CN1604419A - 漏电突变动作无死区断路器及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种漏电突变动作无死区断路器及其运行方法，包括单片机、零序电流互感器、漏电信号放大电路、电源、漏电脱扣器和空气断路器，其中单片机的操作程序为：(1)初始化，(2)测剩余电流的幅值和相角，(3)判断剩余电流是否大于动作值，大于时发出漏电脱扣指令，(4)计算突变漏电电流值，(5)判断突变漏电电流值是否大于动作值，大于时发出漏电脱扣指令。该指令使漏电脱扣器动作，带动空气断路器切断故障电路，得到漏电突变动作无死区保护。本发明还可添加漏电模拟发生电路和/或漏电电流显示电路辅助组成部分，还可以对漏电电流进行三相分解，并通过数码管分别显示出各相漏电电流，方便了对各相漏电情况的分析与判断，找出最大漏电相线。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及一种对偏离正常电工作情况的不希望有的变化直接起反应的自动断开紧急保护电路装置，具体地说是一种漏电突变动作无死区断路器及其运行方法。
背景技术
漏电保护技术是在低压电网中广泛应用的一种防止漏电火灾和保护人身触电的技术。目前在漏电断路器中采用的漏电保护技术是剩余电流动作保护技术。在三相电网中，由于各相漏电电流存在相角差，最终合成的剩余电流的相位为任意值，当有设备漏电或有人触电时，该漏电或触电电流与电网中固有的剩余电流的相位可能相反，造成剩余电流不仅不增大，反而减小，此时漏电保护器应当动作而不能动作，出现漏电保护死区，以至于引起漏电损失和触电伤亡事故。
在CN 85205360“相敏整流式脉冲电流型保安器”、CN 95217004.3“鉴相鉴幅无声运行漏电保护器”、CN 96250129.8“鉴相鉴幅脉冲型漏电保护器”、CN 99251608.0“鉴相鉴幅触电漏电动作继电器”、CN 01228575.7“具有缓变与突变二个调节装置的漏电保护器”和CN 02280316.5“鉴相鉴幅漏电综合保护器”中，披露了解决了漏电与触电的分别保护方法，在CN 98118285.2、CN 98245498.8“微电脑数字化智能漏电保护器”和CN 98217990.1“微电脑鉴相鉴幅漏电保护器”中公开了采用了微电脑进行鉴相鉴幅漏电保护的技术，解决了由于分立元件受温度等影响引起参数变化造成触电动作死区的问题，但只对发生在相线或与相线无相位差上的触电进行保护。总之，上述已公开的技术对于设备漏电、人接触带电的容性或感性设备的触电情况仍然不能进行有效保护，即设备漏电保护和人触电保护仍存在死区。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种漏电突变动作无死区断路器，无论电网中有没有漏电电流，只要接入设备漏电或者有人触电引起的漏电电流达到漏电动作值，断路器均做出保护动作，由此实现对设备漏电、人触电进行有效保护，同时克服了鉴相鉴幅漏电保护器中只对发生在相线或与相线无相位差上的触电进行保护的缺点。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：本发明的漏电突变动作无死区断路器，包括单片机、零序电流互感器、漏电信号放大电路、电源、漏电脱扣器和空气断路器组成部分，其中单片机具有以下的操作程序：
(1)上电后，对通用寄存器和专用寄存器进行初始化，特别是定时器和A/D转换的寄存器的初始化，设置采样频率和采样窗口周期，采样频率远大于剩余电流信号的频率，采样窗口周期为剩余电流信号的周期，初始化完成后转第(2)步；
(2)根据采样频率和窗口周期对剩余电流信号进行采集，完成一个周期的采样后，计算剩余电流的幅值和相角，转第(3)步；
(3)判断剩余电流是否大于动作值，当剩余电流大于等于动作值时，发出漏电脱扣指令，当剩余电流小于动作值时，转第(4)步；
