CN1700548A - 电源电缆的电弧保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明的电源电缆的电弧保护装置，用于对连接在供电电源与负载之间的电源电缆的电弧保护，主要由电弧探测部分和电源断路部分组成，所述电弧探测部分包括电流互感器初级线圈、电弧探测导线及电阻R1和电阻R2，所述电源断路部分包括电流互感器次级线圈和电路断路驱动装置及双断路开关K1和K2。还可增设电路测试部分及电压保护电路和指示电路，对电缆火线与金属防护套之间产生的电弧或电缆中线与金属防护套之间产生的电弧都能够实时进行有效的保护。具有结构简单合理、体积小、成本低、工作可靠、灵敏度高且能够精确调节对电弧响应的灵敏度、适用范围宽、对电缆火线和/或电缆中线的电弧均能有效保护等优点。

Description

电源电缆的电弧保护装置

技术领域

本发明涉及一种用于电源电缆的电弧保护装置，特别是涉及一种当火线或/和中线与包裹电缆的金属防护套之间产生电弧时实时断开电缆与电源连接的火线和中线的电弧保护装置，属于配电领域。

背景技术

在配电领域中，对于接地故障断路保护器(GFCI)电路是公知的，它常用于防备火线的接地。通常，火线接地是非常危险的，可能会导致非常严重的损毁。如人为的不小心触电，从而接通火线和大地而遭电击。现有的接地故障断路保护电路中有一电流互感器，火线和中线同时穿过电流互感器，形成两个磁场相反的初级线圈，一个初级线圈串接在火线上，另一个串接在中线上。当GFCI的负载端出现接地故障时，从中线返回的电流就不等于从火线流出的电流，即对地漏电，在零序电流互感器铁心上就产生一不能被相互抵消的磁通流，次级线圈就会感应到这个磁通流而产生一个跳闸信号来断开电源。如美国专利号4598331和美国专利号5488303，因此使用接地电弧断路保护器电路来检测火线或中线的接地状态，从而通过断开负载与电源的连接以消除危险状态。

在接地故障断路保护器电路保护多数人远离接地故障的危险事件时，其实还存在着其它类型的危险情况，而这些情况并没有得到接地故障断路保护器电路的保护。例如，在电源电缆中，火线或中线对绝缘层或金属外壳可能会产生电弧。虽然这种电弧可能不会对个人造成直接的威胁，但是它可能会击穿绝缘层甚至导致电缆燃烧而引发火灾，所以对财产也有潜在的危险，这对于人们的健康和安全来说同样是一种不可忽视的潜在威胁。

在美国专利US6738241B1中公开了一种电缆的安全电路，其对电弧保护和探测主要是采用了两个并联的可控硅。其中一个可控硅检测火线和金属外壳之间的电弧，另一个可控硅检测中线和金属外壳之间的电弧，当火线或中线与电缆的金属外壳之间产生电弧时，通过一个电阻降压，二极管半波整流和电容滤波来触发可控硅门极，使可控硅导通，直接驱动断路开关而切断电源，但由于该电路对电弧的采样太直接，其灵敏度太高而造成抗干扰能力差，容易误跳。而且对电弧电流响应的灵敏度不能合理有效地调节和控制。一旦有大的电弧电流容易击穿可控硅。

在美国专利4931894中公开了另一种电弧保护与接地故障断路器，二者共用一个系统。由于两种功能都要用到差动变压器，所以至少要有10安培以上的包裹有绝缘层的火线和中线及电弧保护线圈要同时穿过差动变压器铁心，还要在铁心上还要缠绕电弧保护线圈和次级线圈，由于受到铁心体积的限制，即使大电流火线和中线直接穿过铁心，电弧保护线圈最多也只能绕3-4圈，使电弧保护线圈的圈数等均受到严重限制，对电弧电流的响应灵敏度低且调整困难。若将差动变压器的铁心加大，势必使断路器外壳做得很大，但因美国UL1699标准的规定对断路器的最大尺寸上又有严格要求，所以不可能通过加大体积的方法提高其灵敏度，且体积也不能再小，无法用于安装空间较小的地方，目前的这类断路器明显存在体积大、成本高、灵敏度低、适用范围窄等难以克服的缺陷。还有它只对火线与金属外壳间的电弧进行保护，而不能保护中线与金属外壳间的电弧。

