CN110912097B - 低压用户端防触电监测与保护方法与装置 - Google Patents

低压用户端防触电监测与保护方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低压用户端防触电监测与保护方法与装置，其能够监测经过隔离变压器的供电线路并在人体发生触电情况时予以保护，通过电压和电流传感器，检测两根供电导线对地电压和触电电流，定位触电位置，分辨出构成触电回路的导线，判断出触电类型，从而微处理器输出相应的控制信号，电子开关及时动作，使得发生触电的导线与地短接。本发明不仅可以实现单线触电保护，还解决了双线触电的威胁。本发明整个动作时间小于10ms，如此便在人体触电的情况发生但还未对人身造成伤害前解决触电威胁，从而保护人身安全。此外，与其他触电保护装置相比较，本发明在单线触电情况下，不需切断电源，在保护人体安全的同时仍能继续供电，能够保证供电的连续性。

Description

低压用户端防触电监测与保护方法与装置
技术领域
本发明属于安全科学、电气工程、仪器科学与技术领域，具体涉及一种低压用户端防触电监测与保护方法与装置。
背景技术
目前，进入用户的市电通常是380V三相交流电，以及220V单相交流电。对于一般的家庭、文旅、文化、办公等场所的用电，更多采用的是220V单相交流电，其中一个是火线，另一根是地线。当人体触及地线时，无触电感，但触及火线时，有强烈的触电感，甚至出现生命危险。地线绝缘层破损后，不会出现火灾，但火线绝缘出现问题后，可能出现火灾。
为了防止常规线路火线绝缘导致的火灾，以及人体触碰火线导致触电的情况出现，有些家庭、文旅等场所在进入用户的进线端添加了一个隔离变压器，使得用户线路与市电实现电气隔离，进入用户的线路没有地线和火线之分。此时，进入用户的双绞线中的两根线对地具有一定的、几乎相等的分布电容。而分布电容大小取决于电缆的长度、几何尺寸以及绝缘材料。因此，大地相当于两根线缆的中性点，每根导线上的有效电压近似为110V。当人与大地完全接触时，人与大地几乎是一个等势体，当人并未完全与大地完全接触，比如穿着鞋站立，人和大地之间的电容，远比导线与地之间的电容大，此时，人和大地近似为一个等势体。当人身体触及其中一根导线时，那根线对地电容上的电就会流过人体与大地相连，使其与地成为或近似成为等势体，另一根导线和大地之间的电压变为220V或近似220V。这种方法可以有效防止常规市电火线绝缘出现问题后，可能引起火灾的问题，但对人体触电依然无法完全杜绝。如果线路较短，由于分布电容小，电容上储存的电能很小，容抗很大。人意外触碰单根线路时，电容上存储的电能通过人体放电，产生的暂态电流较小，导线之间通过人体形成的稳态电流也小，故此时并不一定会有明显的触电感；但如果线路很长，则分布电容会变大，电容储存的电能增大，容抗减小。此时，人触及该导线，电容放电时通过人体的暂态电流可能较大，导线之间通过人体形成的稳态电流也会增加，以至于会有明显的触电感。如果万一出现触及两根导线，则还可能出现生命危险。
发明内容
针对目前存在的触电事故，本发明旨在提供一种用于家庭、文旅、办公等场所的低压用户端防触电监测与保护方法与装置。在当人体意外触碰电气线路时，快速判断触电导线并对分布电容放电，保护人们生命安全。
本发明采用如下技术方案来实现的：
低压用户端防触电监测与保护装置，包括一个隔离变压器、两个电压传感器、一个或多个电流传感器、调理电路、微处理器、两个电子开关以及一个断路器；其中，
两个电压传感器分别为第一电压传感器和第二电压传感器，两个电子开关分别为电子开关S1和电子开关S2；
隔离变压器和断路器依次设置在市电与用户侧之间，第一电压传感器的一端与导线A连接，第二电压传感器的一端与导线B连接，两个电压传感器的另一端均接地；电子开关S1的一端与导线A连接，另一端串联电阻R1并接地，且电子开关S1和电阻R1的两端并联有电容C1，电子开关S2的一端与导线B连接，另一端串联电阻R2并接地，且电子开关S2和电阻R2的两端并联有电容C2，电容值C1≈C2，且小于用户侧导线对地电容C0；
电流传感器包括磁环线圈和限流电阻，用于测量触电电流的大小和流向，磁环套在两个导线的外侧，线圈缠绕在磁环上，限流电阻与线圈输出端相连接，提供能够测量的输出电压；
两个电压传感器、两个电子开关以及电流传感器的输出端均连接至调理电路的输入端，调理电路的输入端连接至微处理器的输入端，微处理器的输出端分别连接至两个电子开关的控制端；
工作时，隔离变压器用于将市电与用户侧隔离，当用户侧人体单线触电情况发生时，调理电路能够完成分别来自电压传感器和电流传感器的信号调理，通过检测两供电导线的对地电压和触电电流，分辨出触电导线；微处理器输出的控制信号，控制并联在相应线路对地电容两端的电子开关动作闭合，在有人体触电的情况发生但还未对人身造成伤害前对使得发生触电的那根导线与地之间的电子开关闭合，使其对地电压迅速降为接近0，保护人身安全；当人体两线触电情况发生时，为保护人身安全，两个电子开关都动作闭合，造成线间短路，断路器自动跳闸。
