CN114050549B - 单相供电快速断路保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单相供电快速断路保护系统包括：霍尔传感模块、IGBT开关模块、信号检测模块及控制模块，霍尔传感模块用于接入交流电，并且将电流输送至IGBT开关模块、信号检测模块中；信号检测模块用于检测霍尔传感模块的电流信号，若出现短路，则传送至IGBT开关模块和控制模块；IGBT开关模块用于接收IGBT开关模块的驱动信号，以实现快速关断；控制模块用于接收信号检测模块的检测信号。本申请在人体触碰火线瞬间或者零线与火线触碰对电路进行快速检测和切断，将火线流入人体的电流降至人体安全范围内，从而实现对人体的进行保护，降低零火线短路的电流持续时间，使之不能形成火花，从而实现避免因电器短路引起的火灾。

Description

单相供电快速断路保护系统

技术领域

本发明涉及短路保护开关领域，尤其涉及一种单相供电快速断路保护系统。

背景技术

为防止人们触电，电力线路入户有隔离变压器，进入家庭的电力线路没有火线、零线。在这种情况下，人手里握一根零线是没有问题，因为人本身就站在地上，在接触良好的情况下零线与大地电压几乎为零，对人体不会造成伤害，但是如果人体触碰到火线就会触电。现在的就是要求一旦有人触碰到火线或者零火线短路时立即切断供电。

目前，现有的技术是通过漏电保护器来进行保护的。漏电保护器工作原理是当人体触电后会形成漏电，当漏电达到一定值(30mA)以上，漏电保护器会将线路的电断掉，从而进行保护人体不会被电电伤。然而，当人体触电后，如果漏电值低于30mA那么漏电保护器将不会动作，人依然会被电伤。

发明内容

本申请提供了一种单相供电快速断路保护系统，在人体触碰火线瞬间或者零线与火线触碰对电路进行快速检测和切断，将火线流入人体的电流降至人体安全范围内，从而实现对人体的进行保护，降低零火线短路的电流持续时间，使之不能形成火花，从而实现避免因电器短路引起的火灾。

本申请提供了一种单相供电快速断路保护系统，包括：霍尔传感模块、IGBT开关模块、信号检测模块及控制模块，

所述霍尔传感模块用于接入交流电，并且将电流输送至IGBT开关模块、信号检测模块中；

所述信号检测模块用于检测霍尔传感模块的电流信号，若出现短路，则传送至所述IGBT开关模块和所述控制模块；

所述IGBT开关模块用于接收IGBT开关模块的驱动信号，以实现快速关断；

所述控制模块用于接收信号检测模块的检测信号，并且将信号传输至外部的监控中心。

可选地，所述霍尔传感模块包括霍尔传感器S1及霍尔传感器S2，所述霍尔传感器S1的输入端用于接入交流电的火线，所述霍尔传感器S1的输出端分别与所述IGBT开关模块的输入端、所述信号检测模块的输入端电连接，所述霍尔传感器S2的输入端用于接入交流电的零线，所述霍尔传感器S2的输出端分别与所述IGBT开关模块的输出端和所述信号检测模块的输入端电连接。

可选地，所述IGBT开关模块包括IGBT开关组、继电器J1及驱动单元，所述IGBT开关组的输入端与所述霍尔传感器S1的一输出端电连接，所述IGBT开关组的输出端与所述继电器J1的控制端电连接，所述IGBT开关组的输出端还与所述霍尔传感器S2的输出端电连接，所述IGBT开关组的控制端与所述驱动单元的输出端电连接，所述驱动单元还与所述继电器J1电连接。

可选地，所述驱动单元包括磁保持驱动电路及IGBT驱动电路，所述磁保持驱动电路和所述IGBT驱动电路的输入端分别与所述信号检测模块的输出端电连接，所述磁保持驱动电路的输出端与所述继电器J1电连接，所述IGBT驱动电路的输出端与所述IGBT开关组电连接。

可选地，所述IGBT开关模块还包括IGBT驱动电源，所述IGBT驱动电源与所述驱动单元电连接。

可选地，所述信号检测模块包括过零点检测单元、人体检测单元及与门电路，所述过零点检测单元的输入端与所述霍尔传感器S1的一输出端电连接，所述过零点检测单元的输出端与所述与门电路的一输入端电连接，所述人体检测单元的输入端分别与所述霍尔传感器S1的另一输出端和所述霍尔传感器S2的输出端电连接，所述人体检测单元的输出端与所述与门电路的另一输入端电连接，所述与门电路的输出端分别与所述IGBT开关模块的驱动端和所述控制模块电连接。