发明内容

本发明的目的在于为了克服上述现有技术中的不足之处，设计一种结构简单合理、体积小、成本低、工作可靠、灵敏度高且能够精确调整电弧电流值、适用范围宽、对电缆火线和/或电缆中线的电弧均能有效保护的电源电缆的电弧保护装置。

本发明的电源电缆的电弧保护装置，用于串接在电源和与负载连接的电缆之间，其结构主要是在包括电弧探测部分和电源断路部分的基础上，用一根外径较细的电弧探测导线代替火线和中线作电弧探测部分中电流互感器的初级线圈，使体积大和灵敏度低等突出问题得以很好的解决。所述的电弧探测部分由电弧探测导线、磁环、及电阻R1和R2组成，所述电阻R1与电缆中线连接，电阻R2与电缆火线连接，电阻R1和R2的另一端与电弧探测导线连接，电弧探测导线的另一端从磁环穿过或在磁环上缠绕数圈而形成电流互感器的初级线圈后与电缆的金属防护套连接，电流互感器的次级线圈与电源断路部分的信号输入端连接，当电流互感器次级线圈的感应电流超过设定值时经电源断路部分将串接在电源与电缆之间的开关K1和K2断开。

为了便于定期或不定期的检查该装置的可靠性，可增设由测试导线和按钮开关K3及电阻R3组成的用于随时检查电源断路部分的电路测试部分，所述电阻R3与按钮开关K3和测试导线串联后连接在电缆火线与电缆中线之间，其中的测试导线从磁环穿过或在磁环上缠绕数圈而形成电流互感器的测试线圈，。

还可增设电压保护电路和指示电路，所述电压保护电路为连接在电缆火线与电缆中线之间的压敏电阻RV1，指示电路包括电阻R4、发光二极管LED及二极管D1，所述发光二极管LED与二极管D1反向并联后经电阻R4连接电缆火线与电缆中线之间。

对于电源断路部分可选用漏电保护集成电路，其结构包括串接在电源与电缆的火线和中线之间的开关K1和K2及漏电保护集成电路U1、螺线管线圈组件SOD、可控硅SCR、二极管D2、电阻R5-R6、电容C1-C6及开关K1和K2的复位按钮RESET，所述漏电保护集成电路U1的信号输入端与电流互感器的次级线圈连接，漏电保护集成电路U1的信号输出端与可控硅SCR门极连接，可控硅SCR的阴极和阳极与螺线管线圈串联后连接在电缆火线与电缆中线之间，当电流互感器的初级线圈有电弧电流并达到设定值时，电流互感器次级线圈的感应输出信号被漏电保护集成电路放大后触发可控硅导通，为螺线管线圈提供工作电流，使开关K1和K2断开，将电缆与电源断开。

本发明的优点在于：电路简单，电路采用金属防护套悬浮采样保护，对电缆火线与金属防护套之间产生的电弧和/或中线与金属防护套之间产生的电弧都能够实时进行有效的保护。由于只用了一根较细的电弧探测导线穿过电流互感器，因此，电流互感器体积很小，成本低，还可以很宽松地改变或调节电弧探测导线绕在电流互感器铁心上的圈数，从而可以精确地调节响应在电缆火线或中线与金属防护套之间电弧的灵敏度；由于对电弧电流的探测是通过电流互感器的次级线圈感应磁通流的变化来实现，而不是电弧电流直接触发电路开启装置，这种对电弧电流的探测方法大大提高了电路断路驱动装置尤其是可控硅的安全性，有效地防止了因电缆火线和/或电缆中线与电缆金属保护套之间发生电弧而引起火灾的发生。是一种适用范围宽的电源电缆的电弧保护装置。

