CN1719858A - 一种远供电源触电保护系统及其触电保护方法 - Google Patents

一种远供电源触电保护系统及其触电保护方法 Download PDF

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CN1719858A CN 200510035684 CN200510035684A CN1719858A CN 1719858 A CN1719858 A CN 1719858A CN 200510035684 CN200510035684 CN 200510035684 CN 200510035684 A CN200510035684 A CN 200510035684A CN 1719858 A CN1719858 A CN 1719858A
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Abstract

本发明涉及一种远供电源触电保护系统及其保护方法，为解决现有技术中通过比较局端与远端电流差值来实现触电保护所存在的成本较高、容易引起误保护等问题，本发明中，针对远端：在远端负载的输入电源被接通达到预定的接通时长(Ton)后，将输入电源断开，在断开达到预定的断开时长(Toff)后，再将输入电源接通，如此反复；在输入电源被断开期间则由储能电路为远端负载提供临时电源。针对所述局端：检测从局端送到远端的输出电流，并判断在输入电源每一次被断开期间所述输出电流是否大于预定的基准电流，如果是则断开所述输出电源，否则保持所述输出电源的接通状态。本发明系统和方法具有触电保护的反应时间短、检测精度高、实现成本极低、简单可靠等优点。

Description

一种远供电源触电保护系统及其触电保护方法
技术领域
本发明涉及电信网络中的远距离供电技术，更具体地说，涉及一种用于电信网络的远供电源触电保护系统及其触电保护方法。
背景技术
如图1所示，远供电源，就是利用电信网络从局端向远端传输供远端设备使用的工作电源，因为其传送距离较远，所以需要较高的电压才能传送足够的电源功率，通常是200～400V的直流电。这个电压的直流电对人体是有危险的，如果操作者同时触摸到电源正、负两极，则可能造成触电死亡等事故。因此需要采取适当的保护措施，现有技术中的保护方法是比较局端输出电流Iup与远端输入电流Idown之间的差值，正常情况下两者的差值应为零；如果两者的差值超过一定值(例如50mA)，则表示可能发生了人体触电事故(触电时的电流从正极直接经人身流向负极，未流经负载)，此时快速切断局端的输出电压，以保护触电者。这种保护方法存在以下几点不足：
(1)、通常情况下，局端输出的负载电流最大可达1安培甚至更大，而触电保护需要检测的电流差值只有几十毫安，相对于正常的负载电流来说几乎可以忽略不计，要在大部分负载条件下分辨出几十毫安的电流差值是很困难的，通常需要采用很高精度的传感器，成本较高，而且实际使用中也常因检测误差而产生误保护；
(2)、局端和远端之间通常相距几公里，在比较局端与远端之间的电流差值时，需将远端采集到的电流值通过高速通信方式传送到局端，其传送时间应低于触电者能够承受高压的时间(几毫秒到几十毫秒)。在现有的技术，要实现这一目的需要很高的成本，同时存在很大的风险，例如在通信中断或者产生误码时，则可能无法实现正常保护、或者会产生误保护。
(3)、在比较局端与远端之间的电流差值时，需要比较的是同一时刻的电流，如果不是同一时刻的电流，那么极可能因负载的变化而引起电流的随时变化，从而容易引起误保护。因此，需在局端和远端之间采取适当的同步措施，以确保所比较的是在同一时刻采集到的电流值。要实现这一目的也会使得设备复杂、成本增加。