可选地，所述过零点检测单元包括滤除直流信号电路、过零点信号处理电路、放大电路、第一比较电路及第一自锁电路，所述滤除直流信号电路的输入端与所述霍尔传感器S1的一输出端电连接，所述滤除直流信号电路的输出端顺序经过所述过零点信号处理电路、所述放大电路、所述第一比较电路和所述第一自锁电路电连接，所述第一自锁电路的输出端与所述与门电路的一输入端电连接，并且所述第一比较电路用于接入所述控制模块的第一基准信号。

可选地，所述人体检测单元包括减法运算电路、信号放大电路、第二比较单元及第二自锁电路，所述减法运算电路的输入端分别与所述霍尔传感器S1的另一输出端和所述霍尔传感器S2的输出端电连接，所述减法运算电路的输出端顺序与所述信号放大电路、所述第二比较单元和所述第二自锁电路电连接，所述第二自锁电路的输出端与所述与门电路的另一输入端电连接，并且所述第二比较单元用于接入所述控制模块的第二基准信号。

可选地，所述控制模块包括MCU控制单元、断电反馈单元及无线通讯单元，所述MCU控制单元分别与所述信号检测模块、所述断电反馈单元和所述无线通讯单元电连接，所述断电反馈单元还与所述信号检测模块的输出端电连接。

可选地，单相供电快速断路保护系统还包括电源模块，所述电源模块的输入端用于接入交流电，所述电源模块的输出端分别与所述控制模块和所述IGBT开关模块的电连接。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请中提供的一种单相供电快速断路保护系统，通过设置霍尔传感模块，可以有效地降低延时性，使得信号可以快速被检测，并且通过设置IGBT开关模块，可以实现快速关断，从而可以减少零火线短路时的火花产生；另外通过设置信号检测模块，可以进一步加快对信号检测的速度，提高系统的反应速度，使得在人体触碰火线瞬间或者零线与火线触碰时电路可以进行快速检测和切断，将火线流入人体的电流降至人体安全范围内，从而实现对人体的进行保护，降低零火线短路的电流持续时间，使之不能形成火花，进而实现避免因电器短路引起的火灾。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一实施方式的单相供电快速断路保护系统的功能模块图；

图2为本发明一实施方式的霍尔传感模块及信号检测模块的功能模块图；

图3为图1所示的IGBT开关模块及霍尔传感模块的电路图；

图4为图1所示的人体检测单元的电路图；

图5为图1所示的过零点检测单元的电路图；

图6为图1所示的第二自锁电路的电路图；

图7为图1所示的IGBT驱动电路的电路图；

图8为图1所示的IGBT驱动电源的电路图；

图9为图1所示的一实施方式的磁保持驱动电路的电路图；

图10为图1所示的另一实施方式的磁保持驱动电路的电路图；

图11为图1所示的又一实施方式的磁保持驱动电路的电路图。

具体实施方式

本申请实施例公开了提供了一种单相供电快速断路保护系统，在人体触碰火线瞬间或者零线与火线触碰对电路进行快速检测和切断，将火线流入人体的电流降至人体安全范围内，从而实现对人体的进行保护，降低零火线短路的电流持续时间，使之不能形成火花，从而实现避免因电器短路引起的火灾。

请参阅图1，一种单相供电快速断路保护系统，包括：霍尔传感模块100、IGBT开关模块200、信号检测模块300及控制模块400，

所述霍尔传感模块的输入端用于接入交流市电的零线和火线，所述霍尔传感模块的输出端分别与所述IGBT开关模块、所述信号检测模块电连接，所述信号检测模块的输出端分别与所述IGBT开关模块的控制端与所述控制模块电连接。具体地，所述霍尔传感模块用于接入交流电，并且将电流输送至IGBT开关模块、信号检测模块中；所述信号检测模块用于检测霍尔传感模块的电流信号，若出现短路，则传送至所述IGBT开关模块和所述控制模块；所述IGBT开关模块用于接收IGBT开关模块的驱动信号，以实现快速关断；所述控制模块用于接收信号检测模块的检测信号，并且将信号传输至外部的监控中心。

如此，通过设置霍尔传感模块，可以有效地降低延时性，使得信号可以快速被检测，并且通过设置IGBT开关模块，可以实现快速关断，从而可以减少零火线短路时的火花产生；另外通过设置信号检测模块，可以进一步加快对信号检测的速度，提高系统的反应速度，使得在人体触碰火线瞬间或者零线与火线触碰时电路可以进行快速检测和切断，将火线流入人体的电流降至人体安全范围内，从而实现对人体的进行保护，降低零火线短路的电流持续时间，使之不能形成火花，进而实现避免因电器短路引起的火灾。