本发明进一步的改进在于，隔离变压器能够实现电气隔离，输入端为220V市电，其次级输出为隔离的220V电压，作为用户侧的供电电源。
本发明进一步的改进在于，两个电压传感器结构相同，用于完成两根导线对地电压的极性与电压值的测量，且传感器电阻不小于220千欧，同时，50Hz工频时的相位滞后小于10°。
本发明进一步的改进在于，微处理器接收电流和电压两种传感器的检测信号，判断哪个线出现了触电情况，实现对电流传感器的输出电压的积分，并控制电子开关的通断，为保证人体触电时，微处理器能够及时发出指令，控制电子开关动作，微处理器的程序执行周期小于1ms，满足检测装置响应时间要求且与信号采集元件速度匹配。
本发明进一步的改进在于，当微处理器发出相应的控制信号时，对应的电子开关动作闭合，电子开关满足漏电流小于1微安和响应时间小于0.1毫秒的要求，其中电子开关耐受电压在220V以上，采用固态继电器或场效应管，电子开关串联电阻的电阻值R在250欧姆-20千欧之间，1秒时间内耐受功率大于220V2/R，精密度由测量准确度等级确定，不低于0.01％，且电阻均为低温漂电阻，温度漂移小于1ppm/℃。
本发明进一步的改进在于，该装置电子开关发生保护动作的触电电流整定值小于5毫安，或可由用户设定的值，动作时间小于10毫秒。
本发明进一步的改进在于，电流传感器根据实际情况可安装一个或多个，电流传感器检测限小于1毫安；如果安装N个电流传感器，且N>＝2，从隔离变压器用户侧至用户侧线路最远端依次等分成一、二、……N+1共N+1段，在线路的每个分界点都安装一个电流传感器，其中第一段和第二段之间安装的电流互感器为第一电流互感器，第二段和第三段之间的为第二电流互感器，……，则第N段和N+1段之间安装第N电流传感器；如果只能安装一个电流互感器，则安装在中间点，从隔离变压器用户侧至用户侧线路最远端依次等分成一、二二段；如果除了入户端，整个用户侧线路不可改动，则安装在并联电容C1、C2与用户侧线路之间,所接电容的电容值C1≈C2≈C0。
低压用户端防触电监测与保护方法，该方法基于上述低压用户端防触电监测与保护装置，若有N个电流传感器，将用户侧线路分为N+1段；设定第一电压传感器测得结果为V1，第二电压传感器测得结果为V2，第一电流传感器检测到电流为I1，第二电流传感器检测到电流为I2，……，第N电流传感器检测到电流为IN；设电流从隔离变压器二次侧流向用户终端的方向为正方向；反之，则电流方向为负；在触电发生时，其动作按如下方式进行：
(1)当无触电情况发生时，电流传感器输出电压均值为0，且两根供电导线对地电压大小相等，极性相反，两个电子开关无动作；
(2)当检测到V1为正，V2为负，若I1＝I2＝0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第一段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为正，V2为负，若Ih-1为正，且Ih为0，V1数值减小，V2数值增大，说明第h段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通，其中2<＝h<＝N；当检测到V1为正，V2为负，若IN-1>0，IN为0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第N+1段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为正，V2为负，若I1＝I2＝0，且V1数值增大，V2数值减小，说明第一段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测到V1为正，V2为负，若Ih-1<0，Ih＝0，且V1数值增大，V2数值减小，说明第h段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测到V1为正，V2为负，若IN-1<0，IN<0，且V1数值增大，V2数值减小，说明第N+1段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测到V1为负，V2为正，若I1＝I2＝0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第一段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为负，V2为正，若Ih-1<0，Ih＝0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第h段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为负，V2为正，若IN-1<0，IN<0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第N+1段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；