附图说明

附图1是本发明中的一种基本电路示意图；

附图2是本发明中的一种改进电路示意图；

附图3是在本发明的电路断路驱动装置中使用漏电保护集成电路的一种电路示意图。

具体实施方式

参见附图1，图中的1是电源火线，2是电源中线，3是电缆火线，4是电缆中线，5是电弧探测导线，6是电缆，7是电缆的金属防护套，8是地线，9是电流互感器的磁环，10是电流互感器次级线圈，11是壳体，12是电路断路驱动装置。该基本电路包括电弧探测部分和电源断路部分组成，所述的电弧探测部分由电弧探测导线5、磁环9、及电阻R1和R2组成，所述电阻R1与电缆中线4连接，电阻R2与电缆火线1连接，电阻R1和R2的另一端与电弧探测导线5连接，电弧探测导线5的另一端从磁环9穿过或在磁环9上缠绕数圈而形成电流互感器的初级线圈后与电缆的金属防护套7连接，电流互感器的次级线圈10与电源断路部分12的信号输入端连接，双断路开关的一路开关K1串接在电源火线1与电缆火线3之间、另一路开关K2串接在电源中线2与电缆中线4之间，当电流互感器次级线圈的感应电流超过设定值时经电源断路部分将串接在电源与电缆之间的开关K1和K2断开。使电缆6不会因电缆火线3和/或电缆中线4与金属防护套7发生电弧时被击穿而烧坏甚至引发火灾。

为了便于定期或不定期的检查该装置的可靠性，可增设由测试导线13和按钮开关K3及电阻R3组成的电路测试部分，所述电阻R3与电缆火线3连接，电阻R3另一端经按钮开关TEST与测试导线13的一端连接，测试导线13的另一端穿过电流互感器9形成测试线圈后与电缆中线4连接。还可增设有电压保护电路和指示电路，所述电压保护电路为连接在电缆火线3与电缆中线4之间的压敏电阻RV1，指示电路包括电阻R4、发光二极管LED及二极管D1，所述电阻R3与按钮开关K1和测试导线串联后连接在电缆火线与电缆中线之间，其中的测试导线从磁环穿过或在磁环上缠绕数圈而形成电流互感器的测试线圈。其结构如图2所示。通过发光二极管LED指示电路工作状态，采用压敏电阻RV1防止和吸收浪涌电压，通过二极管D1和电阻R4对LED进行保护。

在电弧发生之前，电流互感器9因电弧探测导线5无电流而使初级线圈无电弧电流，也就形不成磁通，电流互感器处于待命状态。当火线3与金属防护套7之间出现电弧时，火线3通过电阻R2流经电弧探测导线5和由它所形成的初级线圈到金属防护套7而构成回路，这时电流互感器上产生的磁通流将被次级线圈10探测到，然后触发电路断路驱动装置12，使连动的断路开关K1和K2断开，切断电源的供给。当中线4与金属防护套7之间出现电弧时，中线4通过电阻R1流经电弧探测导线5和由它所形成的初级线圈到金属防护套7而构成回路，这时电流互感器上同样也产生的磁通流将被次级线圈10探测到，然后触发电路断路驱动装置12，使连动的断路开关K1和K2断开，切断电源的供给。当火线和中线与金属防护套之间均出现电弧时，同样使K1和K2断开，切断电源供给。

本电路对电弧电流灵敏度的响应能够精确合理地控制。通过调整电弧探测导线5缠绕在电流互感器铁芯上所形成一个初级线圈的匝数和串联电阻R1、R2的阻值，使电弧保护的电弧电流的大小调到一个合理的值，当火线3与金属防护套7之间产生的电弧或中线4与金属防护套7之间产生的电弧超过规定值时，在电流互感器9上就会产生一个不平衡，这时电流互感器次级线圈10就会产生一个跳闸信号而触发电路断路驱动装置12使开关K1和K2断开电源与电缆及负载的连接。

比如电源电压为120V时，设定电阻R2为30千欧姆，电弧探测导线5在电流互感器9的铁芯上绕1匝，则电弧电流为4毫安，也就是说只要在火线与金属防护套之间有大于等于4毫安的电弧电流，电路断路驱动装置12就会动作而切断电源。如电阻R2为60千欧姆，绕2匝，则电弧电流为2毫安时跳闸，同理在中线与金属防护套之间产生电弧时只要改变电弧探测导线5在电流互感器铁芯上的匝数和电阻R1的阻值就能调节和控制电弧电流的大小。

