电平脉冲VLPF发生时，脉冲检测电路204确认漏电保护控制电路102的电源发生故障，输出PWRFL脉冲信号，脉冲展宽电路205将PWRFL脉冲信号展宽为宽度为1.5个工频周期的宽脉冲信号TRGPW，该信号可确保脱扣线圈L0有足够的时间驱动断路器在正半周期内动作。若全桥整流电路中的D2发生开路故障，由于在正半周期内无法形成对中线的电流通路，因此虽然可控硅Q1可以导通，但由于脱扣线圈L0上没有电流，脱扣线圈无法动作，此时可以通过串联在可控硅Q1的控制极的发光二极管D6发出报警信号。

如图5所示，本发明的第二实施例中提供的一种漏电保护电路，在第一实施例的基础上还包含自检测模块，用于自动测试漏电保护电路的工作状态，当检测到故障时输出动作信号。该自检测模块包含：自检测控制电路105、三极管Q0、二极管D7和电阻R2，自检测控制电路105分别连接相线和三极管Q0的基极，三极管Q0的集电极连接二极管D7的阴极，三极管Q0的发射极接地，二极管D7的阳极串联电阻R2后连接中线。

在三极管Q0和电阻R2的模拟故障电流通路上增加二极管D7，当电源电路2中的二极管D2开路时，由于二极管D5反向偏置，无法形成地GND到中线的回路，全桥整流电路变为半波整流电路，在正半周期内漏电保护控制电路102的电源下降，电源监测电路3检测到该故障后输出动作信号，发光二极管D6发出报警信号。

如图6所示，本发明的第三实施例中提供一种漏电保护电路，在第一实施例的基础上还包含自检测模块，该自检测模块包含：自检测控制电路105、第二可控硅Q3和和电阻R2，自检测控制电路105分别连接相线和第二可控硅Q3的控制极，第二可控硅Q3的阳极串联电阻R2后连接中线。

与第三实施例不同的是，本实施例中将三极管Q0和二极管D7改为第二可控硅Q3，当电源电路6中的二极管D2开路时，第二可控硅Q3同样可以阻断从地GND到中线的反向通路，全桥整流电路变为半波整流电路，电源监测电路3检测到该故障后输出动作信号，发光二极管D6发出报警信号。

需要说明的是本发明所列的实施例中自检测控制电路105的电源采用独立于漏电保护控制电路102的供电方式。实际中也可以采用自检测控制电路105和漏电保护控制电路102共用全波整流电路，甚至自检测控制电路105的电源与漏电保护控制电路102短接的供电方式。

需要说明的是本发明所列的实施例中电源检测电路的输出直接通过二极管D6驱动可控硅，这是一种较为安全的方式。在一些应用场合，电源检测电路的输出可以直接驱动发光二极管或者蜂鸣器发出报警信号。

在实际应用中，电源监测电路3和自检测控制电路105可以集成在一起成为专用的集成电路芯片。

本发明通过检测电源电路上的电压变化，使得电源电路中二极管开路的故障能够被检测出来，提高了漏电保护电路的安全性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种具有电源监测功能的漏电保护电路，其特征在于，包含：

漏电保护电路（1），用于监测供电线路上的漏电故障，并且当漏电故障达到或高于设定的漏电保护阈值时断开用电负载（4）；

电源监测电路（3），其输入端连接到电源电路（2）的输出端，用于监测漏电保护电路（1）的电源，当监测到漏电保护控制电路（1）的电源电压低于设定的阈值时输出动作或报警信号；

电源电路（2），其输入端连接到相线和中线，输出端连接到漏电保护电路（1）和电源监测电路（3），用于为漏电保护电路（1）提供电源；所述的电源电路（2）采用全波整流电路（4）；

