CN111614059B - 接地故障保护系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种接地故障保护系统，包括：感应模块、漏电保护模块、自检测模块和脱扣模块。所述感应模块，适于根据检测信号产生感应电流；所述漏电保护模块，适于根据所述感应电流，在检测阶段产生断开驱动信号；所述漏电保护模块，还适于在所述自检测模块发生故障后，在非检测阶段产生断开驱动信号；所述自检测模块，适于在检测阶段产生所述检测信号，并在所述漏电保护模块产生所述断开驱动信号时，判断所述漏电保护模块未发生故障；所述脱扣模块，适于响应所述非检测阶段产生的断开驱动信号以断供电电路与负载的连接，而不响应所述检测阶段产生的断开驱动信号。

Description

接地故障保护系统
技术领域
本发明涉及电子领域，尤其涉及一种接地故障保护系统。
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断路器。剩余电流断路器检测剩余电流，当剩余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。
但是更加可靠的保护方法是采用接地故障保护模块(GFCI)，这类断路器不仅能检测相线对地的漏电故障，同时还能检测中线接地的故障。
为了验证接地故障保护模块的工作状态，现有技术通常在接地故障保护模块上都安装有测试按钮，通过定期按动测试按钮来检测接地故障保护模块是否能正常工作。
但是这些技术方案都只能检测漏电保护电路的工作是否正常，自检测电路本身的工作状态无法被检测。当自检测电路本身发生故障时，上述技术方案无法做出响应。这种情况下断路器失去对漏电保护电路功能的监测，使得漏电保护电路发生故障时无法及时被发现，因此存在安全隐患。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何实现自动对接地故障保护模块的自动检测。
本发明提供一种接地故障保护系统，包括：感应模块、漏电保护模块、自检测模块和脱扣模块。所述感应模块，适于根据检测信号产生感应电流；所述漏电保护模块，适于根据所述感应电流，在检测阶段产生断开驱动信号；
所述漏电保护模块，还适于在所述自检测模块发生故障后，在非检测阶段产生断开驱动信号；所述自检测模块，适于在检测阶段产生所述检测信号，并在所述漏电保护模块产生所述断开驱动信号时，判断所述漏电保护模块未发生故障；所述脱扣模块，适于响应所述非检测阶段产生的断开驱动信号以断供电电路与负载的连接，而不响应所述检测阶段产生的断开驱动信号。
本发明的接地故障保护系统既可以实现对漏电保护模块的故障检测，也可以实现自检测模块的故障检测，使得接地故障保护系统检测功能更加完备，安全性显著提升。
附图说明
图1是本发明一实施例的接地故障保护系统结构示意图；
图2是本发明第一监控电路的结构示意图；
图3是本发明实施例的接地故障保护系统的正常工作的波形示意图；
图4是本发明实施例的接地故障保护系统的自检测控制电路电源开路时波形图；
图5是本发明另一实施例的漏电保护模块和自检测模块结构示意图；
图6是本发明另一实施例的接地故障保护系统的正常工作的波形示意图；
图7是本发明另一实施例的接地故障保护系统的自检测控制电路电源开路时波形图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
如图1所示，本发明实施例提供一种接地故障保护系统，包括：感应模块1、漏电保护模块2、自检测模块3和脱扣模块4。
感应模块1适于根据检测信号DS产生感应电流。