(4)、在局端接通电源启动的过程中，为了尽快达到预定的输出电压值，负载电流的上升率通常很大，这样可能出现来不及将远端电流采样上报局端而局端输出电流就已经发生了变化的情况，从而导致出现误保护。为了避免这种误保护，现有技术中通常是在电源启动阶段屏蔽触电保护功能，等到负载电流稳定之后再启动触电保护功能，这样一来，在启动阶段就存在不能保护的死区。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决现有技术中通过比较局端与远端电流差值来实现触电保护所存在的成本较高、容易引起误保护等问题，以提供一种成本低而准确度高的触电保护方案。
为解决上述技术问题，本发明首先提供一种远供电源触电保护方法，其中由局端向远端传输直流电，其中，
针对所述远端：在远端负载的输入电源被接通达到预定的接通时长(Ton)后，将所述输入电源断开，在断开达到预定的断开时长(Toff)后，再将所述输入电源接通，如此反复；在所述输入电源被断开期间则由储能电路为远端负载提供临时电源；
针对所述局端：检测从局端送到远端的输出电流，并判断在所述输入电源每一次被断开期间所述输出电流是否大于预定的基准电流，如果是则断开所述输出电源，否则保持所述输出电源的接通状态。
在本发明所述的方法中，所述远端与局端之间可以独立运作，此时，针对所述局端：可每隔一个预定的扫描间隔(Tscan)判断一次所述输出电流是否大于所述基准电流，并以所述接通时长(Ton)加上断开时长(Toff)之和作为一个周期，判断在每一个周期结束时所述输出电流大于所述基准电流的次数是否大于第一预定次数，如果是则断开所述输出电源，否则保持所述输出电源的接通状态。
在本发明所述的方法中，所述远端与局端之间可通过同步信号关联运作，此时，针对所述远端：在每一次断开所述输入电源的同时，还向所述局端发送一个同步信号；针对所述局端：所述局端在收到所述同步信号之后的一段等于所述断开时长(Toff)的时间内，每隔一个预定的扫描间隔(Tscan)判断一次所述输出电流是否大于所述基准电流，如果在所述断开时长(Toff)的时间内所述输出电流大于基准电流的次数大于第二预定次数，则断开所述输出电源，否则保持所述输出电源的接通状态；其他时间则保持所述输出电源的接通状态。
在本发明所述的方法中，以所述接通时长(Ton)加上断开时长(Toff)之和作为一个周期，所述接通时长(Ton)在一个周期的比值为50％～99.9％。
另外，本发明还提供一种远供电源触电保护系统，其中由局端向远端传输直流电，
在所述远端设有用于按预定的接通时长(Ton)和断开时长(Toff)周期性地接通/断开远端负载的输入电源的远端开关电路，以及连接于所述远端开关电路与远端负载之间的电源线上、用于在所述输入电源被断开时为远端负载提供临时电源的储能电路；
在所述局端设有用于检测从局端送到远端的输出电流值的电流采样电路，以及局端开关电路，所述局端开关电路根据所述电流采样电路的输出结果在所述输入电源被断开期间是否大于预定的基准电流，来确定是否断开由局端送到远端的输出电源。
在本发明所述的系统中，当所述远端与局端之间独立运作时，所述远端开关电路中包括串接于所述电源线上的远端电控开关，用于按预定的接通时长(Ton)和断开时长(Toff)周期性地控制所述远端电控开关的接通/断开的远端控制电路，以及连接于所述电控开关与局端之间的电源线上、用于为整个远端开关电路提供工作电源的辅助电源电路。所述局端开关电路中包括串接于所述电源线上的局端电控开关，以及用于控制所述局端电控开关的接通/断开的局端控制电路；所述局端控制电路每隔一个预定的扫描间隔(Tscan)判断一次所述输出电流是否大于所述基准电流，并以所述接通时长(Ton)加上断开时长(Toff)之和作为一个周期，判断每一个周期结束时所述输出电流大于所述基准电流的次数是否大于第一预定次数，如果是则断开所述局端电控开关，否则保持所述局端电控开关的接通状态。
