CN111224375A - 计量和安全供电保护器 - Google Patents

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CN111224375A CN202010044564.0A CN202010044564A CN111224375A CN 111224375 A CN111224375 A CN 111224375A CN 202010044564 A CN202010044564 A CN 202010044564A CN 111224375 A CN111224375 A CN 111224375A
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Abstract

本发明提供一种计量和安全供电保护器，外观不限于漏电保护器形态，也能做成多用插座(接线板)形态。通过剩余电流检测铁芯(或磁环)线圈及相线和零线电流实时监测，不仅能识别低压供电线路漏电危险，而且能识别相线之间或相线和中性线(零线)间的人体触电、火花放电、电弧放电等危险；当识别到相关危险，立即起保护，切断供电电源，避免危害持续发生，并且发出告警信号；另外提供浪涌保护、过载保护、短路保护、电能计量与显示、功率显示、功率因子显示等一些附加功能。

Description

计量和安全供电保护器
所属技术领域
本发明涉及一种低压电器，具有供电线路过载、短路、漏电检测切断电源的安全供电保护装置；尤其是带计量功能，能识别相线之间或相线与中性线(零线)(零线)的人体触电或空气击穿产生电火花和电弧而起保护，切断危险电源的计量和安全供电保护器。
背景技术
目前，公知的漏电保护器是剩余电流断路器的俗称，也称为漏电保护开关。它起到对供电线路对地漏电或绝缘监测保护，避免人体触及相线与用电设备接地的金属外壳或直接大地形成回路而发生的触电事故，或避免相线与大地形成回路出现漏电有效装置；同时具备短路和过载保护功能，被广泛应用于可能发生触电或漏电的低压电气设备电网中。漏电保护器主要由零序互感器、比较运算放大器、脱扣器组成。零序互感器是一种电流互感器，它的一次绕组实际上就是供电线路一些输入导线，可以是单相二线制、三相三线制、三相四线制所有的相线和中性线(零线)，但不包括保护接地线(PE线)，它们直接穿过铁心线圈(或磁环线圈)中心孔或绕在铁心上若干圈以后引出到负载端。线路正常(即没有漏电故障)时，这些导线中流动的电流相量总和始终为零，因此电流互感器的铁心(或磁环线圈)中不会产生磁通，二次绕组也就不会产生感应电流。而当负载电路有漏电故障时(某一相或几相线对地有回路)，有一部分电流因“流失”而不能全部回到电源端，电流互感器一次绕组导线中流动的电流相量总和将不为零，此时所具有的电流差值被称作“剩余电流”，实际上就是线路的“漏电电流”。此时，电流互感器的铁心中将有磁通产生，二次绕组也就会产生感应电流。二次绕组将这一感应电流传送给一个电流比较运算放大电路，放大后的“剩余电流”再提供给脱扣器的跳闸线圈，产生电磁力，当电流足够大并使电磁力足够大时，执行机构就会使脱扣器动作跳闸，切断故障线路的电源输入，避免事故的延续。因不同应用场合对漏电感应灵敏度有不同要求，主要通过比较运算放大电路作调整设置，一般是产品出厂前做的固定设置，从而定义了不同灵敏度型号。无论什么型号漏电保护器，灵敏度范围一般都在5mA至50mA之内，且忽略偏差情况每款灵敏度是基本固定的。目前，公知的漏电保护器只是依据地线之外的供电线组的相线或与中性线(零线)相量和偏差是否超出设定的灵敏度阀值，即判定漏电电流是否超出感应灵敏度从而确定是否动作；可以防范人体在相线及有断路故障的中性线(零线)与大地构成回路的触电危险；或线路本身与大地之间的漏电起火危险。而不能识别与防范像其它正常负载一样在相线之间或者相线和中性线(零线)之间的更危险的人体触电；及不能识别与防范供电线路间(地线除外)空气击穿的火花和电弧放电引起的起火危险；并没有功率、功率因子、电能等计量功能。
发明内容
