CN201327992Y - 高灵敏度剩余电流动作断路器 - Google Patents

Abstract

能检测10mA/15mA漏电电流的电子式高灵敏度剩余电流动作断路器。在绝缘外壳中，漏电动作测试机构，电磁脱扣机构，剩余电流检测电路板，跳闸机构互相配合完成切断漏电线路的功能。使用以特定IC芯片为主的电路与灵敏的零序电流互感器配合精确检测供电线路中剩余电流，用可控硅或放大电路驱动电磁线圈，触发跳闸机构使断路器分断，来制造额定剩余动作电流为10mA或15mA的符合中国供电标准和规定的剩余电流动作断路器。它能更安全、更全面(从配电箱保护，减少遗漏隐患)、成本易于控制(和电磁式漏电断路器相比)，配置灵活(根据需要来做，是否带过电流保护的，和是否剩余动作电流可调节的断路器)，为广大群众服务。

Description

高灵敏度剩余电流动作断路器

所属技术领域

本实用新型涉及高灵敏度剩余电流动作断路器(电子式)，能精确检测到线路中的剩余电流即漏电电流，在额定剩余动作电流为10mA或15mA(同一种方法)时，分断漏电线路。

背景技术

目前，我国市面上销售的剩余电流动作断路器的额定剩余动作电流为30mA，100mA，300mA，其中30mA多用于家用配电线路。据资料显示，人体通过6mA的电流时，会引起人体麻刺的感觉；通过20mA的电流，就会引起剧痛和呼吸困难了。当人体接触到220V火线时，各类鞋袜、木地板等都有一定的绝缘电阻，额外增大了“人体”的电阻，可能使触电电流小于30mA。在GB/T13870.1中3.2节介绍：对于通常的交流电，人体的摆脱阀的平均值为10mA，具体值因人体生理特征而异。即小于30mA的触电电流会使人处于危险。现在虽然有带漏电保护器的插座和插头(接插排)有售，灵敏度有的也低于30mA，但只能保护易漏电的指定的设备(接保护插排的)漏电安全，可是往往人们触电更容易发生在意想不到的地方、看似不容易触电的地方。室内插座全部安装灵敏的漏电保护器成本过高，难以接受。漏电保护插头(接插排)不能防止插头与地面墙壁插座接口处的触电。特别是有小孩(1-4岁)的家庭，孩子好奇玩耍易接触到接近地面的插座和插头接口处。要想消除安全隐患，从源头保护比较合适，如果在家用配电箱中安装10mA/15mA剩余电流动作断路器，可以保护人们免遭直接接触到火线时，或接触到漏电电器外壳时的触电。但目前市面上销售的电子式的剩余电流动作断路器，检测电路大多为分散元器件，元器件有误差，检测精度低，有的断路器内部电线多次穿绕零序电流互感器，增大了检测倍数才能检测到30mA漏电电流，再低的漏电电流要准确和稳定的检测就极其困难了。电磁式的剩余电流动作断路器虽然可以做到保护剩余电流很低，但灵敏的电磁式剩余电流动作断路器制造成本过高，价钱昂贵不能满足我国广大群众的使用需求。虽然极少数电子式的断路器检测电路用到IC芯片了，检测剩余电流最小为30mA，没能做出高灵敏度、额定剩余动作电流为10mA或15mA适合中国市场使用的断路器。

