CN110867353A - 具有瞬时接地断电保护及漏电警报功能的漏电断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种人体触电保护用漏电断路器,大致由三个部分构成:第一,引入人体触电时在对人体不造成伤害的范围内延长断路器的等待切断时间的技术,从而防止瞬时接地等导致的输电线路的断电,瞬时接地例如由老鼠或鸟类引起或因水分或灰尘引起;第二,为了预防漏电火灾,当电阻漏电电流为5mA以上时,进行使LED灯闪烁的漏电警报;第三,进行电阻漏电电流脉宽调制,并且设置有能够将该脉冲信号以有线、无线方式发送至外部的脉冲信号输出端子,以便管理员能够远程监视漏电状态。

Description

具有瞬时接地断电保护及漏电警报功能的漏电断路器
技术领域
本发明涉及一种人体触电保护用漏电断路器,更详细而言,涉及一种具有漏电警报功能的漏电断路器,在对人体不造成因触电导致的伤害的范围内延长等待切断时间,以防止因瞬时接地引起的断电,并且预防漏电火灾。
背景技术
目前,在韩国,除高电容工业用输电线路外,在交流单相220V输电线路上强制性地设置人体触电保护用漏电断路器,该漏电断路器的感应电流为30mA,等待切断时间为30ms。然而,单相交流220V的输电线路因老鼠或鸟类常常发生瞬时接地故障和因粉尘、湿气、漏水等导致的数十mA、数十ms的瞬时接地故障。因此,现有漏电断路器在每次发生这种瞬时接地故障时切断,输电线路经常断电多有不便。
另外,在交流单相220V输电线路上发生漏电时,会发生漏电火灾,而引发漏电火灾的漏电电流的起始值大约在5~10mA。然而,目前设置的漏电断路器的感应电流为30mA,因此目前的漏电断路器无法预防漏电火灾。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出的,本发明的目的在于提供一种在瞬时接地故障时不启动漏电断路器,而当漏电电流大于5mA时使LED灯闪烁来预防漏电火灾的漏电断路器。
为了实现上述目的的漏电断路器的模块图如图1所示。大致使用三个技术。
第一,采用根据ZCT检测出的复合漏电电流来计算出电阻漏电电流Igr的技术。这是因为瞬时接地电流、可能发生漏电火灾的漏电电流、人体触电时的触电电流均为电阻漏电电流(Igr)。
第二,采用当人体触电时对人体不造成伤害的范围内延长等待切断时间的技术。在人体触电时,对人体造成伤害的触电电流取决于触电持续时间。即,在人体触电时,对人体造成伤害的原因与触电电流(mA)和触电持续时间(s)之积(乘法)呈正比。因此,当触电电流小时,可以延长等待切断触电的时间。图4中,以虚线表示的曲线是示出电气用品安全标准K60947-2的附录B中规定的触电电流和安全的等待切断时间关系的图。例如,当触电电流为30mA时,可将等待切断时间设为0.3s。在本发明中,将漏电断路器的等待切断时间设为图4中以实线表示的曲线。因此,当瞬时接地故障的接地电流为30mA、接地时间为0.15s时,漏电断路器不会进行切断。
第三,为了预防漏电火灾,采用当成为漏电火灾原因的电阻漏电电流为基准值以上时发出警报的技术。作为警报,首先使LED灯闪烁,第二,将电阻漏电电流值转换为PWM信号并设置连接端子将该信号发送至漏电断路器外部。由于从该连接端子输出PWM信号,因此管理员能够实时以有线或无线的方式监控漏电电流的大小。
目前的漏电断路器以输电线路上的人体触电保护为目的。然而,由于设置漏电断路器,经常发生不必要的断电。例如,因老鼠或鸟类引起的瞬时接地、树木引起的瞬时接地、灰尘或湿气导致的瞬时接地等,使漏电断路器被启动。尤其,在雷雨天因瞬时接地引起路灯输电线路、交通信号输电线路等断电时,会引发大型的交通混乱。
在本发明的漏电断路器中,在漏电电流为5mA时LED灯会闪烁,以此进行漏电警报。能够从如上所述的漏电警报获得各种效果。
第一,每年在输电线路上发生数百件漏电火灾。通过漏电电流的警报,在漏电电流扩大之前预先消除漏电的原因,从而能够预防漏电火灾。