在本发明所述的系统中，当所述远端与局端之间关联运作时，所述远端开关电路中还包括与所述远端控制电路连接、用于在每一次断开所述远端电控开关的同时向所述局端开关电路发出一个同步信号的同步信号发送电路；所述局端开关电路中包括串接于所述电源线上的局端电控开关，以及用于根据所述局端电控开关的接通/断开的局端控制电路；所述局端控制电路在收到所述同步信号之后的一段等于所述断开时长(Toff)的时间内每隔一个预定的扫描间隔(Tscan)判断一次所述输出电流是否大于所述基准电流，如果在所述断开时长(Toff)的时间内所述输出电流大于基准电流的次数大于第二预定次数，则断开所述局端电控开关，否则保持其接通状态，其他时间则保持所述局端电控开关的接通状态。
在本发明所述的系统中，所述局端开关电路中可以还包括用于设置模拟式基准电流的基准值设置电路以及，用于将所述电流采样电路检测所得的输出与所述基准值设置电路的输出进行比较的比较电路，所述比较电路的输出端连接到所述局端控制电路。
在本发明所述的系统中，所述局端开关电路中可以还包括用于对所述电流采样电路的输出进行模-数转换的模-数转换器，以及用于存储数字式基准电流的基准电流存储器；所述模-数转换器和基准电流存储器的分别连接到所述局端控制电路。
在本发明所述系统中的储能电路最好为接于所述电源线正、负极之间的储能电容。
由上述方案可知，本发明具有以下优点：
(1)触电保护的反应时间短，该反应时间最长为一个比较周期，最短为一次扫描时间。
(2)检测精度高，与现有技术相比，由于在输入电源被关断期间的输出电流近似为0，而本方案中是将最大允许触电电流与预定基准电流(例如50mA)进行比较，这种触电保护方式可以满足IEC60479中要求的DC-2级防护。
(3)整个触电保护可以在远端负载的起机、空载、满载、动态负载等各种条件下实现保护，不受远端负载的状态所影响，没有不能保护的死区。
(4)实现成本极低，硬件上不需要使用昂贵的高精度电流传感器。
(5)实现器件少，简单可靠。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是局端至远端的电源线上发生了触电事故时的示意图；
图2是本发明一个优选实施例中的远供电源触电保护系统的原理图；
图3是图2中所示远端开关电路的工作流程图；
图4是图2中所示局端开关电路的工作流程图；
图5是人体流过不同电流所需要达到反应的时间关系示意图；
图6本发明另一个优选实施例中的远供电源触电保护系统的原理图；
图7是图6中所示局端开关电路的工作流程图；
图8是图6中所示远端的输入电源与及其发出的同步信号的波形图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例如图2和图3所示，从图中可以看出，在远端负载的前面增设了一个储能电路，并增设了相应的远端开关电路。其中的储能电路可由适当容量的储能电容组成，在输入电源接通期间电容被充电，在输入电源断开期间，则由电容放电而为远端负载提供临时电源。
从图2中可以看出，远端开关电路中包括远端CPU、受其控制的远端电控开关、以及为整个远端开关电路提供工作电源的辅助电源电路。其中远端电控开关串接于储能电路与局端之间的电源线上。而辅助电源电路则连接于远端电控开关之前的电源线上，即使远端电控开关断开，它也可从电源线上获取输入电源。
从图2中可以看出，局端开关电路中包括局端CPU、电流采样电路、基准值设置电路、用于对采样所得电流值与基准电流进行比较的比较电路、以及局端电控开关。本实施例中，如果采样所得电流大于基准电流，则比较电路输出高电平，反之则输出低电平。其中的比较电路、基准设置电路也可以通过软件方式，利用局端CPU来实现上述功能。