又如电源电压为220V时，设定电阻R2为60千欧姆，电弧探测导线5在电流互感器的铁芯上绕1匝，则电弧电流大约为3.6毫安，也就是说只要在火线与金属防护套之间有大于等于3.6毫安的电弧电流，电路断路驱动装置12就会动作而切断电源。如电阻R2为120千欧姆，绕2匝，则电弧电流大约为1.8毫安时跳闸，同理在中线与金属防护套之间产生电弧时只要改变电弧探测导线5在电流互感器1铁芯上的匝数和电阻R1的阻值就能调节和控制电弧电流的大小。

测试电路中的测试导线13穿过电流互感器并串接一模拟电阻R3和按钮开关K3后接在火线3和中线4之间，是模拟电弧探测导线5穿过电流互感器后串接一电阻R1或电阻R2时对电弧电流的检测，其原理其同上，目的是可以定期或不定期地对电路开启装置的可靠性进行检查。在这里测试导线13与模拟电阻R3的作用同电弧探测导线5与电阻R1或电阻R2相同。穿过电流互感器的测试导线13也相当于形成一个初级线圈。通过改变其绕在电流互感器的铁芯上的匝数和模拟电阻R3的阻值，可以模拟响应在火线与金属防护套之间的电弧对电路的影响。

图3是对图1或图2中的电路断路驱动装置12所使用的一种实施例的电路示意图。其电路包括漏电保护集成电路U1、螺线管线圈组件SOD、可控硅SCR、二极管D2、电阻R5-R6、电容C1-C6及复位按钮Reset，所述漏电保护集成电路U1的第1脚与电流互感器次级线圈的一端连接、第2脚经电阻R6与电流互感器次级线圈的另一端连接，电阻R5和电容C1并联在电流互感器次级线圈的两端，漏电保护集成电路U1的第3脚与电容C2-C5和电缆中线及可控硅SCR阴极连接，电容C2另一端U1第1脚连接，C3另一端与U1第7脚和可控硅SCR门极及C6连接，C4另一端与U1第4和第5脚连接，C5另一端与U1第8脚和电阻R7连接，C6另一端与U1第6脚连接，R7另一端接二极管D2负极，二极管D2正极和可控硅阳极与螺线管线圈SOD连接，螺线管线圈SOD另一端与电缆火线连接。

当插头插入插座后，只要按下复位按钮Reset，电源接通，负载工作。漏电保护集成电路U1的工作电压由火线L、螺线管线圈SOL加到二极管D2半波整流、电阻R7降压，电容C5滤波，给漏电保护集成电路U1的8脚，3脚接中线，为U1的8脚和3脚提22V直流工作电压。U1可选用VG54123型漏电保护集成电路。由于U1的所需工作电流很小，所以流经螺线管线圈SOL的电流也很小，螺线管线圈中的铁芯不动作。在电弧发生之前，穿过电流互感器的电弧探测导线所形成的初级线圈中无电流，电流互感器中无磁通，这时电路断路驱动装置处于待命状态。