漏电保护模块2适于根据所述感应电流，在检测阶段产生断开驱动信号TRGO，或者，在所述自检测模块3发生故障后，在非检测阶段产生断开驱动信号TRGO。
自检测模块3适于在检测阶段产生检测信号DS，并在漏电保护模块2产生断开驱动信号TRGO时，判断所述漏电保护模块2未发生故障。
脱扣模块4适于响应非检测阶段产生的断开驱动信号TRGO以断供电电路与负载的连接，而不响应检测阶段产生的断开驱动信号TRGO。
下面对接地故障保护系统的各个组成部分做详细说明。
感应模块1可以包括零序电流互感器。供电电路提供交流信号，供电电路可以包括相线和中线，相线和中线贯穿所述零序电流互感器。本实施例所述的检测阶段可以对应所述交流信号的负半周期，非检测阶段对应所述交流信号的正半周期。
自检测模块3在检测阶段定时产生检测信号DS，检测信号DS可以是模拟漏电流。具体来说，自检测模块3可以通过模拟漏电流回路产生模拟漏电流，并检测漏电保护模块2对该模拟漏电流的响应，即检测信号DS用于检测漏电保护模块2是否发生故障。
感应模块1感应检测信号DS，输出感应电流至漏电保护模块2。当感应电流达到设定的漏电流动作阈值时，漏电保护模块2产生断开驱动信号TRGO。若自检测模块3获知漏电保护模块2产生断开驱动信号TRGO时，判断漏电保护模块2未发生故障。若漏电保护模块2发生故障，如漏电保护控制电路的电源开路，则自检测模块3获知漏电保护模块2无法产生断开驱动信号TRGO，由此可以判断漏电保护模块2发生故障。关于获知漏电保护模块2产生断开驱动信号TRGO的实现方式，将在下述部分做详细说明，此处不再赘述。
本实施例的接地故障保护系统不但可以获知漏电保护模块2是否发生故障，还能够监测自检测模块3是否发生故障。具体的，漏电保护模块2可以在自检测模块3未产生检测信号DS时，判断所述自检测模块3发生故障。若自检测模块3未产生检测信号DS，则漏电保护模块2无法在检测阶段产生断开驱动信号TRGO。因此，自检测模块3是否发生故障的判断，也可以依据是否在检测阶段产生断开驱动信号TRGO。
由上述工作过程可以看出，当自检测模块3获知漏电保护模块2在检测阶段产生断开驱动信号TRGO时，判断漏电保护模块2未发生故障。在检测阶段脱扣模块4不响应断开控制信号，所以，即便漏电保护模块2根据检测信号DS输出了断开控制信号，脱扣模块4也不会执行断开相线、中线与负载连接的操作。而在漏电保护模块2确定自检测模块3发生故障后，或者供电电路产生真的漏电流，则会在非检测阶段产生断开驱动信号TRGO，脱扣模块4可以响应非检测阶段产生的断开驱动信号TRGO，从而执行断开相线、中线与负载连接的操作。
这样既可以避免在检测阶段发生误脱扣的问题，又可以保障故障真的发生和自检测模块3发生故障时，执行断开相线、中线与负载连接的操作。作为故障的处理方式，报警系统可以发出故障指示。
继续参考图1，漏电保护模块2可以包括：第一漏电保护主电路21、第一监控电路22、第一增益电路23和第一可控硅Q1。
第一漏电保护主电路21可以根据感应电流，在检测阶段输出断开控制信号TRIG。第一监控电路22可以在未检测到断开控制信号TRIG时，在非检测阶段输出断开控制信号。第一增益电路23可以增大断开控制信号TRIG的驱动能力，以产生所述断开驱动信号TRGO。第一可控硅Q1的控制极适于接收所述断开驱动信号TRGO。
第一漏电保护主电路21、第一监控电路22、第一增益电路23可以共用同一个电源。第一漏电保护主电路21、第一监控电路22、第一增益电路23可以集成为一颗集成电路芯片。
自检测模块3包括：自检测控制电路31和模拟漏电流电路32。