当检测到V1为负，V2为正，若I1＝I2＝0，且V1数值增大，V2数值减小，说明第一段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测到V1为负，V2为正，若Ih-1<0，Ih＝0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第h段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测到V1为负，V2为正，若IN-1<0，IN<0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第N+1段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；
(3)当检测到V1和V2的极性与上述方式(2)相同、但变化趋势刚好与上述方式(2)相反，电流变化趋势也刚好与上述方式(2)相反，说明人体正脱离单线触电，于是开断对应电子开关；
(4)当在短时间0.05～1秒内，同一个电流传感器检测到两次触电电流脉冲信号，且第二次电流值明显大于第一次检测到的触电电流，则判断此时发生双线触电，两个电子开关都动作闭合，产生短路电流，断路器断开，保护人身安全，只有通过人员确认不再有人触电，通过手动合闸，才能够恢复供电。
低压用户端防触电监测与保护方法，该方法基于上述低压用户端防触电监测与保护装置，若只有一个电流传感器，将用户侧线路分为两段，设定第一电压传感器测得结果为V1，第二电压传感器测得结果为V2，电流传感器检测到电流为I1，在触电发生时，其动作按如下方式进行：
(1)当无触电情况发生时，电流传感器输出电压均值为0，且两根供电导线对地电压大小相等，极性相反，两个电子开关无动作；
(2)当检测V1为正，V2为负，若I1＝0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第一段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测V1为正，V2为负，若I1＝0，V1数值增大，V2数值减小，说明第一段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测V1为正，V2为负，若I1<0，V1数值增大，且V2数值减小，说明第二段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测V1为正，V2为负，若I1>0，V1数值减小，V2数值增大，说明第二段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；
当检测到V1为负，V2为正，若I1＝0，V1数值减小，V2数值增大，说明第一段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为负，V2为正，若I1为正，V1数值增大，V2数值减小，说明第一段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测到V1为负，V2为正，若I1<0，且V2数值增大，V1数值减小，说明第二段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为负，V2为正，若I1>0，V1数值增大，V2数值减小，说明第二段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；
(3)当检测到V1和V2的极性与上述方式(2)相同、但变化趋势刚好与上述方式(2)相反，I1变化趋势也刚好与上述方式(2)相反，说明人体正脱离单线触电，于是开断对应电子开关；
(4)当在短时间0.05～1秒内，同一电流传感器检测到两次触电电流脉冲信号，且第二次电流值明显大于第一次检测到的触电电流，则判断此时发生双线触电，两个电子开关都动作闭合，产生短路电流，断路器断开，保护人身安全，只有通过人员确认不再有人触电，通过手动合闸，才能够恢复供电。
低压用户端防触电监测与保护方法，该方法基于上述低压用户端防触电监测与保护装置，若只有一个电流传感器，接在电容C1、C2和用户侧导线之间，设定第一电压传感器测得结果为V1，第二电压传感器测得结果为V2，电流传感器检测到电流为I1，设电流从隔离变压器二次侧流向用户端的方向为正方向；反之，则电流方向为负；在触电发生时，其动作按如下方式进行：
(1)当无触电情况发生时，电流传感器输出电压均值为0，且两根供电导线对地电压大小相等，极性相反，两个电子开关无动作；