请参阅图1，所述霍尔传感模块包括霍尔传感器S1及霍尔传感器S2，所述霍尔传感器S1的输入端用于接入交流电的火线，所述霍尔传感器S1的输出端分别与所述IGBT开关模块的输入端、所述信号检测模块的输入端电连接，所述霍尔传感器S2的输入端用于接入交流电的零线，所述霍尔传感器S2的输出端分别与所述IGBT开关模块的输出端和所述信号检测模块的输入端电连接。

请参阅图1，所述IGBT开关模块200包括IGBT开关组210、继电器J1及驱动单元220，所述IGBT开关组的输入端与所述霍尔传感器S1的一输出端电连接，所述IGBT开关组的输出端与所述继电器J1的控制端电连接，所述IGBT开关组的输出端还与所述霍尔传感器S2的输出端电连接，所述IGBT开关组的控制端与所述驱动单元的输出端电连接，所述驱动单元还与所述继电器J1电连接。需要说明的是，所述IGBT开关组210可以控制继电器J1的工作，所述继电器J1用于出现短路的时候，则可以保证可以实现一个完整的回路；所述驱动单元220用于控制继电器J1的工作。

请参阅图1，所述驱动单元220包括磁保持驱动电路221及IGBT驱动电路222，所述磁保持驱动电路和所述IGBT驱动电路的输入端分别与所述信号检测模块的输出端电连接，所述磁保持驱动电路的输出端与所述继电器J1电连接，所述IGBT驱动电路的输出端与所述IGBT开关组电连接。进一步地，所述IGBT开关模块200还包括IGBT驱动电源230，所述IGBT驱动电源与所述驱动单元电连接。需要说明的是，所述磁保持驱动电路221用于保持继电器处于吸合的状态；所述IGBT驱动电路222用于驱动IGBT开关组210的工作。

请参阅图2，所述信号检测模块300包括过零点检测单元310、人体检测单元320及与门电路330，所述过零点检测单元的输入端与所述霍尔传感器S1的一输出端电连接，所述过零点检测单元的输出端与所述与门电路的一输入端电连接，所述人体检测单元的输入端分别与所述霍尔传感器S1的另一输出端和所述霍尔传感器S2的输出端电连接，所述人体检测单元的输出端与所述与门电路的另一输入端电连接，所述与门电路的输出端分别与所述IGBT开关模块的驱动端和所述控制模块电连接。需要说明的是，所述过零点检测单元310用于检测火线的工作状态，当出现短路的时候，则启动短路的保护；所述人体检测单元320用于检测是否出现人体触电的情况，当出现时则立即进行保护。

请参阅图2～图11，所述过零点检测单元310包括滤除直流信号电路311、过零点信号处理电路312、放大电路313、第一比较电路314及第一自锁电路315，所述滤除直流信号电路的输入端与所述霍尔传感器S1的一输出端电连接，所述滤除直流信号电路的输出端顺序经过所述过零点信号处理电路、所述放大电路、所述第一比较电路和所述第一自锁电路电连接，所述第一自锁电路的输出端与所述与门电路的一输入端电连接，并且所述第一比较电路用于接入所述控制模块的第一基准信号，并且所述第一比较电路用于接入所述控制模块的第一基准信号。需要说明的是，所述滤除直流信号电路311用于滤除电路中的直流信号；所述过零点信号处理电路312用于将交流电流信号的负半轴信号翻转到正半轴上；所述放大电路313用于将翻转后的全部信号进行放大；所述第一比较电路314用于将放大的信号与MCU控制单元输出的第一基准信号进行比较，若放大后的信号小于第一基准信号，则输出低电平，则与门电路中输出高电平，从而使IGBT开关组导通，同时驱动单元中的磁保持驱动电路启动输出合闸脉冲电压，负载正常工作。

进一步地，所述滤除直流信号电路311包括放大器U19.1、电阻R40、电阻R42及电阻R2；所述过零点信号处理电路312包括放大器U19.2、二极管D8、二极管D9、电阻R24、电阻R25、电阻R32、电阻R33、电阻R34及电阻R36，当20MV/A电压输入时，将其转换为100MV。所述放大电路313包括放大器U19.3、二级降噪电阻R41及电容C21。所述第一比较电路314包括放大器U18.1、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30、电阻R35、三极管Q1、放大器U18.3及解锁开关RST1，所述第一自锁电路315包括放大器U18.2、二极管D10、电阻R43、R45及上锁开关RST2。并且该系统还包括由光耦U43、电阻R66、电阻R67组成的断电反馈单元。