本实施例中，远端电控开关的接通时长Ton为50mS，断开时长Toff为5mS，基准电流为50mA。在远端电控开关断开期间，如果局端与远端之间发生人体触电事故，因触电电流通常大于50mA，所以比较电路会输出高电平；如果没有触电事故、也没有其他异常，则输出电源的电流应近似为0，所以比较电路会输出低电平。在远端电控开关接通期间，因负载的工作电流必定高于50mA，所以会一直输出高电平。本实施例中，CPU就是通过能比较电路输出的电平高低来判断是否有人触电。
当局端向远端正常输出电源时，远端开关电路按如图3所示流程工作，先接通远端负载的输入电源，并在接通时长Ton达到50mS之后断开输入电源，在断开时长Toff达到5mS之后，再次接通输入电源，如此反复。
局端开关电路则按图4所示流程工作，其中，局端CPU每隔1mS扫描一次比较电路的输出信号电平，每一周期为55mS，需扫描55次。开始工作后，如果比较电路的输出为高电平，则将高平次数加1，并继续扫描；如果为低电平，则不加1，并继续扫描；在扫描次数达到55次后，再检查总的高电平次数是否大于54(第一预定次数)，也就是要求在输入电源被断开期间有5个高电平，如果不大于54次则视为没有发生触电事故，此时需将扫描次数和高电平数次分别清零，然后开始下一周期的扫描。如果高电平次数大于54次，则视为发生了触电事故，此时应立即断开局端输出电源，也就是切除高压输出，等待事故处理完之后，才能再次接通输出电源。
具体实施时，由接通时长(Ton)加上断开时长(Toff)之和形成的开关周期的选择，由产品需要达到的触电保护反应时间决定，也就是从达到触电电流到设备切断高压输出的时间。而反应时间又根据流过人体的电流大小而定。如图6所示是取自IEC60479标准的人体流过不同电流所需要达到的反应时间，其中DC-1和DC-2对人体没有影响，DC-3和DC-4对人体有伤害。DC-1标准要求流过人体电流＜2mA则通常很难实现，因此达到DC-2标准是工程上可能实现的。下表列出了不同直流电压下95％的人群的人体电阻参考数值。
    电压(V)   人体阻值(欧姆)
    2550751001252207001000     88005300400034003000212515501500
从图6中可以看出，要达到DC-2标准，要求流过人体的电流小于25mA，如果电流在25mA～200mA之间，则要求触电保护反应时间在2000mS～10mS之间。根据以上分析，我们认为开关周期根据输出电压等级选在2000mS～10mS比较合适，具体是根据图6并参考上图，将不同直流电压下人体阻抗的大小换算成相应的电流值而得。由前述可知，本实施例中，基准电流取为50mA，而开关周期取为55mS。
其中的接通时长、断开时长、以及基准电流可根据需要作适当的调整，占空比(接通时长与一个周期的比值)的选择会影响局端传输电源功率的能力，在同样的局端输出电压、同样的线路阻抗、同样的传输功率的条件下，占空比越大则传输距离越远。举例说明，当局端电压为200V、传输功率为10W、传输阻抗为296欧姆/每公里、占空比为99.9％时，可以传送大约3.3公里；当局端电压为396V为、传输功率为10W、传输阻抗为296欧姆/每公里、占空比为50％时，同样可以传送3.3公里，但此时输出电压要大得多。工程上50％～99.9％的占空比都是可行的，占空比太小传输效率很低，只能通过提高电压或者并联更多的传输电缆来解决，这样都会增加成本。同样，占空比过高时，例如大于99.9％，会造成远端负载输入电源被关断的时间太短，也就是减少了局端的有效检测时间，这对局端输出电流采样处理的速度提出很高的要求，举例说明，如果开关周期为2S，占空比大于99.9％，则关断时间将小于2mS。
由图4所示流程可知，这种方案触电保护的反应时间在5～59mS之间，根据触电保护发生的时刻不同，如果在扫描次数达到到50时发生触电，则会在5mS后断开输出电源；如果在扫描次数为0时发生触电，则要在55mS后才会断开输出电源；如果在扫描次数达到到51时发生触电，则需在下一周期结束，也就是在59mS后断开输出电源。具体实施时，其中的接通时长、断开时长、以及基准值可根据需要作适当的调整。