(2)当检测V1为正，V2为负，若I1＝0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第一段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测V1为正，V2为负，若I1＝0，V1数值增大，V2数值减小，说明第一段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测V1为正，V2为负，若I1<0，V1数值增大，且V2数值减小，说明第二段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测V1为正，V2为负，若I1>0，V1数值减小，V2数值增大，说明第二段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；
当检测到V1为负，V2为正，若I1＝0，V1数值减小，V2数值增大，说明第一段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为负，V2为正，若I1为正，V1数值增大，V2数值减小，说明第一段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测到V1为负，V2为正，若I1<0，且V2数值增大，V1数值减小，说明第二段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为负，V2为正，若I1>0，V1数值增大，V2数值减小，说明第二段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；
(3)当检测到V1和V2的极性与上述方式(2)相同、但变化趋势刚好与上述方式(2)相反，I1变化趋势也刚好与上述方式(2)相反，说明人体正脱离单线触电，于是开断对应电子开关；
(4)当在短时间0.05～1秒内，同一电流传感器检测到两次触电电流脉冲信号，且第二次电流值明显大于第一次检测到的触电电流，则判断此时发生双线触电，两个电子开关都动作闭合，产生短路电流，断路器断开，保护人身安全，只有通过人员确认不再有人触电，通过手动合闸，才能够恢复供电。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的低压用户端防触电监测与保护方法与装置，能够监测经过隔离变压器的供电线路并对在人体触电发生情况下予以保护，消除触电感。通过电压传感器和电流传感器，检测两根供电导线对地电压和触电电流，定位触电发生位置，分辨出构成触电回路的导线，判断出触电类型，控制电子开关及时动作，使得发生触电的导线与地短接，消除人体的触电感。当一根导线发生触电时，只需短接该触电导线；当两根导线发生触电时，则同时短接两根导线。因此，本发明不仅可以实现单线触电保护，还可以解决双线触电的威胁。本发明整个人体触电保护装置动作时间小于10ms，如此便可以在人体触电的情况发生但还未对人身造成伤害前解决触电威胁，消除触电感，从而保护人身安全。此外，与其他保护装置相比较，本发明在单线触电情况下，不需切断电源，在保护人体安全的同时仍能继续供电，能够保证供电的连续性。
附图说明
图1为正常情况下两根导线的对地电压曲线图。
图2为导线B发生人体触电时两根导线的对地电压曲线图。
图3为本发明低压用户端防触电监测与保护装置安装方式及结构示意图。
图4为电压传感器结构示意图。
图5为单片机控制固态继电器电路图。
具体实施方式
为详细说明本发明专利的实施方法，本发明以人体与大地完全接触为例，结合附图进一步说明和论述本发明的原理与实施方法。
为了防止人体意外触电发生大的危险，常将目前的220V交流电经过隔离变压器后，输送到家庭、文化、办公等场所。正常情况下两根供电导线对地电压是大小相等，方向相反，如图1所示。当人身体触及其中一根导线时，那根线对地电容上的电就会流过人体与大地相连，使其与地成为等势体，另一根导线和大地之间的电压变为220V。其电压值如图2所示。人意外触碰单根线路时，如果线路较短，由于分布电容小，通过人体的电流较小，故该电流流过人体时并不一定会有明显的触电感；但如果线路很长，则分布电容会变大，人触及该导线，电容放电时通过人体的电流可能较大，会有明显的触电感。如果万一出现触及两根导线，则还可能出现生命危险。因此，当人体发生触电时，要快速分辨触电导线及触电类型，保护装置迅速动作，保护人体安全。
在隔离的基础上，本发明提出低压用户端防触电监测与保护装置。该低压用户端防触电监测与保护装置的结构示意图及其在供电线路中的安装方式如图3所示。该低压用户端防触电监测与保护装置包括一个隔离变压器、两个电压传感器、一个或多个电流传感器、调理电路、微处理器、两个电子开关以及断路器。当人体单线触电情况发生时，通过检测两供电导线的对地电压和触电电流，定位触电位置，分辨出触电导线；微处理器输出的控制信号，控制并联在相应线路对地电容两端的电子开关动作闭合，便可以在有人体触电的情况发生但还未对人身造成伤害前对电容放电，保护人身安全；当人体两线触电情况发生时，为保护人身安全，两个电子开关都动作闭合，造成线间短路，断路器自动跳闸，保护系统。