自检测控制电路31可以在检测阶段产生模拟检测信号，通过输出端FOUT输出，并在检测到所述第一可控硅Q1被导通时，判断所述漏电保护模块2未发生故障。模拟漏电流电路32可以基于模拟检测信号产生所述检测信号DS。所述漏电保护控制电路21和自检测控制电路31可以集成为一颗集成电路芯片。第一可控硅Q1的控制极接收断开驱动信号TRGO，第一可控硅Q1的阴极接地，第一可控硅Q1的阳极连接脱扣模块4和第一漏电保护主电路21。
模拟漏电流电路32可以包括：第一三极管Q0和第一电阻R0。
所述第一三极管Q0的基极适于输入所述模拟检测信号，所述第一三极管Q0的集电极连接所述第一电阻的第一端，所述第一三极管Q0的发射极接地。所述第一电阻R0的第二端适于输出所述检测信号DS。
请参考图2，所述第一监控电路22包括：看门狗电路WDT和第一逻辑或门222，所述第一增益电路23包括：缓冲器231。
所述看门狗电路WDT的复位输入端RESET连接所述第一漏电保护主电路21的输出端，所述看门狗电路WDT的输出端连接第一逻辑或门222的第一输入端。所述第一逻辑或门222的第二输入端连接所述第一漏电保护主电路21的输出端，所述第一逻辑或门222的输出端连接缓冲器231的输入端。所述缓冲器231的输出端适于输出所述断开驱动信号TRGO。
如图3和4所示，看门狗电路WDT内部设有时钟计数器和复位输入端RESET，时钟计数器用于计时，复位输入端RESET用于接收复位信号来复位时钟计数器。如果在设定的时间段内没收到有效的复位信号，则在时钟计数器计满设定的时间后，看门狗电路WDT输出计数溢出的脉冲信号。如果在计数器计时期间收到有效的复位信号，看门狗电路WDT将时钟计数器清零，重新开始计时。
看门狗电路WDT的复位输入端RESET连接到第一漏电保护主电路21的输出端。在看门狗电路WDT的时钟计数器计数期间，第一漏电保护主电路21在输出断开控制信号TRIG，看门狗电路WDT被复位，其内部时钟计数器重新开始计时，看门狗电路WDT不会由于计时溢出而输出脉冲信号。第一漏电保护主电路21输出的断开控制信号TRIG和看门狗电路WDT的输出信号连接到第一逻辑或门222的输入端。第一逻辑或门222的输出经过缓冲器231增强驱动后输出。
在正常情况下，自检测模块3定期进行发出检测信号DS，第一漏电保护主电路21相应地定期输出有效的断开控制信号TRIG，该信号定期将看门狗电路WDT复位，使得看门狗电路WDT的时钟计数器不会计时溢出，看门狗电路WDT电路不会输出脉冲信号。同时，断开控制信号TRIG经过第一逻辑或门222和缓冲器231后输出至第一可控硅Q1的控制极，使得第一可控硅Q1导通，导通的第一可控硅Q1阳极变为低电平。检测阶段获取到第一可控硅Q1的阳极电压为低电平时，可以判断漏电保护模块2在检测阶段产生了断开驱动信号TRGO，即漏电保护模块2未发生故障。
若自检测控制电路31的电源引脚开路，使得自检测控制电路31不再产生模拟检测信号，看门狗电路WDT将不再被定期复位，则看门狗电路WDT的时钟计数器计时溢出，在交流信号的正半周期输出计时溢出的脉冲信号，该脉冲信号经过第一逻辑或门222和缓冲器231后输出至第一可控硅Q1的控制极，使得第一可控硅Q1导通，导通的第一可控硅Q1阳极变为低电平。
非检测阶段获取到第一可控硅Q1的阳极电压为低电平时，可以确定漏电保护模块2在非检测阶段产生了断开驱动信号TRGO，即自检测模块3发生了故障，或者供电回路中发生了真实的剩余电流故障，所述供电回路包括相线和中线以及连接在相线和中线之间的负载。此时，第一可控硅Q1在交流信号的正半周期内导通时，脱扣模块4内产生电流，触发机械结构动作，断开负载与供电电路的连接。