(4)根据刚检测的剩余电流的幅值和相角，与以前检测的剩余电流的幅值和相角进行比较，由三角函数公式计算突变漏电电流值，转下一步；
(5)判断突变漏电电流值是否大于动作值，当突变漏电电流值小于动作值时，转第(2)步，当突变漏电电流值大于等于动作值时，发出漏电脱扣指令。
本发明的漏电突变动作无死区断路器也可以添加以下的辅助组成部分：漏电模拟发生电路和/或漏电电流显示电路。
本发明的漏电突变动作无死区断路器实现漏电突变动作无死区保护过程的运行方法是：零序电流互感器将检测到的电网中的剩余电流信号变换为电压信号输入到漏电信号放大电路；漏电信号放大电路放大后的信号直接输入到单片机中；单片机对剩余电流，即三相漏电电流矢量和，进行如下处理：单片机不断检测出剩余电流的幅值和相角，并分析幅值和相角的变化，将当前时刻的剩余电流和此时刻前的剩余电流进行比较，根据它们的幅值和相角差，由三角函数公式计算出此时刻新产生的漏电电流，单片机判断当前时刻的剩余电流和此时刻新产生的漏电电流是否达到漏电动作值，当前时刻的剩余电流和/或此时刻新产生的漏电电流，即突变漏电电流，达到或超过漏电动作值时，单片机发出漏电脱扣命令，使漏电脱扣器动作，带动空气断路器切断故障电路，使漏电故障得到漏电突变动作无死区的保护；电源为单片机和其它电路供电。
单片机检测到剩余电流和突变漏电电流，还可以根据它们的幅值和相角，在A相、B相、C相上进行分解，计算出在每一相上的电流值。
本发明的漏电突变动作无死区断路器中的辅助组成部分实现漏电突变动作无死区保护过程的辅助作用的运行方法是：单片机将漏电电流送到漏电电流显示电路进行漏电电流的显示，漏电电流显示电路还显示动作时的漏电突变电流值或剩余电流值及漏电动作方式，漏电电流显示闪烁快为漏电突变动作方式，漏电电流显示闪烁慢为剩余电流动作方式；漏电模拟发生电路模拟产生故障漏电，当单片机检测到模拟故障漏电时，也发出漏电脱扣命令，用于检查本发明的断路器是否正常。
漏电电流显示电路还显示出每一相上的电流值。
本发明的空气断路器(1)含有热磁检测元件，可以通过热磁检测元件实现过载、短路、接地故障的保护。
本发明的有益效果，与现有技术相比本发明的优点如下：
(1)本发明漏电突变动作无死区断路器既检测出了剩余电流的幅值，还检测出了剩余电流的相角，同时间接检测出漏电突变电流值，而已有的漏电断路器仅根据当前时刻的剩余电流幅值进行保护，即使是鉴相鉴幅型漏电保护器也只对与电源相线同相位的突变信号进行检测，无法实现设备突变漏电的正确保护。
(2)本发明漏电突变动作无死区断路器对漏电电流进行三相分解，并通过数码管分别显示出各相漏电电流，方便了人们对各相漏电情况的分析与判断，可以找出最大漏电相线。
(3)本发明通过数码管实现了漏电动作方式的指示，不仅可以显示漏电动作时的漏电电流值，还以漏电电流显示的闪烁快慢来指示出漏电突变动作方式和剩余电流动作方式，便于人们进行漏电事故分析。
(4)本发明将漏电突变保护电路安装于断路器内，通过断路器的热磁检测元件实现过载、短路、接地故障的保护，节省了安装空间。
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是本发明各组成部分之间的连接框图。
图2是添加有辅助电路的本发明各组成部分之间的连接框图。
图3是本发明中检测的剩余电流和漏电突变电流值的关系图。
图4是本发明的电路连接原理图。
图5是本发明中单片机实现漏电突变无死区的程序框图。
图中，1.空气断路器、2.单片机、3.零序电流互感器、4.漏电信号放大电路、5.漏电脱扣器、6.漏电模拟发生电路、7.漏电电流显示电路、8.电源。
具体实施方式
实施例