如图3所示，磁环线圈套在双绞线电缆的外侧且靠近入户处安装，用于检测人体是否接触到电气线以及测量触电电流的大小以及方向。当人体未接触到电气线路时，通过磁环线圈内的合电流为零，线圈上不会感应出感生电压。当人体触及导线时，相应导线上的对地电容会放电产生电流，通过磁环线圈内的合电流不再为零。交变的电流产生交变的磁场，从而在线圈上感应出感生电压。由于磁环靠近入户处安装，供电线路较长，则有C′1>>C1，C′2>>C2。若导线A上于P点处发生人体触电，导线A电压为正，磁环感知的电流向右流，否则向左流；若导线B上于Q点处发生人体触电，导线B电压为负，则磁环感知的电流向左流，否则，向右。导线对地电压的极性与大小可以用电流传感器感知。由于磁环线圈上输出电压是关于电流的微分值，在人体刚触电时，其输出电压相对比较大。
当发生双线触电时，人体不会同时触及两根导线，而是存在一个极短的时间差。在此时间差内，磁环线圈会检测到两次电流脉冲信号。
根据上述说明可知，利用感知电流的流向、大小和导线电压的极性，可判断哪个导线发生触电，以及触电类型。
上述两种检测信号在经过信号调理后，传递到微处理器中处理。由于磁环线圈的输出是触电电流的微分值，微处理器需对该信号进行数字积分，实现相位补偿。对于单相触电，在判断出触电导线后，微处理器输出控制信号，控制该触电导线的对地电容的电子开关闭合，便可以在有人体触电的情况发生但还未对人身造成伤害前，给并联在其两端的对地电容放电，从而保护人身安全。此时，测量与电子开关相串联电阻的电压值，并经过调理电路传递到微处理器中，当测量电压值与电流值变化趋势与触电时相反，认为人体脱离触电状态，微处理器再次发出指令，控制之前闭合接地的电子开关再次断开。若人体触及两根导线，通过上述检测信号，判断出人体同时触碰到两根导线，微处理器会发出控制信号，控制电子开关S1、S2闭合，保护人体安全。值得注意的是，由于电子开关S1、S2闭合，两根导线近似相当于短接，即发生线间短路，断路器会自动跳闸，保护系统。
两个电压传感器结构相同，分别完成两根供电导线对地极性的测量，两个电压传感器至少能够长时间耐受220V的电压，并耐受雷电冲击等特殊的短时过电压，且具有电气绝缘安全裕度，若连接被测线路与大地，则传感器电阻不小于220千欧，同时，50Hz工频时的相位滞后小于10°。如图4所示，每个电压传感器采用分压电阻电路，由两个串联电阻组成。其阻值由待测电压等级以及待测供电线路的负载电流决定，需保持其二次电压在1～4V左右。整个分压电阻串联支路至少能够直接承担220V的电压，并耐受雷电冲击等特殊的短时过电压，且具有电气绝缘安全裕度。
为保证人体触电时，微处理器及时发出指令，控制电子开关动作，要求微处理器须具有一定的处理和响应速度，满足检测装置响应时间要求且与信号采集元件速度匹配；微处理器可以是单片机、DSP等。作为优选，选择单片机作为微处理器。单片机程序都是模块化的，由于自带许多功能，接口相对简单，工作速度也快，足以满足运算需求。
所需电子开关要满足漏电流小于1微安和响应时间小于0.1毫秒的要求，其中电子开关耐受电压须在220V以上，可以是继电器或场效应管。作为优选，选择固态继电器作为电子开关。固态继电器的可靠性高，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，其切换速度可快至几微秒。固态继电器是一种四端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。它既有放大驱动作用，又有隔离作用。如图5单片机控制固态继电器电路图所示，单片机的控制信号经过光电耦合器传输到固态继电器的输入控制端，其输出端动作闭合，给电容放电。对于电子开关串联电阻，其电阻值精密度由测量准确度等级确定，要不低于0.01％，且电阻均为低温漂电阻，要求温度漂移小于1ppm/℃。
实施例：
本实施例结合图1的正常情况下两根导线的对地电压曲线、图2的导线B发生人体触电时两根导线的对地电压曲线、图3的低压用户端防触电监测与保护装置安装方式及结构示意图以及图4电压传感器结构示意图简要说明实施过程。
本发明提供的低压用户端防触电监测与保护方法，设定低压用户端防触电监测与保护装置动作整定值为5毫安。当无触电情况发生时，电流传感器输出电压均值为0，且两根供电导线对地电压大小相等，极性相反，电子开关无动作。人体于第二段线路的导线A发生单线触电，两个电压传感器检测到V1为正，V2为负，I1为正，且I2为0，V1数值减小，V2数值增大，说明第二段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为正，V2为负，V2数值减小，V1数值增大，I1的数值开始减小，说明人体正脱离单线触电，于是开断对应电子开关。
当人体无意间发生双线触电，在短时间(0.05～1秒)内，检测到两次触电电流脉冲信号，且第二次电流值明显大于第一次检测到的触电电流，则判断此时发生双线触电，两个继电器都动作闭合，产生短路电流，断路器7断开，保护人身安全。当人员确认不再有人触电，通过手动合闸，恢复供电。