所述的电源监测电路（3）包含：

采样电路（201），其连接电源电路（2），用于按比例采样电源电路（2）的输出电压；该采样电路（201）包含串联的第一分压电阻（RS0）和第二分压电阻（RS1）；

比较器（202），其正极输入端连接采样电路（201）的输出信号（VS），负极输入端连接参考电压（VREF），该比较器（202）用于判断电源电路的输出电压是否低于动作电压阈值；参考电压（VREF）与第一分压电阻（RS0）和第二分压电阻（RS1）的分压比共同确定动作电压阈值；

低通滤波器（203），其输入端连接比较器（202）的输出信号（VO），用于滤除电源上的毛刺，避免脱扣器发生误动作；

脉冲检测电路（204），其输入端连接低通滤波器（203）的输出端（VLPF），用于检测脉冲信号，防止误动作；脉冲检测电路（204）接收到输入端的至少一个低电平脉冲信号后输出动作脉冲（PWRFL）到脉冲展宽电路（205）；

脉冲扩展电路（205），其输入端连接脉冲检测电路（204）的输出端，输出端连接脱扣器驱动电路（103）输入端，用于将脉冲信号展宽为宽脉冲信号，保证断路模块可靠工作。

2.如权利要求1所述的具有电源监测功能的漏电保护电路，其特征在于，所述漏电保护电路（1），包含：

零序电流互感器（101），其套设在相线和中线上，用于感应漏电故障；

漏电保护控制电路（102），其输入端连接零序电流互感器（101），用于检测供电线路上的接地故障，当供电线路上的漏电故障电流大于设定阈值时输出动作信号；

脱扣器驱动电路（103），用于接收至少一个动作信号，并输出驱动信号到脱扣器（104），驱动脱扣器断开用电负载（4），和/或发出报警信号；

脱扣器（104），其输入端连接到脱扣器驱动电路（103）的输出端，用于断开用电负载和供电线路的连接。

3.如权利要求2所述的具有电源监测功能的漏电保护电路，其特征在于，所述的脱扣器驱动电路（103）包含：

第一 二极管（D5），其正端连接到漏电保护控制电路（1）的输出端，负端连接到可控硅（Q1）的控制级；

第二 二极管（D6），其正端连接到电源监测电路（3）的输出端，负端连接到可控硅（Q1）的控制级；

可控硅（Q1），其阳极连接到脱扣器（104），当其控制级和阴极之间的电压高过可控硅的触发电压时，可控硅导通。

4.如权利要求3所述的具有电源监测功能的漏电保护电路，其特征在于，所述的脱扣器（104）包含：

脱扣线圈（L0），其连接在脱扣驱动电路（103）的输出端和相线之间，用于产生脱扣所需的驱动力；

第一触点开关（K1），其连接在相线和用电负载（4）之间，在脱扣线圈（L0）产生的驱动力的作用下断开用电负载与相线的连接；

第二触点开关（K2），其连接在中线和用电负载（4）之间，在脱扣线圈（L0）产生的驱动力的作用下断开用电负载与中线的连接。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的具有电源监测功能的漏电保护电路，其特征在于，所述的具有电源监测功能的漏电保护电路还包含：自检测模块，用于自动测试漏电保护电路的工作状态，当检测到故障时输出动作信号。

6.如权利要求5所述的具有电源监测功能的漏电保护电路，其特征在于，所述的自检测模块包含：自检测控制电路（105）、三极管（Q0）、第三 二极管（D7）和电阻（R2），自检测控制电路（105）分别连接相线和三极管（Q0）的基极，三极管（Q0）的集电极连接第三 二极管（D7）的阴极，三极管（Q0）的发射极接地，第三 二极管（D7）的阳极串联电阻（R2）后连接中线。

7.如权利要求5所述的具有电源监测功能的漏电保护电路，其特征在于，所述的自检测模块包含：自检测控制电路（105）、第二可控硅（Q3）和电阻（R2），自检测控制电路（105）分别连接相线和第二可控硅（Q3）的控制极，第二可控硅（Q3）的阳极串联电阻（R2）后连接中线。