举例来说，看门狗电路WDT从0开始计数，约6分钟后，当看门狗电路WDT计数器计数到7200，输出端FOUT输出高电平脉冲，模拟漏电流电路32产生检测信号DS。第一漏电保护控制电路21检测到检测信号DS以后输出高电平脉冲的断开控制信号TRIG，该高电平脉冲使得看门狗电路WDT的计数值复位为0，在断开控制信号TRIG变为低电平以后看门狗电路WDT计数器重新从0开始计数。
在自检测控制电路31的电源引脚开路后，看门狗电路WDT从0开始计数。由于自检测控制电路31的电源开路，不再能够产生FOUT高电平脉冲信号。模拟漏电流电路32无法产生检测信号DS检测漏电保护模块2的漏电保护功能是否正常。直到约6.8分钟后，看门狗电路WDT计数器计数到8191时溢出。看门狗电路WDT计数器溢出时输出高电平脉冲信号，该高电平脉冲信号经过第一逻辑或门222和缓冲器231后输出，触发脱扣模块4断开负载与供电电路的连接。
如图5所示，作为另一种漏电保护模块2产生断开驱动信号TRGO的实现方式，自检测模块可以还包括：状态指示电路33。漏电保护模块可以包括：第二漏电保护主电路51、第二监控电路52、第二增益电路53、第二可控硅Q2。
状态指示电路33可以输出表示自检测模块工作状态的指示信号，所述指示信号包括：表示所述自检测模块无故障的指示信号。
第二漏电保护主电路51可以根据感应电流，在检测阶段输出断开控制信号TRIG。第二监控电路52适于在接收到表示所述自检测模块发生故障的指示信号，或在预定时间内未接收到指示信号时，产生断开控制信号。所述指示信号可以是电平信号，也可以是具有一定编码形式的脉冲序列。第二增益电路53可以增大所述断开控制信号TRIG的驱动能力，以产生所述断开驱动信号TRGO。第二可控硅Q2的控制极适于接收所述断开驱动信号TRGO。
第二漏电保护主电路51和第二监控电路52可以共用同一个电源。第二漏电保护主电路51、第二监控电路52、第二增益电路53可以集成为一颗集成电路芯片。第二漏电保护主电路51、第二监控电路52、第二增益电路53可以集成为一颗集成电路芯片。本实施例与上一实施相同的部分不再此处不再赘述。
如图6所示，检测阶段，自检测控制电路的输出端FOUT输出高电平脉冲，相应地产生检测信号DS，第二漏电保护主电路51根据检测信号DS产生断开控制信号TRIG，此时断开控制信号TRIG为高电平脉冲。自检测控制电路的输出端FOUT输出高电平脉冲信号的同时，从输出端SII输出同样的信号至状态指示电路33，状态指示电路33输出编码为“1010”的指示信号至第二监控电路52，表明自检测模块无故障。第二监控电路52接收到编码为“1010”的指示信号后，其输出端SI_DEC保持低电平。
如图7所示，当自检测模块发生故障时，如STIN端口检测不到正确的相位信号，则输出端FOUT和输出端SII不再输出高电平脉冲信号。状态指示电路33在一段时间内，如6.8分钟内，未收到输出端SII的高电平脉冲，则状态指示电路从输出端SIO向第二监控电路52发送编码为“1001”的指示信号。第二监控电路52接收到编码为“1001”的指示信号后，判断自检测模块发生了故障，从输出端SI_DEC输出断开控制信号TRIG，此时断开控制信号TRIG为高电平脉冲信号，相应地，断开驱动信号TRGO信号也为高电平脉冲信号，驱动脱扣模块4脱扣。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (12)

1.一种接地故障保护系统，其特征在于，包括：感应模块、漏电保护模块、自检测模块和脱扣模块；
所述感应模块，适于根据检测信号产生感应电流；
所述漏电保护模块，适于根据所述感应电流，在检测阶段产生断开驱动信号；
所述漏电保护模块，还适于在所述自检测模块发生故障后，在非检测阶段产生断开驱动信号；