显然，通过上述实施例说明本发明提出的低压用户端防触电监测与保护装置通过处理来自磁环线圈和分压电阻输出的检测信号，定位触电位置，分辨出触电线路，微处理器输出相应的控制信号，电子开关及时动作给相应的对地电容放电，可以有效保护人身安全。本触电保护装置不仅可以实现单线触电保护，还可以解决双线触电的威胁。此外，与其他触电保护装置相比较，本发明低压用户端防触电监测与保护装置在单线触电情况下，不需切断电源，在保护人体安全的同时仍能继续供电，可以保证供电的连续性。
以上内容是结合具体实施方案对本发明专利的进一步详细说明。需要特别说明的是，本发明专利的具体实施方案不仅仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干的推演和扩展，但都应当视为本发明所提交的权利要求书所确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.低压用户端防触电监测与保护装置，其特征在于，包括一个隔离变压器(1)、两个电压传感器、一个或多个电流传感器、调理电路、微处理器(6)、两个电子开关以及一个断路器(7)；其中，
两个电压传感器分别为第一电压传感器(2)和第二电压传感器(3)，两个电子开关分别为电子开关S1和电子开关S2；
隔离变压器(1)和断路器(7)依次设置在市电与用户侧之间，第一电压传感器(2)的一端与导线A连接，第二电压传感器(3)的一端与导线B连接，两个电压传感器的另一端均接地；电子开关S1的一端与导线A连接，另一端串联电阻R1后接地，且电子开关S1和电阻R1的两端并联有电容C1，电子开关S2的一端与导线B连接，另一端串联电阻R2后接地，且电子开关S2和电阻R2的两端并联有电容C2，电容值C1≈C2，且小于用户侧导线对地电容C0；
电流传感器包括磁环线圈和限流电阻，用于测量触电电流的大小和流向，磁环套在两个导线的外侧，线圈缠绕在磁环上，限流电阻与线圈输出端相连接，提供能够测量的输出电压；
两个电压传感器、两个电子开关以及电流传感器的输出端均连接至调理电路的输入端，调理电路的输入端连接至微处理器(6)的输入端，微处理器(6)的输出端分别连接至两个电子开关的控制端；
工作时，隔离变压器(1)用于将市电与用户侧隔离，当用户侧人体单线触电情况发生时，调理电路能够完成分别来自电压传感器和电流传感器的信号调理，通过检测两供电导线的对地电压和触电电流，分辨出触电导线；微处理器(6)输出的控制信号，控制并联在相应线路对地电容两端的电子开关动作闭合，在有人体触电的情况发生但还未对人身造成伤害前对使得发生触电的那根导线与地之间的电子开关闭合，使其对地电压迅速降为接近0，保护人身安全；当人体两线触电情况发生时，为保护人身安全，两个电子开关都动作闭合，造成线间短路，断路器(7)自动跳闸。
2.根据权利要求1所述的低压用户端防触电监测与保护装置，其特征在于，隔离变压器(1)能够实现电气隔离，输入端为220V市电，其次级输出为隔离的220V电压，作为用户侧的供电电源。
3.根据权利要求1所述的低压用户端防触电监测与保护装置，其特征在于，两个电压传感器结构相同，用于完成两根导线对地电压的极性与电压值的测量，且传感器电阻不小于220千欧，同时，50Hz工频时的相位滞后小于10°。
4.根据权利要求1所述的低压用户端防触电监测与保护装置，其特征在于，微处理器(6)接收电流和电压两种传感器的检测信号，判断哪个线出现了触电情况，实现对电流传感器的输出电压的积分，并控制电子开关的通断，为保证人体触电时，微处理器(6)能够及时发出指令，控制电子开关动作，微处理器(6)的程序执行周期小于1ms，满足检测装置响应时间要求且与信号采集元件速度匹配。
5.根据权利要求1所述的低压用户端防触电监测与保护装置，其特征在于，当微处理器(6)发出相应的控制信号时，对应的电子开关动作闭合，电子开关满足漏电流小于1微安和响应时间小于0.1毫秒的要求，其中电子开关耐受电压在220V以上，采用固态继电器或场效应管，电子开关串联电阻的电阻值R在250欧姆-20千欧之间，1秒时间内耐受功率大于220V2/R，精密度由测量准确度等级确定，不低于0.01％，且电阻均为低温漂电阻，温度漂移小于1ppm/℃。
6.根据权利要求1所述的低压用户端防触电监测与保护装置，其特征在于，该装置电子开关发生保护动作的触电电流整定值小于5毫安，或可由用户设定的值，动作时间小于10毫秒。
7.根据权利要求1所述的低压用户端防触电监测与保护装置，其特征在于，电流传感器根据实际情况可安装一个或多个，电流传感器检测限小于1毫安；如果安装N个电流传感器，且N>＝2，从隔离变压器(1)用户侧至用户侧线路最远端依次等分成一、二、……N+1共N+1段，在线路的每个分界点都安装一个电流传感器，其中第一段和第二段之间安装的电流互感器为第一电流互感器(4)，第二段和第三段之间的为第二电流互感器(5)，……，则第N段和N+1段之间安装第N电流传感器；如果只能安装一个电流互感器，则安装在中间点，从隔离变压器(1)用户侧至用户侧线路最远端依次等分成一、二二段；如果除了入户端，整个用户侧线路不可改动，则安装在并联电容C1、C2与用户侧线路之间,所接电容的电容值C1≈C2≈C0。