发明内容

为了克服现有的漏电保护插座、插头保护设备有限；电磁式剩余电流断路器成本过高难于普及；现有电子式剩余电流断路器分散元器件检测精度低，没能做出高灵敏度的漏电保护断路器的不足，本实用新型提供了2种(同1种方法)高灵敏度(10mA，15mA)的剩余电流动作断路器，可以更安全，更全面，更经济的保护广大群众的用电安全。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：选用灵敏的零序电流互感器检测小的漏电电流，在与零序电流互感器二次测串联的一定阻值的电阻Rx上得到一个电压降，输入给特定IC芯片，利用IC芯片的检测精度高，微小的电压就可以触发IC动作(芯片内部集成了高精度的差分放大器)的特性，带动外围电路使电磁脱扣机构线圈通电，触发跳闸机构分断漏电线路。本新型提供其中2种(同一种方法)额定剩余动作电流为10mA，15mA的断路器。为了精确可靠的检测剩余电流，本实用新型在零序电流互感器二次侧连有可引起谐振的电容Ci，一方面用于抑制非工频谐波和干扰，另一方面使感应出电流呈容性，提高响应的灵敏度。断路器的剩余电流检测电路板，有引线分别接到电磁脱扣机构、零序电流互感器、供电线路的零、火线上。供电线路电源侧和负载侧在跳闸机构处分断和闭合。零线(在三相电路中一般称中性线)和火线穿过零序电流互感器中间。当生产可变剩余电流断路器时，比如：10mA-15mA-30mA可变剩余电流。断路器检测电路内部有可变的感度降压电阻Rx或者有可变的谐振电容Ci来改变检测灵敏度。断路器外壳有可调值的拨段或旋钮来改变检测电路内部的Rx或者Ci。通过选取高精度的感度降压电阻1％或0.5％精度，确保剩余电流的精确检出。

本实用新型的有益效果是：能更安全的保护人们用电安全，从源头(配电箱)保护，减少遗漏的安全隐患，成本易于控制(和电磁式漏电断路器相比)，配置灵活，厂家可单独生产10mA，15mA高灵敏剩余电流动作断路器，也可生产可变剩余电流断路器10mA-15mA-(30mA)，能为广大群众接受。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型断路器的结构原理图。

图2是本实用新型剩余电流检测电路的一个电路原理图。

图3是本实用新型剩余电流检测电路的另一个电路原理图。

图4是本实用新型剩余电流检测电路的另一个电路原理图。

图5是本实用新型剩余电流检测电路的另一个电路原理图。

图6是本实用新型剩余电流检测电路的另一个电路原理图。

图7是本实用新型剩余电流检测电路的另一个电路原理图。

图8是本实用新型剩余电流检测电路的另一个电路原理图。

图9是本实用新型剩余电流检测电路的另一个电路原理图。

图10是本实用新型剩余电流检测电路的另一个电路原理图。

图11是本实用新型部分电路的等效变换原理图。

图中TA为零序电流互感器，ZL为整流桥，VT为可控硅，RV为压敏电阻，标出Trip coil的为电磁脱扣线圈，配电线AC侧为电源侧，LOAD为负载侧。

具体实施方式

在图1中，断路器主要是由(1)漏电动作测试机构，(2)电磁脱扣机构，(3)剩余电流检测电路板，(4)零序电流互感器，(5)跳闸机构，(6)开关外壳几部分组成。漏电测试机构是测试断路器通电时运行状况的，当按下测试按钮，开关内部零线和火线通过一个限流电阻联通，模拟一个漏电电流，测试断路器是否分断。当剩余电流检测电路检测到零序电流互感器中通过漏电电流时，给电磁脱扣机构通电，电磁脱扣机构触发跳闸机构动作，从而分断电路，保护用电安全。另外，厂家可以根据需要，在断路器另一侧加装、或不加装过电流跳闸机构，来制造带过电流保护的剩余电流动作断路器、或不带过电流保护的剩余电流动作断路器。过电流跳闸机构不是本实用新型创新范围，图中没有画出(画出的话应在断路器另一侧仓内)，厂家可用成熟的已有的过电流跳闸保护机构。