第二,在220V的输电线路中流过5mA的漏电电流时,发生1.1W的电力损失,每年发生约9.6KWH的电量损失。通过漏电警报,能够减少这种损失。
第三,还检查连接在输电线路的电气设备的漏电状态,因此可进行故障电气设备的预防诊断及提前维修。
第四,能够预防人体接触漏电点而触电。
另外,在本发明的漏电断路器中,设有漏电电流信号输出端子,通过连接网络能够以物联网(IoT)远程发送漏电电流值和警报信号。因此,电气设备管理员能够迅速且准确地识别漏电警报。
如上所述,本发明的漏电断路器不仅能够实现人体触电保护,还防止因瞬时接地故障引起的不必要的断电,并且通过漏电警报提供预防漏电火灾、减少漏电电力损失、预防电力设备的故障及履历管理等多种功能。
附图说明
图1示出本发明的漏电断路器的结构。
图2示出电源电压和复合漏电电流的相位关系。
图3示出同步信号的波形。
图4示出触电时触电电流与安全的等待切断时间之间的关系。
图5示出本发明的漏电断路器的警报及切断特性曲线。
图6示出对于漏电电流的脉宽调制(PWM)信号的波形。
图7示出本发明的漏电断路器的电路图。
图8是微处理器的工作流程图。
具体实施方式
本发明的漏电断路器大致由三个部分构成。第一部分是,根据ZCT检测出的复合漏电电流瞬时值来计算出电阻漏电电流和复合漏电电流的部分;第二部分是,为实现人体触电保护,当电阻漏电电流大于允许值时,启动漏电断路器从而切断输电线路的部分;第三部分是,为了预防漏电火灾,当电阻漏电电流大于允许值时,指示漏电警报的部分。图1示出本发明的漏电断路器的具体结构。
一、计算出电阻漏电电流及复合漏电电流的部分
该部分由ZCT 1、复合漏电电流检测部2、同步信号发生部3、电阻漏电电流计算部4及复合漏电电流计算部5构成。ZCT 1是通常的零序电流互感器,复合漏电电流检测部2由通常的感应电阻和放大器构成,并检测出复合漏电电流的瞬时值即流过输电线路的电阻漏电电流和电容漏电电流之和的瞬时值。图2示出电源电压v(t)与复合漏电电流瞬时值ig(t)的相位关系。与电源电压相比,复合漏电电流的相位超前θ。如图3所示,同步信号发生部3发生每半个电源周期重复高电平(high level)和低电平(low level)的球形波信号。
电阻漏电电流计算部4利用所述复合漏电电流瞬时值ig(t)和同步信号,来计算出电阻漏电电流Igr。在图2中,电源电压v(t)和复合漏电电流瞬时值ig(t)用数学式(1)及数学式(2)表示。
Figure BDA0002182746780000041
Figure BDA0002182746780000042
利用同步信号,对数学式(2)以半周期[0~π]进行积分,得到数学式(3),将积分值A除以
Figure BDA0002182746780000043
算出电阻漏电电流Igr。
Figure BDA0002182746780000044
复合漏电电流计算部5利用复合漏电电流瞬时值ig(t)和同步信号来计算出复合漏电电流有效值Ig。利用同步信号,对数学式(2)的绝对值以半周期[0~π]进行积分,得到数学式(4),将积分值B除以
Figure BDA0002182746780000045
算出复合漏电电流有效值Ig。
Figure BDA0002182746780000046
二、防止因瞬时接地故障引起的切断的部分
本发明避免了输电线路因瞬时接地故障而断电的情况,瞬时接地故障例如由老鼠或鸟类的触电、树木的接触及灰尘或水分导致的接地所引发。即,采用了在对人体不造成伤害的范围内延长漏电断路器的等待切断时间的技术。
在现有的人体触电保护用漏电断路器中,一直都是漏电电流达到30mA以上时,就会在30ms内启动漏电断路器(OFF)。然而,当人体触电时,对人体造成伤害的主要因素与人体触电电流和触电持续时间有关。更详细而言,触电时对人体造成伤害的主要因素与触电电流(mA)和触电持续时间(s)之积(乘法)呈正比。因此,当触电电流小时,即使延长等待切断触电时间也无妨。图4中,以虚线表示的曲线示出在电气用品安全标准K60947-2的附录B的B.4.2.4.1的表B.1中规定的触电电流与安全的等待切断时间的关系。例如,触电电流为30mA时,将等待切断时间设在0.3s以下。