图1表明，本发明的漏电突变动作无死区断路器包括空气断路器(1)、单片机(2)、零序电流互感器(3)、漏电信号放大电路(4)、漏电脱扣器(5)和电源(8)组成部分，它们实现漏电突变动作无死区保护过程的运行方法是：零序电流互感器(3)将检测到的电网中的剩余电流信号变换为电压信号输入到漏电信号放大电路(4)；漏电信号放大电路(4)放大后的信号直接输入到单片机(2)中；单片机(2)对剩余电流，即三相漏电电流矢量和，进行如下处理：单片机(2)不断检测出剩余电流的幅值和相角，并分析幅值和相角的变化，将当前时刻的剩余电流和此时刻前的剩余电流进行比较，根据它们的幅值和相角差，由三角函数公式计算出此时刻新产生的漏电电流，单片机(2)判断当前时刻的剩余电流和此时刻新产生的漏电电流是否达到漏电动作值，当前时刻的剩余电流和/或此时刻新产生的漏电电流，即突变漏电电流，达到或超过漏电动作值时，单片机(2)发出漏电脱扣命令，使漏电脱扣器(5)动作，带动空气断路器(1)切断故障电路，使漏电故障得到保护；电源(8)为单片机(2)和其它电路供电。
图2表明，添加有辅助电路的本发明的漏电突变动作无死区断路器包括空气断路器(1)、单片机(2)、零序电流互感器(3)、漏电信号放大电路(4)、漏电脱扣器(5)、漏电模拟发生电路(6)、漏电电流显示电路(7)和电源(8)。其中，单片机(2)、零序电流互感器(3)、漏电信号放大电路(4)、漏电模拟发生电路(6)、漏电电流显示电路(7)、电源(8)为漏电突变动作无死区单元电路的组成部分，它们实现漏电突变动作无死区保护过程及辅助作用的运行方法是：零序电流互感器(3)检测电网中的剩余电流，并将剩余电流信号变换为电压信号输入到漏电信号放大电路(4)；漏电信号放大电路(4)放大后的信号直接输入到单片机(2)中，单片机(2)对剩余电流，即三相漏电电流矢量和，进行如下处理：单片机(2)不断检测出剩余电流的幅值和相角，并分析幅值和相角的变化，将当前时刻的剩余电流和此时刻前的剩余电流进行比较，根据它们的幅值和相角差，由三角函数公式计算出此时刻新产生的漏电电流，单片机(2)判断当前时刻的剩余电流和此时刻新产生的漏电电流是否达到漏电动作值，当前时刻的剩余电流和/或此时刻新产生的漏电电流，即突变漏电电流，达到或超过漏电动作值时，单片机(2)发出漏电脱扣命令，即单片机(2)输出高电平，触发双向可控硅SCR1使漏电脱扣器(5)动作，带动空气断路器(1)切断故障电路，使漏电故障得到保护；单片机(2)将漏电电流送到漏电电流显示电路(7)进行漏电电流的显示，漏电电流显示电路(7)还显示动作时的漏电突变电流值或剩余电流值及漏电动作方式；电源(8)为单片机(2)和其它电路供电，漏电模拟发生电路(6)模拟产生故障漏电，当单片机检测到模拟故障漏电时，也发出漏电脱扣命令，用于检查本发明的断路器是否正常。
在图3中，I1为电网中的原来就有的剩余电流，I2为当有设备漏电或人触电时，产生的漏电突变电流，I0为当前时刻的剩余电流。图2表明，如果I2大于或等于漏电动作电流值，漏电断路器应当动作，保护设备漏电或人触电。然而，由于目前已有的漏电断路器无法检测出漏电突变电流I2，只能检测出当前时刻的剩余电流I0。在I2大于I1，且两者相角差在120°到240°之间的情况下，I0小于I2。当I2大于或等于漏电动作电流，而I0达不到漏电动作电流时，目前已有的漏电断路器不会动作，即在此情况下存在漏电保护死区，可能造成巨大损失。本发明可以实现对漏电突变电流I2和当前时刻的剩余电流I0的检测。本发明的漏电突变动作无死区断路器中的单片机(2)检测漏电突变电流I2和当前时刻的剩余电流I0的程序是：单片机(2)对输入的剩余电流采样，采样频率远大于剩余电流信号的频率，本实施例中采用40倍采样频率，记录下剩余电流波形，并计算其有效值，同时对过零点的时间进行记录，根据剩余电流周期计算出剩余电流的相角，即完成了剩余电流的幅值和相角的检测，同时记录下剩余电流的幅值和相角，单片机(2)根据记录下剩余电流的信息，与当前剩余电流I0进行比较，由三角函数公式计算出漏电电流的突变值I2。通过以上方法，单片机(2)实现了对剩余电流I1和I0的幅值及相角的直接检测，并根据三角函数计算公式对漏电突变电流I2的计算，实现了对漏电突变电流的间接测量，单片机(2)还将剩余电流值、漏电突变电流值在A相、B相、C相上进行分解，计算出在每一相上的漏电，并可以通过漏电电流显示电路(7)显示出来。当剩余电流I0或漏电突变电流I2达到动作值时，单片机(2)发出漏电保护指令，即单片机(2)输出高电平，通过R2触发双向可控硅SCR1，使漏电脱扣器(5)驱动空气断路器(1)脱扣，进行漏电保护，实现了本发明的漏电突变动作无死区。