具体实施时，如果将第一预定次数设为50，则可以进一步缩小触电保护的反应时间，因为此时在输入电源被断开期间只要有一个高电平就视为发生了触电，其负面影响是反应过于灵敏，可能会引起误保护。所以第一预定次数最好大于51，本实施例中等于54。
本发明的另一个优选实施例如图6所示，从图中可以看出，与上一实施例相比，在远端开关电路中增设了一个同步信号发送电路，它受远端CPU控制，如图8所示，它可在断开远端电控开关的同时，向局端CPU发出一个适合长距离传输的正弦波或者方波等同步信号，该同步信号可通过电源线回传，也可通过其他信号线传到局端CPU，其中也有辅助电源电路，但未画出。
从图6中可以看出，与上一实施例相比，局端开关电路中增设了一个模-数(A-D)转换器和一个基准电流存储器，并省去了比较电路和基准值设置电路。其中，A-D转换器将采样所得的模拟电流值转换为数字电流值后输入局端CPU，然后由局端CPU将其与存储器中预存的基准电流进行比较。该模-数(A-D)转换器可以是集成在CPU中的，基准值存储器也可以通过软件方式，用局端CPU来完成其功能。
本实施例中，远端开关电路同样按图3所示的流程工作，区别在于，在断开输入电源的同时，会向局端CPU发出一个同步信号，也就是让局端CPU可知道远端是何时断开其输入电源的，从而让局端CPU可以做到只在远端电控开关断开期间才将采样电流与基准电流进行比较。
如图7所示，在收到同步信号之后，局端CPU按适当的扫描间隔(例如1mS)和周期(应等于断开时长，例如5mS)执行将采样电流与基准电流进行比较的动作，针对每一个比较，如果采样电流大于基准电流，则将判断次数加1，再看判断次数是否大于第二预定次数，本实施例中第二预定次数为4，也就是说，要求在输入电源被断开期间的5次比较中采样电流都大于基准电流，才视为发生了触电事故，此时需立即断开局端输出电源。如果不满足上述条件，则保持输出电源的接通状态。在整个断开时长期间反复执行上述比较动作，直至收到同步信号后的时长达到断开时长，则停止上述比较动作，并在收到下一个同步信号之后再次重复上述步骤。同样，如果将第二预定次数设为较小的值，例如设为1，则可以减小触电保护的反应时间，不过也存在反应过于灵敏的问题。所以第二预定次数最好大于1，本实施例中等于4。
本实施例中的同步信号发送会增加系统成本，但局端CPU不用一直执行上述比较动作，而只在收到同步信号之后的断开时长内进行比较，从而可以减轻局端CPU的负担。

Claims (12)

1、一种远供电源触电保护方法，其中由局端向远端传输直流电，其特征在于，
针对所述远端：在远端负载的输入电源被接通达到预定的接通时长(Ton)后，将所述输入电源断开，在断开达到预定的断开时长(Toff)后，再将所述输入电源接通，如此反复；在所述输入电源被断开期间则由储能电路为远端负载提供临时电源；
针对所述局端：检测从局端送到远端的输出电流，并判断在所述输入电源每一次被断开期间所述输出电流是否大于预定的基准电流，如果是则断开所述输出电源，否则保持所述输出电源的接通状态。
2、根据权利要求1所述的远供电源触电保护方法，其特征在于，
针对所述局端：每隔一个预定的扫描间隔(Tscan)判断一次所述输出电流是否大于所述基准电流，并以所述接通时长(Ton)加上断开时长(Toff)之和作为一个周期，判断在每一个周期结束时所述输出电流大于所述基准电流的次数是否大于第一预定次数，如果是则断开所述输出电源，否则保持所述输出电源的接通状态。
3、根据权利要求1所述的远供电源触电保护方法，其特征在于，
针对所述远端：在每一次断开所述输入电源的同时，还向所述局端发送一个同步信号；