当火线L对金属防护层有电弧电流时，电弧电流从金属防护层经过电弧探测部分的缠绕在电流互感器铁芯上的电弧探测导线所形成的初级线圈，然后再经电阻R2到火线而构成回路，这时电流互感器上产生的磁通流将被电流互感器次级线圈探测到，所感应出的信号经次级线圈的一端加到漏电保护集成电路U1的1脚，另一端经电阻R6加到U1的2脚，C1和R5并联在次级线圈的两端，其中C1是谐振电容，可以调整输入信号的幅度，R5是负载电阻，可以调整漏电动作电流的大小，电阻R6起阻抗匹配作用。C2是滤波电容，交流旁地。U1是由差分放大器、闩锁电路和稳压电路组成。差分放大器4脚输出与一个外接电容C4相结合，将信号放大，并连接到闩锁电路的输入端5脚，在输入端5脚电压达到规定值前，闩锁电路输出端7脚一直保持低电平，当电弧探测导线所形成的初级线圈检测出的电弧电流大于规定值1.2mA时，(设定电弧探测导线在电流互感器铁芯上绕一匝可以检测出6mA的电弧电流，则绕五匝可以检测出1.2mA的电弧电流)，这时输出变高，与闩锁电路相连的内电路从7脚输出驱动信号，C6滤波来抑制噪声，驱动信号经流C3滤波，加到单向可控硅SCR的门极(大约为0.3～0.5mA的驱动电流)，SCR被触发导通，驱动电流从火线L、螺线管线圈SOL、单向可控硅SCR的阳极A、阴极K到中线而构成回路，SCR可选项用BT169D型单向可控硅，使螺线管线圈SOL获得大的正常工作电流，螺线管线圈中的铁芯在磁场力的作用下向前运动，顶开脱扣机构，从而断开火线开关K1和中线开关K2，停止经电缆向负载供电。重新工作时，只要按下复位开关Reset，即可恢复通电状态。其中U1的8脚和3脚是电源端，工作电压范围宽，8脚所接的电阻R7，可以通过改变其阻值来确定对U1的供电电压。

当中线N对金属防护层有电弧电流时，电弧电流从金属防护层经过电弧探测部分的缠绕在电流互感器铁芯上的电弧探测导线所形成的初级线圈，然后再经电阻R1与中线构成回路。这时电流互感器上产生的磁通流将被电流互感器次级线圈探测到，电路断路驱动装置部分的工作原理同上。

可控硅SCR的阳极与阴极之间并联有压敏电阻RV2，用于防止和吸收浪涌电压而保护可控硅。

Claims (5)

1、一种电源电缆的电弧保护装置，串接在电源和与负载连接的电缆之间，包括电弧探测部分和电源断路部分，其特征在于电弧探测部分由电弧探测导线、磁环、及电阻R1和R2组成，所述电阻R1与电缆中线连接，电阻R2与电缆火线连接，电阻R1和R2的另一端与电弧探测导线连接，电弧探测导线的另一端从磁环穿过或在磁环上缠绕数圈而形成电流互感器的初级线圈后与电缆的金属防护套连接，电流互感器的次级线圈与电源断路部分的信号输入端连接，当电流互感器次级线圈的感应电流超过设定值时经电源断路部分将串接在电源与电缆之间的开关K1和K2断开。

2.如权利要求1所述的电源电缆的电弧保护装置，其特征在于还包括由测试导线和按钮开关K3及电阻R3组成的用于随时检查电源断路部分的电路测试部分，所述电阻R3与按钮开关K3和测试导线串联后连接在电缆火线与电缆中线之间，其中的测试导线从磁环穿过或在磁环上缠绕数圈而形成电流互感器的测试线圈，。

3.如权利要求2所述的电源电缆的电弧保护装置，其特征在于还包括有电压保护电路和指示电路，所述电压保护电路为连接在电缆火线与电缆中线之间的压敏电阻RV1，指示电路包括电阻R4、发光二极管LED及二极管D1，所述发光二极管LED与二极管D1反向并联后经电阻R4连接电缆火线与电缆中线之间。

4.如权利要求1或2或3所述的电源电缆的电弧保护装置，其特征在于电源断路部分包括串接在电源与电缆的火线和中线之间的开关K1和K2及漏电保护集成电路U1、螺线管线圈组件SOD、可控硅SCR、二极管D2、电阻R5-R6、电容C1-C6及开关K1和K2的复位按钮RESET，所述漏电保护集成电路U1的信号输入端与电流互感器的次级线圈连接，漏电保护集成电路U1的信号输出端与可控硅SCR门极连接，可控硅SCR的阴极和阳极与螺线管线圈串联后连接在电缆火线与电缆中线之间，当电流互感器的初级线圈有电弧电流并达到设定值时，电流互感器次级线圈的感应输出信号被漏电保护集成电路放大后触发可控硅导通，为螺线管线圈提供工作电流，使开关K1和K2断开，将电缆与电源断开。

5.如权利要求4所述的电源电缆的电弧保护装置，其特征在于所述可控硅SCR的阳极与阴极之间并联有压敏电阻RV2。