具体地，当电流流过霍尔传感器S1时，霍尔传感器S1发出的信号经过滤除直流信号电路，将霍尔传感器S1输出信号中的直流信号去除，再经过过零点信号处理电路的交流电流信号的负半轴翻转到正半轴，使得电流不管在负半轴上升，还是在正半轴上升，使得电流信号都在正半轴上，将检测速度再次提升一倍，从而过零点信号处理电路使得信号检测速度加快一倍；再通过放大电路进行信号放大；再将放大过的信号与MCU控制单元输出的电压进行比较，如果放大后的信号小于MCU控制的基准信号，这里的基准电压可以通过单片机自行设定，自行调节灵敏度，那么第一比较电路输出低电平，或非门电路输出高电平，接着IGBT驱动电路启动导通IGBT Q1和IGBT Q2，同时磁保持驱动电路启动输出合闸脉冲电压，负载正常工作。

而当电路出现短路时，放大后的信号大于MCU控制的第一基准信号，那么第一比较电路输出高电平，与门电路输出低电平，IGBT驱动电路迅速断开IGBT Q1和IGBT Q2，如此，可以使得断电速度足够快，而且无明显火花产生，另外断电速度可以达到500uS以内，短路也无明显火花产生，同时自锁电路启动，一直保持与门电路输出端为低电平，保持IGBT开关抑制在断开状态。

请参阅图2～图11，所述人体检测单元320包括减法运算电路321、信号放大电路322、第二比较单元323及第二自锁电路324，所述减法运算电路的输入端分别与所述霍尔传感器S1的另一输出端和所述霍尔传感器S2的输出端电连接，所述减法运算电路的输出端顺序与所述信号放大电路、所述第二比较单元和所述第二自锁电路电连接，所述第二自锁电路的输出端与所述与门电路的另一输入端电连接，并且所述第二比较单元用于接入所述控制模块的第二基准信号。需要说明的是，所述减法运算电路321用于比较霍尔传感器S1和霍尔传感器S2的电压，并且将电压差值输入至信号放大电路中；所述信号放大电路则用于将电压差值进行信号放大；所述第二比较单元323用于将放大后的信号与控制模块的第二基准信号进行比较，若放大后的信号小于第二基准信号，则输出低电平，则与门电路中输出高电平，从而使IGBT开关组导通，同时驱动单元中的磁保持驱动电路启动输出合闸脉冲电压，负载正常工作。

进一步地，所述减法运算电路321包括放大器U20.1、电阻R122、电阻R119、电阻R63、电阻R64；所述信号放大电路322包括放大器U20.2、电阻R68、电阻R77、电阻R61、电容C50；所述第二比较单元323包括放大器U41.1、电阻R62、电阻R93、电阻R112、电阻R110、电阻R115、电阻R117、电阻R108、发光二极管LED7、三极管Q14、放大器U41.3及解锁开关RST4；所述第二自锁电路324包括放大器U41.2、二极管D20、电阻R111、电阻R91及上锁开关RST3。

另外，当出现人体接触电路时，则放大后的信号大于MCU控制的第二基准信号，那么第二比较单元输出高电平，与门电路输出低电平，IGBT驱动电路迅速断开IGBT Q1和IGBTQ2，如此，可以使得断电速度足够快，而且无明显火花产生，同时自锁电路启动，一直保持与门电路输出端为低电平，保持IGBT开关抑制在断开状态。

请参阅图1，所述控制模块400包括MCU控制单元410、断电反馈单元420及无线通讯单元430，所述MCU控制单元分别与所述信号检测模块、所述断电反馈单元和所述无线通讯单元电连接，所述断电反馈单元还与所述信号检测模块的输出端电连接。需要说明的是，所述断电反馈单元420用于接收与门电路的信号，并且将信号传送至MCU控制单元410中，而MCU控制单元410则通过无线通讯单元430将信号发送至远程监控平台中。

请参阅图1，单相供电快速断路保护系统还包括电源模块500，所述电源模块的输入端用于接入交流电，所述电源模块的输出端分别与所述控制模块和所述IGBT开关模块的电连接。需要说明的是，所述电源模块500为IGBT驱动电源进行供电，同时还为控制模块部分进行供电。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种单相供电快速断路保护系统，其特征在于，包括：霍尔传感模块、IGBT开关模块、信号检测模块及控制模块，