针对所述局端：所述局端在收到所述同步信号之后的一段等于所述断开时长(Toff)的时间内，每隔一个预定的扫描间隔(Tscan)判断一次所述输出电流是否大于所述基准电流，如果在所述断开时长(Toff)的时间内所述输出电流大于基准电流的次数大于第二预定次数，则断开所述输出电源，否则保持所述输出电源的接通状态；其他时间则保持所述输出电源的接通状态。
4、根据权利要求2或3所述的远供电源触电保护方法，其特征在于，以所述接通时长(Ton)加上断开时长(Toff)之和作为一个周期，所述接通时长(Ton)在一个周期的比值为50％～99.9％。
5、根据权利要求4所述的远供电源触电保护方法，其特征在于，所述接通时长(Ton)为50毫秒，所述断开时长(Toff)为5毫秒，所述扫描间隔(Tscan)为1毫秒，所述第一预定次数为54次，所述第二预定次数为4次。
6、一种远供电源触电保护系统，其中由局端向远端传输直流电，其特征在于，
在所述远端设有用于按预定的接通时长(Ton)和断开时长(Toff)周期性地接通/断开远端负载的输入电源的远端开关电路，以及连接于所述远端开关电路与远端负载之间的电源线上、用于在所述输入电源被断开时为远端负载提供临时电源的储能电路；
在所述局端设有用于检测从局端送到远端的输出电流值的电流采样电路，以及局端开关电路，所述局端开关电路根据所述电流采样电路的输出结果在所述输入电源被断开期间是否大于预定的基准电流，来确定是否断开由局端送到远端的输出电源。
7、根据权利要求6所述的远供电源触电保护系统，其特征在于，所述远端开关电路中包括串接于所述电源线上的远端电控开关，用于按预定的接通时长(Ton)和断开时长(Toff)周期性地控制所述远端电控开关的接通/断开的远端控制电路，以及连接于所述电控开关与局端之间的电源线上、用于为整个远端开关电路提供工作电源的辅助电源电路。
8、根据权利要求7所述的远供电源触电保护系统，其特征在于，所述局端开关电路中包括串接于所述电源线上的局端电控开关，以及用于控制所述局端电控开关的接通/断开的局端控制电路；所述局端控制电路每隔一个预定的扫描间隔(Tscan)判断一次所述输出电流是否大于所述基准电流，并以所述接通时长(Ton)加上断开时长(Toff)之和作为一个周期，判断每一个周期结束时所述输出电流大于所述基准电流的次数是否大于第一预定次数，如果是则断开所述局端电控开关，否则保持所述局端电控开关的接通状态。
9、根据权利要求7所述的远供电源触电保护系统，其特征在于，
所述远端开关电路中还包括与所述远端控制电路连接、用于在每一次断开所述远端电控开关的同时向所述局端开关电路发出一个同步信号的同步信号发送电路；
所述局端开关电路中包括串接于所述电源线上的局端电控开关，以及用于根据所述局端电控开关的接通/断开的局端控制电路；所述局端控制电路在收到所述同步信号之后的一段等于所述断开时长(Toff)的时间内每隔一个预定的扫描间隔(Tscan)判断一次所述输出电流是否大于所述基准电流，如果在所述断开时长(Toff)的时间内所述输出电流大于基准电流的次数大于第二预定次数，则断开所述局端电控开关，否则保持其接通状态，其他时间则保持所述局端电控开关的接通状态。
10、根据权利要求8或9所述的远供电源触电保护系统，其特征在于，所述局端开关电路中还包括：
用于设置模拟式基准电流的基准值设置电路
以及，用于将所述电流采样电路检测所得的输出与所述基准值设置电路的输出进行比较的比较电路，所述比较电路的输出端连接到所述局端控制电路。
11、根据权利要求8或9所述的远供电源触电保护系统，其特征在于，所述局端开关电路中还包括用于对所述电流采样电路的输出进行模-数转换的模-数转换器，以及用于存储数字式基准电流的基准电流存储器；所述模-数转换器和基准电流存储器的分别连接到所述局端控制电路。
12、根据权利要求6所述的远供电源触电保护系统，其特征在于，所述储能电路为接于所述电源线正、负极之间的储能电容。
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