为了克服现有的漏电保护器不能识别相线之间或者相线和中性线(零线)之间的人体触电，及火花和电弧放电等不足，本发明提供一种计量和安全供电保护器，外观不限于漏电保护器形态，也能做成多用插座(接线板)形态。不仅能识别低压供电线路漏电危险，而且能识别相线之间或相线和中性线(零线)间的人体触电、火花放电、电弧放电等危险；当识别到相关危险，立即起保护，切断供电电源，避免危害持续发生，并且发出告警信号；另外提供浪涌保护、过载保护、短路保护、电能计量与显示、功率显示、功率因子显示等一些附加功能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方这案是：在公知的漏电保护器技术方案基础上，设计计量和安全供电保护器，剩余电流检测铁芯(或磁环)线圈，套入所有供电接入的相线和中性线，识别漏电，同时在相线和中性线(零线)分别套进磁环线圈，监测相线或中性线(零线)上的实时电流；计量和安全供电保护器，通过监测相线和中性线(零线)实时电流和电压，识别相线和中性线(零线)或相线间的人体触电，及火花和电弧放电等电流或阻抗特征，驱动切断电源通断机构；计量和安全供电保护器，通过监测相线和中性线(零线)实时电流和电压，识别出过载和短路情况，联动切断电源通断机构；计量和安全供电保护器，相线和中性线(零线)电压及电流幅度和相位实时检测，运算与显示电能量、功率、功率因子等参数指标。所述的计量和安全供电保护器串接在民用供电入户处或工业电气供电接入处。具体做法是延用公知漏电保护器技术方案基础基于电流互感器原理，接地线除外的单相线组、三相三线制线组、三相四线制线组等这些线组一起穿入铁芯(或磁环)，作为类似变压器初级，为增加磁通量当然也可以多绕几圈，同时在此铁芯(或磁环)绕上副线圈作为次级，次级输出串联固定电阻或电容，当漏电时次级感应出电流，串联的电阻或电容上有电压信号，对此电压信号进行比较放大，达到漏电感应阀值时驱动脱扣。同时，在每条输入相线或中性线(零线)上也套入磁环，单相二线制只要任选一条零线或相线即可，三相三线制可任选2条相线分别套入磁环，三相四线制可以任意选择3条供电线分别套入磁环，这些线套入穿心磁环作为类似变压器初级，为提高敏感度，初级线也可以多绕几圈，再在这些磁环引出多圈绕组作为次级，次级一端作为公共信号地，串联上采样电阻或电容；采用磁平衡的闭环霍尔电流传感器原理，采用开口磁环，在磁环开口处嵌入霍尔元件，因为磁通，霍尔元件感应输出电压信号，对该信号差动放大，关联驱动输出次级线圈电流，使得开口磁环的初级与次级产生的磁通相互抵消，达到磁平衡；采样电阻上的电压信号经过阻容滤波，用模数转换芯片定时或连续采样，由智能芯片读取相应信号，运算出相应每条相线或零线上的电流。实时电流检测不限于闭环式霍尔电流传感器原理电路，也能是开环式霍尔电流传感器、分流器、电流互感器、磁通门电流传感器、罗氏线圈、巨磁阻电流传感器、光纤电流传感器等其它电流检测原理电路，但基于精度、性价比、易校准方面要求考虑，闭环式霍尔电流传感器方式还是较适宜的选择。综合考虑量程与精度，需要选用16位以上的模数转换(ADC)芯片，可供选择专用高位数ADC芯片主要有：CS5513、LTC2378-20、LTC2400、CS1180S等，不限于其它高位ADC功能芯片；选用专用ADC芯片就需另配智能芯片。为简化电路设计可以选用内置高位ADC的MCU，例SDI5219AS/TS、PIC24FJ128GC010等系列MCU芯片。16位ADC也只适用额定电流20A之内的产品型号。为了综合量程和精度要求，也可以考虑供电总线输入，分支检测输出，几个小量程合并为大量程的技术方案，也可以是多个智能芯片协同运算，通信交互信息，多个智能芯片可以做功能分工，并分主次。相线间或相零间的人体触电电流识别较复杂，要考虑人体触电电流特征和低压供电电网环境电流特性。因电气负载主要分为阻性、感性、容性三种，它们串并在电网上也还是这3种类型，电流相位与电压相位前后相差在90°范围之内，如果是50Hz工频，时差即在前后5ms之内，因对整体用电功率因子要求，整体负载接近阻性；一般电流波形与电压波形相位接近，电流波形不规则，不一定是正弦波，但在过零时段电流波形基本稳定，且正常电流波形过零前后的45°总计90°左右接近正弦波，因供电电压过零前后，部分负载不耗电，体现整体负载在这些时段耗电电流波形较稳定。