如图4所示，零序电流互感器LH(3)有两个副边，其中一个副边连接至漏电信号放大电路(4)，另一个副边与按钮SW1和电阻R1构成漏电模拟发生电路(6)。
如图4所示，单片机U1(2)接受漏电信号放大电路(4)放大后的剩余电流信号，单片机U1(2)的RB1-RB7输出漏电信息数据，控制漏电电流显示电路(7)显示正常工作时的剩余电流，保护动作时的漏电动作方式，即指示出漏电突变动作方式和剩余电流动作方式，单片机U1(2)通过漏电脱扣器(5)控制空气断路器(1)，实现漏电保护动作。
如图4所示，漏电信号放大电路(4)由R3、C5、U2A、R4、R5、R6、R7、R8构成，零序电流互感器LH(3)的输出接R3、C5，将剩余电流信号变换为电压信号，经由U2A、R4、R5、R6、R7构成的放大电路将信号放大，经R8输入给单片机U1(2)。
如图4所示，漏电脱扣器TR1(5)用于驱动空气断路器(1)脱扣；空气断路器(1)通过漏电脱扣器(5)受单片机U1(2)的控制。
如图4所示，零序电流互感器LH(3)的另一个副边与按钮SW1和电阻R1构成漏电模拟发生电路(6)。当按下SW1时，零序电流互感器将产生一个模拟的漏电信号，单片机U1(2)检测到此信号后，将发出动作指令，通过R2触发双向可控硅SCR1，使漏电脱扣器TR1(5)驱动空气断路器(1)脱扣，用于检查断路器的漏电保护性能是否正常。
如图4所示，电阻R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、数码管LDE1、三极管T2、T3和T4构成了漏电电流显示电路(7)。该电路在单片机U1(2)的控制下，采用扫描显示方式，使三极管T2、T3、T4依次循环导通，分别选择相应位的数码管导通，同时数码管要显示的数据由单片机U1(2)的RB1-RB7输出，点亮数码管，从而实现了单片机U1(2)输出信息的显示，这些信息包括断路器工作时的剩余电流值、漏电保护动作时的漏电突变电流值或剩余电流值及漏电动作方式。单片机(2)还将剩余电流值、漏电突变电流值在A相、B相、C相上进行分解，计算出在每一相上的剩余电流和漏电突变电流，能把这些电流值送到漏电电流显示电路(7)，通过漏电电流显示电路(7)的数码管分别显示出来。
如图4所示，电源(8)由变压器B1、二极管D1、D2、集成稳压T1、电容C1、C2、C3、C4构成，变压器B1输出接二极管D1、D2及集成稳压T1，C1、C2、C3、C4对电源进行滤波。
图5表明本发明中单片机实现漏电突变无死区的程序：
(1)上电后，对通用寄存器和专用寄存器进行初始化，特别是定时器和A/D转换的寄存器的初始化，设置采样频率和采样窗口周期，采样频率远大于剩余电流信号的频率，采样窗口周期为剩余电流信号的周期，初始化完成后转第(2)步；
(2)根据采样频率和窗口周期对剩余电流信号进行采集，完成一个周期的采样后，计算剩余电流的幅值和相角，转第(3)步；
(3)判断剩余电流是否大于动作值，当剩余电流大于等于动作值时，发出漏电脱扣指令，当剩余电流小于动作值时，转第(4)步；
(4)根据刚检测的剩余电流的幅值和相角，与以前检测的剩余电流的幅值和相角进行比较，由三角函数公式计算突变漏电电流值，转下一步；
(5)判断突变漏电电流值是否大于动作值，当突变漏电电流值小于动作值时，转第(2)步，当突变漏电电流值大于等于动作值时，发出漏电脱扣指令。
Claims (8)
1.一种漏电突变动作无死区断路器，包括单片机、零序电流互感器、漏电信号放大电路、电源、漏电脱扣器和空气断路器组成部分，其特征在于：其中单片机具有以下的操作程序：