本发明中,适用该标准,选择了如表1所示的漏电断路器的等待切断时间。即,设定为如图2中以实线表示的曲线。当触电电流即电阻漏电电流达到25mA以上时,启动漏电断路器,等待切断时间根据触电电流的大小设置不同。
表1.本发明中采用的电阻漏电电流与等待切断时间的关系
Figure BDA0002182746780000051
图1中,电阻漏电电流及等待切断时间延长允许值设定部6设定上述表1的内容。如果实际的电阻漏电电流超出电阻漏电电流的设定值范围,则第一比较器7就会输出信号。当从第一比较器7输出信号时,等待切断时间延长部8在延长对应时间后再输出信号。断路机构9由通常的断路线圈和触点切断机构构成,如果有信号从等待切断时间延长部8输出,则切断(OFF)触点10。
图5示出本发明的漏电断路器的切断特性曲线。输电线路的电容漏电电流Igc大致在70mA以内的情况下,与电容漏电Igc无关地断路器在电阻漏电电流Igr=25mA时就会被启动(OFF)。在本发明中,如果复合漏电电流Ig达到75mA以上,则物理上很难算出电阻漏电电流,因此当复合漏电电流Ig达到75mA以上时,如图5中的虚线所示,漏电断路器就会被启动(OFF)。
图1中,如上所述,复合漏电电流切断基准值设定部11将复合漏电电流切断基准值设定为75mA。并且,当实际的复合漏电电流大于所述复合漏电电流切断基准值设定部11的设定值时,第二比较器12输出信号。该信号将会启动所述断路机构9,从而切断(OFF)触点10。
三、用于预防漏电火灾的漏电警报部分
在输电线路上,因电缆的绝缘劣化、水分或灰尘等导致的爬电等,漏电电流从输电线路流到地面。并且,该漏电电流为电阻漏电电流。当这种漏电电流持续流入时,发热量逐渐增加,蓄热量也逐渐增加,导致周边的可燃物燃烧,发生漏电火灾。可能引起漏电火灾的漏电电流的值根据周围环境有所不同,通常从5~10mA开始可能会发生漏电火灾。因此,本发明中,当电阻漏电电流为5mA以上时,启动漏电警报,使LED灯闪烁。
图1中,漏电警报电流基准值设定部13中将电阻漏电电流设定为5mA。当实际的电阻漏电电流值大于设定的漏电警报电流基准值5mA时,第三比较器14输出信号,从而启动漏电警报器15。本发明中,漏电警报为小型LED每秒闪烁3~4次。如图5所示,与电容漏电电流大小无关地当Igr值大于5mA时,指示漏电警报。
通常,由于漏电断路器设置在分电盘内,需要管理员定期打开分电盘盖才能确认漏电警报。为了弥补这种缺陷,本发明的漏电断路器上设置有信号输出端子17,以便在用户需要时能够远程监控漏电电流值。
图1中,脉宽调制器16对电阻漏电电流计算部4计算出的电阻漏电电流进行脉宽调制。调制后的脉冲信号连接至所述信号输出端子17。图6是所述脉宽调制器16对漏电电流进行脉宽调制(PWM)后的脉冲信号波形。信号的一个周期P为4T,这里T是电源的周期,在韩国为1/60秒,即,16.6ms。脉宽S是由漏电电流的大小决定的,如表2所示。即,漏电电流被调制为脉冲信号,其中漏电电流以1mA为单位变化至5mA。
表2.漏电电流值和脉宽S的关系
漏电电流的大小 脉宽S
小于1mA 1/2T
1mA以上且小于2mA 1T
2mA以上且小于3mA 3/2T
3mA以上且小于4mA 2T
4mA以上且小于5mA 5/2T
5mA以上 3T
图7是以电子电路表示图1的漏电断路器的实施例。首先,利用电容器C1、稳压二极管Z、二极管D及电容器C2制作5V的直流电源。这是放大器L1、L2及微处理器L3工作所需的电源。ZCT、感应电阻R1及放大器L1发挥图1的ZCT 1和复合漏电电流检测部2的作用,利用这些获得复合漏电电流瞬时值ig。电阻R4及放大器L2发挥图1的同步信号发生部3的作用,利用这些获得如图3所示的同步信号。就该同步信号而言,每半个电源周期重复高电平和低电平。