而人体触电则是呈阻性特征，电流波形基本与电压波形同相位，在瞬时电压低时呈现较大阻抗，在瞬时电压高时呈现较小阻抗，对应电流波形，在电压波幅变高时急剧加大，电流波形尖峰部分斜率变大；虽然人体阻抗有个体差异及季节变化，但大范围是确定的。结合上述低压供电电网环境电流特性与人体触电特征，基本识别算法是：在每个电流波形周期设定固定几个相位点采样电流值，固定相位点主要布置在电流过零前后45°左右接近正弦波段和非正弦波的较高电压段；每个相位电流值也可是相邻相位小段的平均值，这样数字方法滤除了干扰；用当前周期固定相位点电流值比较前几个周期对应相位电流值或前几周期对应相位电流平均值差异，确定是否存在人体触电电流；如果是负载电流变化瞬间，则主要通过电流过零前后正弦波段做判断，看电流偏离正弦波差值是否有人休触电特征。也有极少电器对应电压过零前后负载电流有较大变化，但在电流过零前后45°之外存在正弦波段；同理，也可以结合电流正弦波段特性差异做是否有人体触电特征判断。当检测和判定有人体触电电流，则立即驱动脱扣，切断负载电源。对于极少不能鉴别的正常负载电流波形，可以人为确定后，设置忽略，并做记忆，在以后对相关叠加的波形再做是否夹杂人体触电电流鉴别，或自动忽略，毕竟负载电流变化瞬间恰巧人体触电机率微乎其微。设置忽略主要是通过计量和安全供电保护器上相应功能按键或通信来设置，还可采取固定时段人为忽略措施。针对人体触电或电弧放电的保护和报警的忽略设置，可以是起保护动作后设置，也可以是保护动作前设置某个时段忽略报警号输入。这些功能设置的人机交互方式，可以在本发明装置面板上做按键，也可通过电力载波，ZIGbee、蓝牙、WIFI等通信方式来设置；电力载波，或ZIGbee等无线通信方式就需要另外布置设置的小终端，如果用蓝牙、WIFI等通信方式，则可用手机自带资源，手机上设计用作设置读写本装置的APP软件。这个APP软件也能把验证产品的合法性、防伪设计进去，用加密通信的方式读取出厂编号、生产日期、制造商、合法性等信息。为了减少电网扰动可以在电网接进处滤波，这样电压波形稳定，电流检测也更精确。火花放电电流呈脉冲形式，伏安特性为负值，本该供电电压峰值相位，出现脉冲大电流，电压峰值波形蹋陷。可以通过监测交流电压本该峰值附近相位的实际电压与电流，较易识别。电弧放电，因放电电流有持续性，伏安特性为正值，有点接近正常负载用电情况。其主要特征是有起弧电压与灭弧电压，即在通常空气中要高于某个电压才可能起电弧，出现电弧后，当电弧电压低于某一电压值又自然熄灭。这样，可以连续跟踪监测起弧和灭弧电压相位前后的电流变化来确定是否存在供电线路电弧。当监测到火花放电或电弧放电，立即切断电源。切断电源的装置不限于电磁或机械类脱扣机构，也可以是晶闸管、IGBT等其它电力电子开关元器件。浪涌保护，主要在电网接入处并接气体放电管、压敏电阻、TVS管等。过载保护、短路保护也是通过监测电流，当电流超出限值，立即切断电源。电能计量主要是连续累计单位时间、电流、电压乘积。通过监测实时是电压、电流、相位，也可以运算出功率、功率因子等参数。显示功能主要采用LCD、LED、VFD等器件，可以用笔段式或点阵式显示方式。设计发光二极管、蜂鸣器或语音电路，可以发出声光告警信号。外观形式可以设计成公知的漏电保护类似形状，卡扣式固定在配电箱空口条上；同时预留螺丝孔，用于其它固定方式。相应保护功能也可以设计进多用插座(接线板)中，因空限制，电源切断器件主要考虑晶闸管作为电源通断开关器件。上述智能芯片包括微处理器、可编程逻辑芯片、DSP、或其它能实现相应功能的专用芯片。如果在所有供电相线和中性线(零线)上分别套入磁环(或铁芯)，分别进行电流实时监测，这样就可省去剩余电流检测铁芯(或磁环)线圈，也能达到漏电检测要求，只不过运算量会较大。上述方案同样适用于直流供电系统漏电检测、人体触电、火花放电识别；但对于电弧放电，只有针对具体供电电压和应用环境，另做识别算法了。
本发明的有益效果是，可以在检测低压电气供电线路是否存在漏电同时，还能检测相线之间或相线和中性线(零线)间的人体触电，及电弧放电和火花放电；当检测到上述意外发生，当即产生保护，切断供电，及发出音视频告警信号，避免事故发生或持续；另外，还有电能、功率、功率因子等用电参数计量与显示功能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例的电子硬件框图。