8.低压用户端防触电监测与保护方法，其特征在于，该方法基于权利要求7所述的低压用户端防触电监测与保护装置，若有N个电流传感器，将用户侧线路分为N+1段；设定第一电压传感器(2)测得结果为V1，第二电压传感器(3)测得结果为V2，第一电流传感器(4)检测到电流为I1，第二电流传感器(5)检测到电流为I2，……，第N电流传感器检测到电流为IN；设电流从隔离变压器二次侧流向用户终端的方向为正方向；反之，则电流方向为负；在触电发生时，其动作按如下方式进行：
(1)当无触电情况发生时，电流传感器输出电压均值为0，且两根供电导线对地电压大小相等，极性相反，两个电子开关无动作；
(2)当检测到V1为正，V2为负，若I1＝I2＝0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第一段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为正，V2为负，若Ih-1为正，且Ih为0，V1数值减小，V2数值增大，说明第h段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通，其中2<＝h<＝N；当检测到V1为正，V2为负，若IN-1>0，IN为0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第N+1段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为正，V2为负，若I1＝I2＝0，且V1数值增大，V2数值减小，说明第一段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测到V1为正，V2为负，若Ih-1<0，Ih＝0，且V1数值增大，V2数值减小，说明第h段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测到V1为正，V2为负，若IN-1<0，IN<0，且V1数值增大，V2数值减小，说明第N+1段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测到V1为负，V2为正，若I1＝I2＝0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第一段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为负，V2为正，若Ih-1<0，Ih＝0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第h段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为负，V2为正，若IN-1<0，IN<0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第N+1段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；
当检测到V1为负，V2为正，若I1＝I2＝0，且V1数值增大，V2数值减小，说明第一段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测到V1为负，V2为正，若Ih-1<0，Ih＝0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第h段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测到V1为负，V2为正，若IN-1<0，IN<0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第N+1段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；
(3)当检测到V1和V2的极性与上述方式(2)相同、但变化趋势刚好与上述方式(2)相反，电流变化趋势也刚好与上述方式(2)相反，说明人体正脱离单线触电，于是开断对应电子开关；
(4)当在短时间0.05～1秒内，同一个电流传感器检测到两次触电电流脉冲信号，且第二次电流值明显大于第一次检测到的触电电流，则判断此时发生双线触电，两个电子开关都动作闭合，产生短路电流，断路器断开，保护人身安全，只有通过人员确认不再有人触电，通过手动合闸，才能够恢复供电。
9.低压用户端防触电监测与保护方法，其特征在于，该方法基于权利要求7所述的低压用户端防触电监测与保护装置，若只有一个电流传感器，将用户侧线路分为两段，设定第一电压传感器(2)测得结果为V1，第二电压传感器(3)测得结果为V2，电流传感器(4)检测到电流为I1，在触电发生时，其动作按如下方式进行：
(1)当无触电情况发生时，电流传感器输出电压均值为0，且两根供电导线对地电压大小相等，极性相反，两个电子开关无动作；