所述自检测模块，适于在检测阶段产生所述检测信号，并在所述漏电保护模块产生所述断开驱动信号时，判断所述漏电保护模块未发生故障；
所述脱扣模块，适于响应所述非检测阶段产生的断开驱动信号以断供电电路与负载的连接，而不响应所述检测阶段产生的断开驱动信号。
2.如权利要求1所述的接地故障保护系统，其特征在于，所述感应模块包括零序电流互感器，所述供电电路包括相线和中线，所述相线和中线贯穿所述零序电流互感器。
3.如权利要求1所述的接地故障保护系统，其特征在于，所述漏电保护模块包括：
第一漏电保护主电路，适于根据所述感应电流，在检测阶段输出断开控制信号；
第一监控电路，适于在未检测到所述断开控制信号时，在非检测阶段输出断开控制信号；
第一增益电路，适于增大所述断开控制信号的驱动能力，以产生所述断开驱动信号；
第一可控硅的控制极适于接收所述断开驱动信号。
4.如权利要求3所述的接地故障保护系统，其特征在于，所述第一监控电路包括：看门狗电路和第一逻辑或门，所述第一增益电路包括：缓冲器
所述看门狗电路的复位输入端连接所述第一漏电保护主电路的输出端，所述看门狗电路的输出端连接第一逻辑或门的第一输入端；
所述第一逻辑或门的第二输入端连接所述第一漏电保护主电路的输出端，所述第一逻辑或门的输出端连接缓冲器的输入端；
所述缓冲器的输出端适于输出所述断开驱动信号。
5.如权利要求3所述的接地故障保护系统，其特征在于，所述自检测模块包括：
自检测控制电路，适于在所述检测阶段产生模拟检测信号，并在检测到所述第一可控硅被导通时，判断所述漏电保护模块未发生故障；
模拟漏电流电路，适于基于所述模拟检测信号产生所述检测信号。
6.权利要求1所述的接地故障保护系统，其特征在于，所述自检测模块包括：
自检测控制电路，适于在所述检测阶段产生模拟检测信号，并根据所述漏电保护模块在检测阶段输出断开驱动信号，判断所述漏电保护模块未发生故障；
模拟漏电流电路，适于基于所述模拟检测信号产生所述检测信号；
状态指示电路，适于输出表示所述自检测模块工作状态的指示信号，所述指示信号包括：表示所述自检测模块无故障的指示信号。
7.如权利要求6所述的接地故障保护系统，其特征在于，所述漏电保护模块包括：
第二漏电保护主电路，适于根据所述感应电流，在检测阶段输出断开控制信号；
第二监控电路，适于在接收到表示所述自检测模块无故障的指示信号，或在预定时间内未接收到指示信号时，输出断开控制信号；
第二增益电路，适于增大所述断开控制信号的驱动能力，以产生所述断开驱动信号；
第二可控硅的控制极适于接收所述断开驱动信号。
8.如权利要求7所述的接地故障保护系统，其特征在于，所述自检测控制电路适于在检测到所述第二可控硅被导通时，判断所述漏电保护模块未发生故障。
9.如权利要求5或6所述的接地故障保护系统，其特征在于，所述模拟漏电流电路包括：第一三极管和第一电阻；
所述第一三极管的基极适于输入所述模拟检测信号，所述第一三极管的集电极连接所述第一电阻的第一端，所述第一三极管的发射极接地；
所述第一电阻的第二端适于输出所述检测信号。
10.如权利要求1所述的接地故障保护系统，其特征在于，所述自检测模块还包括：报警模块；
所述报警模块，适于在所述漏电保护模块未产生断开驱动信号，或者所述自检测模块未产生检测信号时，进行报警提示。
11.如权利要求1所述的接地故障保护系统，其特征在于，所述漏电保护模块，适于在所述自检测模块未产生检测信号时，判断所述自检测模块发生故障。
12.如权利要求1所述的接地故障保护系统，其特征在于，所述自检测模块适于定时产生所述检测信号。
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