在图2中，所示是以M54123为主的检测电路，电路中供电线路穿过零序电流互感器TA中间，当线路中有剩余电流时，TA检测到后产生一个电压，电阻Rx与TA二次测连接，在Rx上产生分压Ux，IC芯片的VR和IN引脚与Rx并联，两引脚间得到Ux的电压。线路中剩余电流(漏电电流)越大，TA产生的电压也越高，当漏电电流到达一定值时，在Rx两端的电压达到了VR和IN两引脚的触发电压Vt，而且持续时间超过了一定的值，IC芯片Os引脚输出脉冲，触发可控硅VT1，使得电磁脱扣线圈Trip coil通入大电流，触发跳闸机构动作。原先电磁脱扣线圈也带电，但是较小，不能触发跳闸机构，可控硅被触发导通后流入大电流就可以了。其中D1，D2两个二极管(易用锗管)或者用集成稳压块是为了防止线路出现过大的剩余电流，导致TA产生过高的电压，击坏IC芯片。R4为保护电阻100-200Ω，防止大电流流入IN引脚。去噪电容C1，C3，为0.047μF，C4为滤波电容应至少1μF、可以略大些；C2为去偶电容至多1μF、优选0.047μF过大会延长触发动作时间。C6为旁路电容取值范围0.01～0.1μF。C7为去噪电容51pF-390pF。整流桥ZL为电路提供直流电源，脱扣线圈Trip coil、整流桥ZL和R2，C8，C5配合使在220V交流输入时，输入Vs的电压为16V(标准值)，此IC供电范围为12V-20V，R2、C8和C5为整流桥ZL提供分压其值可以变化。D3二极管为保护可控硅VT1而为其分反向电压易选1N4007反向耐压1000V。C5也是为保护VT1而分压，RV为压敏电阻，保护整个电路免遭过电压的危险。R3为测试按钮回路串联电阻，15mA/10mA的断路器R3用1.6～12kΩ的阻值，优选3.3kΩ。(本文未经特殊说明，电压，电流均为有效值，即均方根值.)

零序电流互感器TA的选取：为了精确设定额定剩余动作电流，需要注意的是，实际应用的零序电流互感器TA并不是理想元器件。对于M54123来说触发芯片的标准电压是6.1mV，在线路中达到额定剩余动作电流时，为保证Rx两端能达到6.1mV，需要得到零序电流互感器TA的实际工作参数。比如某种TA，当在通过22mA的剩余电流(50Hz工频电流)，TA的负载电阻为200Ω时，负载端电压7mV；当同样通过22mA剩余电流，TA负载电阻为1200Ω时，负载端电压为20mV。正是由于零序电流互感器有这样的非线性特征，在选用TA时，首先要参考TA生产厂家的说明书，一般的厂家都会列出零序电流互感器的参数，在不同情况下的负载端电压值或开路电压值(表或曲线图)。为了降低此种断路器的生产成本，不规定使用特定型号的零序电流互感器，可根据实际自行选取低成本易获得的TA。如果选取的TA在10mA剩余电流通过其线圈中心时，二次侧开路电压仍远小于IC的触发动作电压Vt(M54123为6.1mV)的话，就应该换更灵敏的、匝数更多的TA了。

谐振电容Ci的选取：选定零序电流互感器后，接着是与感度电阻Rx并联的电容Ci的选取。电容Ci在此实用新型中是很重要的部件，因为它解决了断路器高灵敏度与稳定性(防止误动作)的矛盾。零序电流互感器是感性元器件，当它的二次侧并联电容Ci后，TA和Ci形成并联谐振。这样对它们组成的输出端口而言，它们并联后为非感性元件。适当选取电容Ci值，使在50Hz的交流电下，和选定TA并联成的端口呈现阻性。这样可以大大提高检测灵敏度，同时对于谐波、脉冲干扰起到抑制作用。下表1为笔者用数字万用表实测在不同的剩余电流下，选取特定零序电流互感器TA、配合0.33μF的Ci和未并联电容时的开路输出电压。

剩余电流I(mA)	2.5	5	10	15	20	25	30
								未并联电容时E(mV)	3.1	5.9	11.4	16.9	22.8	28.4	34.8
并联0.33μF电容时E(mV)	26.9	57.0	188.1	262.6	312.4	349.3	359.8

表1

如表1可见TA在并联电容Ci后，检测的灵敏度大大提高。但对于不同的剩余电流I，并联电容后比并联电容前增加的检测精度的倍数是不完全相同。所以可在一定剩余电流I下，试验选取配合已选定TA检测倍数大的Ci值，这样其他信号受到了抑制。确定了并联电容值后，接下来就是感度电阻Rx的选取了。

感度电阻Rx的选取：因为TA元器件有非线性特性，为了精确选定分压电阻，即感度电阻，同样用试验法确定Rx。注意的是：流过额定剩余电流时，Rx上的电压降应为IC的触发动作电压额定值。当剩余电流一定时，TA二次侧并联Rx阻值越大，在Rx上的电压降越高，甚至在一定范围内成正比变化。调整Rx值，使在额定条件下Rx两端的电压降为所选IC的额定触发电压。Rx易选用1％误差的高精度电阻，来保证足够的检测精确度。