图2是本发明实施例的软件流程图。
图3是本发明实施例的电流采样示意图。
图4是本发明实施例的采样信号处理电路原理图。
图5是本发明实施例电磁脱扣器部分结构示意图。
具体实施方式
图1是本发明实施例的电子硬件框图。图1中以MCU(微处理器)作为智能芯片，做流程控制、采样运算、通信、驱动等功能。电路设计了浪涌保护模块，在相线或中性线与接地线间跨接气体放电管、TVS管。电路还设计了电网滤波模块，主要考虑在电源供电相线与零线间并联高压交流电容，或在输入相线串联滤波电感。电压采样模块，是在相线和中性线(零线)跨接分压采样电阻，采样交流电压信号，信号变换处理后送MCU内置ADC模块，通过MCU运算出电压波形的实时相位和幅值。电流采样模块，是通过磁平衡的闭环式霍尔电流传感器电流采样，输出差动电压信号放大后送采样信号处理电路驱动输出次级线圈电流做磁平衡补偿，对补偿电流采样，按不同电流值范围分段处理，变换信号，送入MCU内置ADC功能模块，根据电路运算得出供电实时电流信号。漏电检测，是采用公知漏电保护器技术方案，把所有相线和中性线(零线)穿入铁芯或磁环，作比较放大驱动脱扣机构。也可以同时用MCU对漏电电流采样读取，作绝缘失效预警。语音提示则通过语音芯片或蜂鸣器相关电路完成，语音芯片则预先录入相关提示语，事件触发后，由MCU的I2C或SPI等有线通信方式驱动播报。按键设置主要在本发明产品面板上设置功能按键，MCU以中断形式触发响应。通信模块主要是蓝牙和WiFi等无线通信电路模块，可以与手机交互通信，用手机APP读取或写入设置计量和安全供电保护器；手机APP也可以关联相关网站作认证操作。告警指示主要是一些状态告警指示的发光二极管。LCD显示主要用于计量显示和设置菜单显示。电路还可设计二次电池或法拉电容，作掉电信息贮存或为时钟芯片不间断供电。
图2是本发明实施例的软件流程图。实施例采用MCU，上电复位后，开始软件流程，先作程序初始化工作，需要设置看门狗定时器、普通定时器、中断、ADC、UART、I2C、SPI、掉电保护等等特殊寄存器。初始化完成后即进入程序主循环，连续或定时对电压电流采样，采样后，对电流电压乘积，以时间为轴累计，得到当时电能度量。同时，对采样数据计算分析，判定是否有人体触电、火花放电、电弧放电、过载、短路等状况，若有这些状况则当即驱动切断电源和告警处理。正常或告警处理后再回到起始主循环。按键设置和通信则另外设计中断处理程序。
图3是本发明实施例的电流采样示意图。图3中(1)是三相四线制的剩余电流检测铁芯(或磁环)线圈，套入所有供电接入的相线和中性线，这些主干线段在计量和安全供电保护器或接线板内，可以是铜排或其它导电线，连接供电输入线和负载输出线，两端接头连接点可以用螺丝卡扣紧固。剩余电流检测铁芯(或磁环)线圈(1)主要作漏电检测，比较放大，可直接驱动脱扣机构，也可被MCU作电流采样，或预警。图(2)是相线A开口磁环线圈，开口处嵌入霍尔传感器，可输出模拟电压信号；霍尔传感器同时需要供电；磁环线圈次级多圈环绕，引出端点两个线头。图(3)、图(4)类同图(2)是相线B和相线C的开口磁环线圈。图(5)是图(4)相线C开口磁环线圈引出线，包括次级线圈端线、霍尔传感器供电线和信号输出线。
图4是本发明实施例的采样信号处理电路原理图。图4适用于交流电流测试的磁平衡的闭环式霍尔电流传感器原理电路，图4中R2和L1为等效电流采样次级线圈。图4中U2为双组4选1模拟电子开关，MCU通用IO口输出MCU_H和MCU_L两路信号控制双组4选1模拟电子开关选路。U2元件一组用于霍尔传感器输出放大处理后信号sensor_A的选路，选路输出4路，但两两相并，实际输出为两路，分别是sensor_h和sensor_l信号。U2元件另一组用于电流采样信号adc_in选路，共有4路，分别是x0、x1、x2、x3。x1、x0关联sensor_l信号驱动，x1是次级补偿电流经采样电阻的电压信号，x0是经LM158差动放大10倍的电压信号。x3、x2关联sensor_h信号驱动，x3是次级补偿电流经采样电阻的电压信号，x2是经LM158另一功能模块差动放大10倍的电压信号。