微处理器L3发挥图1中4、5、6、7、8、11、12、13、14、16的作用。图8示出微处理器的工作。首先,由管脚2读取如图3所示的同步信号,在“是”期间(半周期的99%)由管脚1读取复合漏电电流瞬时值,从而算出电阻漏电电流Igr和复合漏电电流Ig(有效值)。接着,在“否”期间(半周期的1%)根据如上计算出的Igr和Ig的大小来决定的等待切断延长时间后,将断路器启动(OFF)信号输出至管脚5。并且,Igr为5mA以上时,向管脚3输出漏电警报信号,将Igr用PWM信号调制后的脉冲信号输出至管脚8。图7中,LED连接到微处理器L3的管脚3,从而在漏电警报时每秒闪烁3~4次。图7中,输出端子T发挥图1的信号输出端子17的作用,能够从该端子输出脉冲信号。图7中,断路线圈和SCR(可控硅整流器:Silicon ControlledRectifier)S相当于图1的断路机构9,由微处理器L3的管脚5输出切断信号(OFF)时,SCR S被启动,从而切断漏电断路器的触点。
以上对本发明的特定优选实施例进行了说明,然而本发明不限于上述特定的实施例,在不脱离权利要求书要求保护的本发明主旨的范围内,本发明所属领域技术人员可进行多种变形,且其变形属于权利要求书范围内。

Claims (4)

1.一种漏电断路器,包括:
通常的零序电流互感器(1),将输电线路的复合漏电电流转换为电压信号;
复合漏电电流检测部(2),根据所述电压信号检测出实际的复合漏电电流瞬时值;
同步信号发生部(3),基于电源输出球形波信号,所述球形波信号为每半个电源周期重复高电平和低电平的信号;
电阻漏电电流计算部(4),利用所述复合漏电电流瞬时值和同步信号,来计算出复合漏电电流中的电阻漏电电流;
复合漏电电流计算部(5),利用所述复合漏电电流瞬时值和同步信号,来计算出复合漏电电流有效值;
电阻漏电电流及等待切断时间延长允许值设定部(6),根据所述电阻漏电电流的大小来设定用于延长等待切断时间的基准值;
第一比较器(7),当实际的电阻漏电电流大于所述电阻漏电电流设定值时输出信号;
等待切断时间延长部(8),当接收到来自第一比较器(7)的信号时,将实际的等待切断时间延长为与所述等待切断时间延长设定值对应的大小,并输出信号;
断路机构(9)及触点(10),当接收到来自所述等待切断时间延长部(8)的信号时,启动漏电断路器;
复合漏电电流切断基准值设定部(11),设定用于切断复合漏电电流的基准值;
第二比较器(12),当实际的复合漏电电流的大小大于所述复合漏电电流设定值时,输出信号;
漏电警报电流基准值设定部(13),设定漏电警报电流基准值;
第三比较器(14),当实际的电阻漏电电流大于所述漏电警报电流基准值时,输出漏电警报信号;
漏电警报器(15),根据所述漏电警报信号,使LED灯闪烁;
脉宽调制器(16),将实际的电阻漏电电流实时转换为脉宽调制脉冲信号;及
信号输出端子(17),能够将所述脉宽调制脉冲信号以有线或无线方式发送至漏电断路器外部。
2.根据权利要求1所述的漏电断路器,其特征在于,
所述电阻漏电电流及等待切断时间延长允许值设定部(6)在电阻漏电电流为25~45mA时,将等待切断延长时间设定为200ms以内,在电阻漏电电流为45~75mA时,将等待切断延长时间设定为100ms以内,在电阻漏电电流为75mA以上时,将等待切断延长时间设定为30ms以内。
3.根据权利要求1所述的漏电断路器,其特征在于,
所述漏电警报电流基准值设定部(13)以电阻漏电电流5mA为基准值。
4.根据权利要求1所述的漏电断路器,其特征在于,
所述脉宽调制器(16)将脉冲信号的一个周期调为电源周期的4倍,根据漏电电流的大小而变化的脉宽调制是以每1mA电阻漏电电流对应1/2电源周期的形式调制,且被脉宽调制的电阻漏电电流最大为5mA。
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