在图3中，所示的是以M54122和为主的剩余电流检测电路，它的外围电路及引脚和M54123相似，但IC的触发动作电压不同。M54122的触发动作电压为13.5mV，M54123触发电压为6.1mV，以上是标准状况Vs＝16V输入下的典型值。同样供给Vs引脚的电压最低12V，最高20V，过低或过高的电压会影响电路动作。零序电流互感器、Rx和Ci的选取同图2例所述。

在图4中，所示的是以M54124为主的剩余电流检测电路，同样TA检测漏电电流，D1、D2是保护二极管，R1为IN输入端保护电阻100-200Ω。M54124的触发动作电压为6.5mV(标准条件下Vs＝16V)，输入Vs电压范围12-20V。电容C2不大于1μF，C4应不小于1μF。MA，MB为时间延迟引脚，连接C1，C2电容，C1范围0.06-0.15μF、优选0.1μF，C2范围0.06-0.15μF、优选0.047μF。C1值关联IC内部检测器的接通时间：0.1μF对应65ms。C2值关联输出Trip的脉冲宽度：0.1μF对应105ms。需要说明的是，C5配合Trip coil为可控硅VT分压保护，C5值越大，VT上的分压越小。如选取高耐压的VT，C5可省略。选取的可控硅VT的dv/dt(断态电压临界上升率)应尽量的高，这样可以避免电路噪音产生的误触发动作。C6为旁路电容取值范围0.01～0.1μF、优取0.047μF；C7是去噪电容51-390pF。TA、Rx和Ci的选取原则同图1说明所述。RV为压敏电阻保护线路免遭过电压损害。

在图5中，所示的是以M54125为主的剩余电流检测电路。M54125与以上芯片不同的是，可以检测三相电的漏电电流，包括对火线和中性线的检测。D3-D8为整流二极管，D1，D2是保护二级管(D1，D2易用锗管)，C6为去偶电容＜1μF，优选0.22μF。RV1，RV2，RV3为压敏电阻保护线路不受过电压损害。当TA感应到电流时，在半个周期内ILK引脚电压是负的时，电容C2充电，直到ILK得到直流电压，如果ILK没有得到临界触发电压，电容C2释放电荷，输出端OUT置零。当TA输出的电压达到触发电压，经过检测时间Tm，输出经过一段延时，OUT引脚输出脉冲，触发VT动作。ILK与VB之间的触发电压为9mV(典型值，Vs得到16V时)。引脚IBL的电压通过R3的调节适应AC电压和频率，如果有反常的电压输入IBL，连接WF引脚的C4开始充放电，当输入大于IBL的触发电压，而且经过了延时Td(延时大小由连接在TD引脚的电容C5调节)，OUT引脚输出触发脉冲，使VT导通。这样，漏电电流和异常电压都会使断路器分断，保护用电安全。R2配合整流桥为IC供电，C3为整流桥的滤波电容1-2.2μF。同样TA、Ci和Rx的选定同图2后序说明所述。

在图6中，所示的是以M54128为主的检测电路。M54128的Vs供电电压为9V(典型值)，范围7-12V最大不能超过14V，为此设置ZD1稳压管防止输入电压过高。ZD1的稳压电压应为9～12V可用稳压管1N4739～1N4742，建议用1N4742稳压值12V。M54128能设置2个延时时间(TRC1，TRC2)，可以满足1.5个周期动作需要。同样TA检测漏电电流，在Rx上产生电压，电压传给VREF和ILKI引脚，M54128的触发电压Vt＝6.5mV(9V电压供给芯片时)。R2是保护电阻100-400Ω，C1为保护VT的分压电容，C2为去噪作用，R3和C2又组成低通滤波电路，防止高频干扰。输入IREF引脚的电流为芯片提供稳定的参考电流源，连接IREF引脚的电阻R1为130kΩ，应使用1％误差的电阻，保证参考电流源的精度。C8为去噪电容优选56pF，C9为滤波电容1-2.2μF，R4和ZL为芯片提供直流电源。当有反常电压时，通过电阻R5，R6，R7，C12，C13组成的电路，通入IBLI引脚，而且又达到设定时间(接TTDC引脚的电容C10)后，SCRT引脚输出脉冲触发VT导通，VT使电磁脱扣线圈通电，跳闸机构动作，分断线路。R5，R6串接IBLI引脚，R7并联与IBLI引脚和GND之间，它们选值的范围是串接电阻之和(R串)+并联电阻(R并)＞200kΩ，R串//R并＜7kΩ。为防止过高电压损害芯片，用稳压管ZD2对IBLI和GND之间的电压进行稳压，ZD2的稳压值为4.0V左右，建议用1N4730稳压值3.9V或1N4731稳压值4.3V，但不能再高了。同样TA、Ci和Rx的选定同图2后序说明所述。