adc_in差分信号输出至ADC功能模块(可以是MCU内置)，如果ADC功能模块不支持差分输入，则需要用电路转换成单端共地电压信号。MCU可以首先输出2路高电平选择sensor_h信号驱动有效，采样x3信号，MCU读取采样信号；若量程范围合适，则不切换选路控制信号；若偏小则选路sensor_h和x2信号；若较小则选路sensor_l和x1信号；若很小则选路sensor_l和x0信号。多量程控制切换主要为了保证电流检测精度。图4中sensor_h、sensor_l信号均可为正负电压信号，正电压信号驱动NPN管有效，负电压信号驱动PNP管有效。信号采样处理电路也可以不用差动放大电路，而用多路不同阻值规格采样电阻，以适应不同电流范围值采样，同样能做到较高精度，只是要求采样电阻精度较高，或用可调电阻补偿调整稍麻烦，还可以通过MCU程序作自动校准调整。
图5是本发明实施例电磁脱扣器部分结构示意图。图5是插片式灭弧脱扣机构，包括：(1)是上触点，(2)是下触点，(3)是卡扣，(4)是复位按钮，(5)是脱扣插板，(6)是磁钢，(7)是脱扣插板支撑弹簧，(8)是固定的电磁线圈，(9)是上触点活动构件，(10)是上触点活动构件支撑弹簧，(11)是壳体构件。
图5中，计量和安全供电保护器正常运行时，由于上触点活动构件支撑弹簧(10)的作用推动上触点活动构件(9)往下压，及脱扣插板支撑弹簧(7)推动磁钢(6)联动一体的脱扣插板(5)在最右侧，作为供电线路通断的上触点(1)和下触点(2)是啮合的。为了使电路结构方便，触点引线在同一侧，下触点(2)设计为并排两个，上触点(1)加长可以同时啮合并排的两个下触点，这样啮合时，两个下触点通过上触点电路接通。当起保护时，固定的电磁线圈(8)通电流产生足够磁场吸合磁钢(6)克服脱扣插板支撑弹簧(7)阻力往左侧挤，冲开上触点(1)和下触点(2)，达到较左侧时，卡扣(3)弹出，锁住脱扣插板(5)，使它没有电磁力情况也不能往右侧移动。脱扣插板(5)隔离触点的头部表面应绝缘耐高温，且两个下触点间也有隔离栅，用于有效熄灭电弧。壳体构件(11)主要起安装支撑作用。当故障排除后，可按复位按钮(4)撬动卡扣(3)转动解锁脱扣插板(5)，在脱扣插板支撑弹簧(7)作用下又移往最右侧。卡扣(3)可以用卡簧或弹簧做活动支撑。

Claims (10)

1.计量和安全供电保护器，其特征是剩余电流检测铁芯(或磁环)线圈，套入所有供电接入的相线和中性线，识别漏电，同时在相线和中性线(零线)分别套进磁环线圈，监测相线或中性线(零线)上的实时电流。
2.计量和安全供电保护器，其特征是通过监测相线和中性线(零线)实时电流和电压，识别相线和中性线(零线)或相线间的人体触电，及火花和电弧放电等电流或阻抗特征，驱动切断电源通断机构。
3.计量和安全供电保护器，其特征是通过监测相线和中性线(零线)实时电流和电压，识别出过载和短路情况，联动切断电源通断机构。
4.计量和安全供电保护器，其特征是相线和中性线(零线)电压及电流幅度和相位实时检测，运算与显示电能量、功率、功率因子等参数指标。
5.计量和安全供电保护器，其特征是用当前周期固定相位点电流值比较前几个周期对应相位的电流值或前几周期对应相位电流平均值差异，确定是否存在人体触电电流；如果是负载电流变化瞬间，则主要通过电流过零前后正弦波段做判断，看电流偏离正弦波差值是否有人休触电特征。
6.计量和安全供电保护器，其特征是对极少不能鉴别的正常负载电流波形，可以人为确定后，设置忽略，并做记忆，在以后对相关叠加的波形再做是否夹杂人体触电电流鉴别，或自动忽略。
7.计量和安全供电保护器，其特征是连续跟踪监测起弧和灭弧电压相位前后的电流变化来确定是否存在供电线路电弧。当监测到火花放电或电弧放电，立即切断电源。
8.根据权利要求6提及的设置忽略，主要是通过计量和安全供电保护器上相应功能按键或通信来设置。
9.计量和安全供电保护器，外观不限于漏电保护器形态，也能做成多用插座(接线板)形态。
10.计量和安全供电保护器的插片式灭弧脱扣机构，其特征是包括：上触点、下触点、卡扣、复位按钮、脱扣插板、磁钢、脱扣插板支撑弹簧、固定的电磁线圈、上触点活动构件、上触点活动构件支撑弹簧、壳体构件。
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