(2)当检测V1为正，V2为负，若I1＝0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第一段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测V1为正，V2为负，若I1＝0，V1数值增大，V2数值减小，说明第一段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测V1为正，V2为负，若I1<0，V1数值增大，且V2数值减小，说明第二段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测V1为正，V2为负，若I1>0，V1数值减小，V2数值增大，说明第二段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；
当检测到V1为负，V2为正，若I1＝0，V1数值减小，V2数值增大，说明第一段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为负，V2为正，若I1为正，V1数值增大，V2数值减小，说明第一段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测到V1为负，V2为正，若I1<0，且V2数值增大，V1数值减小，说明第二段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为负，V2为正，若I1>0，V1数值增大，V2数值减小，说明第二段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；
(3)当检测到V1和V2的极性与上述方式(2)相同、但变化趋势刚好与上述方式(2)相反，I1变化趋势也刚好与上述方式(2)相反，说明人体正脱离单线触电，于是开断对应电子开关；
(4)当在短时间0.05～1秒内，同一电流传感器检测到两次触电电流脉冲信号，且第二次电流值明显大于第一次检测到的触电电流，则判断此时发生双线触电，两个电子开关都动作闭合，产生短路电流，断路器断开，保护人身安全，只有通过人员确认不再有人触电，通过手动合闸，才能够恢复供电。
10.低压用户端防触电监测与保护方法，其特征在于，该方法基于权利要求7所述的低压用户端防触电监测与保护装置，若只有一个电流传感器，接在电容C1、C2和用户侧导线之间，设定第一电压传感器(2)测得结果为V1，第二电压传感器(3)测得结果为V2，电流传感器(4)检测到电流为I1，设电流从隔离变压器二次侧流向用户端的方向为正方向；反之，则电流方向为负；在触电发生时，其动作按如下方式进行：
(1)当无触电情况发生时，电流传感器输出电压均值为0，且两根供电导线对地电压大小相等，极性相反，两个电子开关无动作；
(2)当检测V1为正，V2为负，若I1＝0，且V1数值减小，V2数值增大，说明第一段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测V1为正，V2为负，若I1＝0，V1数值增大，V2数值减小，说明第一段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测V1为正，V2为负，若I1<0，V1数值增大，且V2数值减小，说明第二段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测V1为正，V2为负，若I1>0，V1数值减小，V2数值增大，说明第二段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；
当检测到V1为负，V2为正，若I1＝0，V1数值减小，V2数值增大，说明第一段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为负，V2为正，若I1为正，V1数值增大，V2数值减小，说明第一段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；当检测到V1为负，V2为正，若I1<0，且V2数值增大，V1数值减小，说明第二段线路的导线A发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S1接通；当检测到V1为负，V2为正，若I1>0，V1数值增大，V2数值减小，说明第二段线路的导线B发生单线触电，微处理器发出指令，电子开关S2接通；
(3)当检测到V1和V2的极性与上述方式(2)相同、但变化趋势刚好与上述方式(2)相反，I1变化趋势也刚好与上述方式(2)相反，说明人体正脱离单线触电，于是开断对应电子开关；
(4)当在短时间0.05～1秒内，同一电流传感器检测到两次触电电流脉冲信号，且第二次电流值明显大于第一次检测到的触电电流，则判断此时发生双线触电，两个电子开关都动作闭合，产生短路电流，断路器断开，保护人身安全，只有通过人员确认不再有人触电，通过手动合闸，才能够恢复供电。
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