在图7中，所示的是以M54133/M54134为主的检测电路。M54133的电源电压Vs为9V(标准值)，OPI+与OPI-引脚的触发电压Vt＝11.5mV(9V电压供给Vs时).通过整流器ZL和R2提供直流电源，C7为滤波电容1-2.2μF，C8为可选去噪电容，范围51-390pF。稳压管ZD防止高压击坏芯片，ZD的稳压值为9～12V，最高不能高于15V，建议用1N4742稳压值12V。TA和Rx为芯片提供漏电信号，输入到OPI+和OPI-引脚，D1，D2保护二级管，R3为保护电阻，C12与R4组成低通滤波电路。C6为去偶电容≤1μF，优选0.33μF，过大值会触发延长可控硅的时间。C9，R2配合整流桥为IC提供低压直流电，C9，R2选值不唯一，优选0.047μF和200kΩ。C10，C11去噪电容33-390pF，芯片的TCR1，TCR2引脚接电容设置延时时间，建议用图上的优选值。连接IREF引脚的电阻R1设置芯片内部的基准参考电流源，R1为180kΩ，用误差1％的电阻。C16的范围0.1-1μF。同样TA、Ci和Rx的选定同图2后序说明所述。

在图8中，所示的是以RV4140A为主的检测电路。图中以TA零序电流互感器的匝数为N来说明，TA通过谐振电容Ci连接VFB和Vref引脚，通过设置电阻Rx的值调整其检测精度，调整C2电容的值来设置芯片的延迟动作时间。R1可在91kΩ～150kΩ选定。C3，C4电容滤波去噪用，VT应选用高dv/dt(断态电压临界上升率)比的可控硅来防止电路噪声引起误动作。延时设定：C2＝10×T，C2为电路中C2的电容值，单位nF；T为需要芯片延时动作的时间，单位ms。C3为输出去偶电容0.01-0.33μF。灵敏度设定：Rx＝2.05N/[In×COS180(T/P)]，Rx为电路中Rx的阻值，单位kΩ；In为额定剩余动作电流，单位mA；N为TA的匝数；T为需要芯片延迟动作的时间，单位ms；P为电路的工频，单位ms(50Hz为20ms)。Rx的计算公式假想TA为理想元件，因为TA为非理想元器件，所以实际上Rx值根据TA的不同向上浮动最高达30％；用实验确定好Rx阻值后，Rx应选用0.5％或1％误差的电阻，来保证足够的检测精确度。

在图9中，所示的是以RV4145A为主的检测电路。整流桥VD1-VD4从AC电源取电，整流后经R1供给芯片。R1为误差2％功率2W的电阻。C2镇流滤波电容，C3为去偶降噪电容。Rx的选取方法同图8所述。做10mA/15mA剩余电流断路器时，测试回路电阻R2为1.6～12kΩ，优选3.3kΩ。

在图10中，所示的是以RV4141A为主的检测电路。可以检测三相电，保护火线和中性线的漏电。Cf为滤波电容最好用耐压35V或50V的钽电容优选1μF。R1为保护电阻，Rx为调节检测电流精度的电阻，C2为延时设定电容。通过R3给芯片供电，R3为1或2W的电阻。延时电容的设定：C2＝6×T，C2单位nF，T的单位为ms。剩余电流检测精度设定：Rx＝4.6N/[In×COS180(T/P)]；Rx单位为kΩ；N为TA1中内部电线缠绕内部硅钢片的匝数；In为额定剩余动作电流，单位mA；T为设定的芯片延迟时间，单位为ms；P是工频电网频率折成的时间为20ms。