所述霍尔传感模块用于接入交流电，并且将电流输送至IGBT开关模块、信号检测模块中；

所述信号检测模块用于检测霍尔传感模块的电流信号，若出现短路，则传送至所述IGBT开关模块和所述控制模块；

所述IGBT开关模块用于接收IGBT开关模块的驱动信号，以实现快速关断；

所述控制模块用于接收信号检测模块的检测信号，并且将信号传输至外部的监控中心；

所述霍尔传感模块包括霍尔传感器S1及霍尔传感器S2，所述信号检测模块包括过零点检测单元、人体检测单元及与门电路，所述过零点检测单元的输入端与所述霍尔传感器S1的一输出端电连接，所述过零点检测单元的输出端与所述与门电路的一输入端电连接，所述人体检测单元的输入端分别与所述霍尔传感器S1的另一输出端和所述霍尔传感器S2的输出端电连接，所述人体检测单元的输出端与所述与门电路的另一输入端电连接，所述与门电路的输出端分别与所述IGBT开关模块的驱动端和所述控制模块电连接。

2.根据权利要求1所述的单相供电快速断路保护系统，其特征在于，所述霍尔传感器S1的输入端用于接入交流电的火线，所述霍尔传感器S1的输出端分别与所述IGBT开关模块的输入端、所述信号检测模块的输入端电连接，所述霍尔传感器S2的输入端用于接入交流电的零线，所述霍尔传感器S2的输出端分别与所述IGBT开关模块的输出端和所述信号检测模块的输入端电连接。

3.根据权利要求2所述的单相供电快速断路保护系统，其特征在于，所述IGBT开关模块包括IGBT开关组、继电器J1及驱动单元，所述IGBT开关组的输入端与所述霍尔传感器S1的一输出端电连接，所述IGBT开关组的输出端与所述继电器J1的控制端电连接，所述IGBT开关组的输出端还与所述霍尔传感器S2的输出端电连接，所述IGBT开关组的控制端与所述驱动单元的输出端电连接，所述驱动单元还与所述继电器J1电连接。

4.根据权利要求3所述的单相供电快速断路保护系统，其特征在于，所述驱动单元包括磁保持驱动电路及IGBT驱动电路，所述磁保持驱动电路和所述IGBT驱动电路的输入端分别与所述信号检测模块的输出端电连接，所述磁保持驱动电路的输出端与所述继电器J1电连接，所述IGBT驱动电路的输出端与所述IGBT开关组电连接。

5.根据权利要求3所述的单相供电快速断路保护系统，其特征在于，所述IGBT开关模块还包括IGBT驱动电源，所述IGBT驱动电源与所述驱动单元电连接。

6.根据权利要求1所述的单相供电快速断路保护系统，其特征在于，所述过零点检测单元包括滤除直流信号电路、过零点信号处理电路、放大电路、第一比较电路及第一自锁电路，所述滤除直流信号电路的输入端与所述霍尔传感器S1的一输出端电连接，所述滤除直流信号电路的输出端顺序经过所述过零点信号处理电路、所述放大电路、所述第一比较电路和所述第一自锁电路电连接，所述第一自锁电路的输出端与所述与门电路的一输入端电连接，并且所述第一比较电路用于接入所述控制模块的第一基准信号。

7.根据权利要求1所述的单相供电快速断路保护系统，其特征在于，所述人体检测单元包括减法运算电路、信号放大电路、第二比较单元及第二自锁电路，所述减法运算电路的输入端分别与所述霍尔传感器S1的另一输出端和所述霍尔传感器S2的输出端电连接，所述减法运算电路的输出端顺序与所述信号放大电路、所述第二比较单元和所述第二自锁电路电连接，所述第二自锁电路的输出端与所述与门电路的另一输入端电连接，并且所述第二比较单元用于接入所述控制模块的第二基准信号。

8.根据权利要求1所述的单相供电快速断路保护系统，其特征在于，所述控制模块包括MCU控制单元、断电反馈单元及无线通讯单元，所述MCU控制单元分别与所述信号检测模块、所述断电反馈单元和所述无线通讯单元电连接，所述断电反馈单元还与所述信号检测模块的输出端电连接。

9.根据权利要求1所述的单相供电快速断路保护系统，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块的输入端用于接入交流电，所述电源模块的输出端分别与所述控制模块和所述IGBT开关模块的电连接。

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