(1)上电后，对通用寄存器和专用寄存器进行初始化，特别是定时器和A/D转换的寄存器的初始化，设置采样频率和采样窗口周期，采样频率远大于剩余电流信号的频率，采样窗口周期为剩余电流信号的周期，初始化完成后转第(2)步；
(2)根据采样频率和窗口周期对剩余电流信号进行采集，完成一个周期的采样后，计算剩余电流的幅值和相角，转第(3)步；
(3)判断剩余电流是否大于动作值，当剩余电流大于等于动作值时，发出漏电脱扣指令，当剩余电流小于动作值时，转第(4)步；
(4)根据刚检测的剩余电流的幅值和相角，与以前检测的剩余电流的幅值和相角进行比较，由三角函数公式计算突变漏电电流值，转下一步；
(5)判断突变漏电电流值是否大于动作值，当突变漏电电流值小于动作值时，转第(2)步，当突变漏电电流值大于等于动作值时，发出漏电脱扣指令。
2.根据权利要求1所述的漏电突变动作无死区断路器，其特征在于：单片机检测漏电突变电流和当前时刻的剩余电流的程序是：单片机对输入的剩余电流采样，采用40倍采样频率，记录下剩余电流波形，并计算其有效值，同时对过零点的时间进行记录，根据剩余电流周期计算出剩余电流的相角，即完成了剩余电流的幅值和相角的检测，同时记录下剩余电流的幅值和相角，单片机根据记录下剩余电流的信息，与当前剩余电流进行比较，由三角函数公式计算出漏电电流的突变值。
3.根据权利要求1所述的漏电突变动作无死区断路器，其特征在于：添加有漏电模拟发生电路和/或漏电电流显示电路辅助组成部分。
4.根据权利要求3所述的漏电突变动作无死区断路器，其特征在于：漏电电流显示电路由电阻R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、数码管LDE1、三极管T2、T3和T4构成，该电路在单片机的控制下，采用扫描显示方式，使三极管T2、T3、T4依次循环导通，分别选择相应位的数码管导通，同时数码管要显示的数据由单片机的RB1-RB7输出，点亮数码管。
5.权利要求1所述的漏电突变动作无死区断路器实现漏电突变动作无死区保护过程的运行方法是：零序电流互感器将检测到的电网中的剩余电流信号变换为电压信号输入到漏电信号放大电路；漏电信号放大电路放大后的信号直接输入到单片机中；单片机对剩余电流，即三相漏电电流矢量和，进行如下处理：单片机不断检测出剩余电流的幅值和相角，并分析幅值和相角的变化，将当前时刻的剩余电流和此时刻前的剩余电流进行比较，根据它们的幅值和相角差，由三角函数公式计算出此时刻新产生的漏电电流，单片机判断当前时刻的剩余电流和此时刻新产生的漏电电流是否达到漏电动作值，当前时刻的剩余电流和/或此时刻新产生的漏电电流，即突变漏电电流，达到或超过漏电动作值时，单片机发出漏电脱扣命令，使漏电脱扣器动作，带动空气断路器切断故障电路；电源为单片机和其它电路供电。
6.根据权利要求5所述的漏电突变动作无死区断路器实现漏电突变动作无死区保护过程的运行方法，其特征在于：单片机检测到剩余电流和突变漏电电流，根据它们的幅值和相角，在A相、B相、C相上进行分解，计算出在每一相上的电流值。
7.权利要求3所述的漏电突变动作无死区断路器中的辅助组成部分实现漏电突变动作无死区保护过程的辅助作用的运行方法是：单片机将漏电电流送到漏电电流显示电路进行漏电电流的显示，漏电电流显示电路还显示动作时的漏电突变电流值或剩余电流值及漏电动作方式，漏电电流显示闪烁快为漏电突变动作方式，漏电电流显示闪烁慢为剩余电流动作方式；漏电模拟发生电路模拟产生故障漏电，当单片机检测到模拟故障漏电时，也发出漏电脱扣命令。
8.根据权利要求3所述的漏电突变动作无死区断路器中的辅助组成部分实现漏电突变动作无死区保护辅助作用的运行方法，其特征在于：漏电电流显示电路显示出每一相上的电流值。
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