对于上述九种电路中，厂家可根据市场需要分别制造10mA，15mA(15mA能躲过大功率电动机启动时的不平衡电流)剩余电流动作断路器，也可制造10mA，15mA，(30mA)可调式一体的剩余电流断路器，特征在与调节Rx的设定值，使不同漏电电流在Rx上产生相同的分压，触发芯片动作。具体实施方式是：在断路器外壳加装调节钮，在断路器内部加装可变电阻或定值电阻互相切换。

上述的例子中，芯片供电电压的变化，以及各元器件的值误差都会影响检测精度。当制造额定剩余动作电流10mA的断路器，应保证5mA剩余电流时不动作，制作额定剩余动作电流15mA的断路器，应保证7.5mA剩余电流不动作。另外，“感度电流”不同与本实用新型提到的额定剩余动作电流，“感度电流”的概念是当断路器电源端接额定电压，负载端开路(不接任何用电设备，零火线没有电流)的情况下，零序电流互感器缓慢增加剩余电流，当达到触发动作值时的电流值。感度电流的值在额定动作电流In与额定不动作电流Ino之间，一般为0.75倍的In。感度电流是断路器等电气产品出厂检测时的电流计算标准。

在图11中，所示的是IC供电部分和可控硅电路的等效变换原理图。给IC供电可以先降压，后整流(推荐)；还可以先整流再降压。可以用集成整流桥，也可以用整流二极管组成整流电路。可控硅可以串联一个整流二极管来分反向电压，也可以并联电阻电容来配合电磁脱扣线圈给VT分压，还可以选反向耐压高的VT而不接分压元件。图中IC引脚OS/SCRT在RV4140，RV4141，RV4145电路中是SCR Trigger引脚。供电给整流桥可以先串联电阻降压，也可以串联电容电阻降压后再整流，还可以用串电阻电容后并联电容分压再整流。另外为了提高抗干扰能力和IC的响应速度，可在零序电流互感器TA二次侧引出的两端同时接两个值相同的电容范围30-1000pF，两电容的另一端都接Vs引脚(一般7-12V)。

以上为本实用新型的具体实施方式，如果依本实用新型申请的范围、技术方案所作的等效变换或修饰应属于本实用新型的专利范围。

Claims (6)

1.一种高灵敏度剩余电流动作断路器，其特征是：在绝缘外壳中，有漏电动作测试机构、电磁脱扣机构、剩余电流检测电路、跳闸机构；使用以特定IC芯片为主的电路与灵敏的零序电流互感器。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度剩余电流动作断路器，其特征是：特定IC芯片是指M54122，M54123，M54124，M54125，M54128，M54133，M54134，RV4140A，RV4141A，RV4145A十种芯片，以及其他厂商推出的外围电路和引脚兼容以上IC的芯片，如：KA2803，SL7101，GL7101，VG54123，LW54123，XN54123，FM2140，SM2840，FM2145，SM2845...。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度剩余电流动作断路器，其特征是：漏电动作部分是由零序电流互感器和剩余电流检测电路配合，给电磁脱扣机构的线圈通电，再通过电磁脱扣机构触发跳闸机构。

4.根据权利要求1所述的高灵敏度剩余电流动作断路器，其特征是：在接在零序电流互感器2次侧有分压电阻Rx。

5.根据权利要求1所述的高灵敏度剩余电流动作断路器，其特征是：可选择做成剩余电流为固定值或可变剩余电流动作值的断路器，后者内部结构为：电流检测电路有可变的接在零序电流互感器2次侧的分压电阻Rx，或者有可变的与Rx并联的电容Ci，外壳有可调值的拨段或旋钮。

6.根据权利要求1所述的高灵敏度剩余电流动作断路器，其特征是：剩余电流检测电路中有连接在零序电流互感器2次侧起谐振作用的电容Ci。

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