CN204720708U - 一种智能安全插座 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种智能安全插座，插座包括与微处理器连接的第一双刀继电器、第二双刀继电器、插入状态监测/检测模块、报警单、阻抗特性检测模块和电流及波形检测模块，通过插入状态监测/检测模块检测插头的插入状态，并根据负载阻抗特性进行合闸和断闸。本实用新型仅在检测到插头插入状态正常且负载阻抗特性满足设定时才会合闸通电，并能够对插头插入状态进行实时监测，更加安全可靠；根据负载阻抗特性进行合闸和分闸，消除电弧和电火花，保证用电及人身安全，并减少电流噪声、实现绿色用电；异常情况发生后，再次自检启动，当异常情况移除时，自恢复正常工作状态，达到自恢复目的。

Description

一种智能安全插座

技术领域

本实用新型涉及安全用电技术领域，具体为一种智能安全插座。

背景技术

随着生产生活水品不断提高，用电产品日益增多，安全用电和智能用电成为了首要问题。由于用电安全产生的火灾、造成的人员伤亡、电器设备损坏等安全事故时有发生，给生产生活带来巨大影响。用电设备的增多，人为管理难度加大，整体安全可靠性能降低。因而安全用电、智能用电已受到越来越多人的关注。

目前已经有的智能安全插座，例如公告专利号为CN103715566A，公告时间2014.04.09，公告专利名为“一种智能控制的安全插座”的发明专利，其插座需要配套的专用插头，插入时无消火花处理，通电后只有电流检测，未能实时进行漏电、短路检测，依旧存在安全隐患，且只能用配套插头，使用范围狭窄。又如公告专利号为CN103022823A，公告时间为2013.04.03，专利名为“智能安全插座”的发明专利，插入时未能检测双孔插入还是单孔插入，仅简单判断电阻阻抗为零或无穷大，即使外部负载短路，因阻抗是材料本身属性，除低温超导情况，常温下阻抗不为零，不能达到安全防护目的。阻抗无穷大时，不做进一步判断，直接让输出电路不工作，实际应用中，具有机械开关的用电设备，例如风扇，不能启动。又如现在设备用电插座拔插时，大都是带电拔插，有很大的安全隐患：一是拔插时，可能发生触电危险；二是有电弧产生，影响电网稳定，减少插座及插板的使用寿命。再如故障发生后，无自检自恢复，影响使用体验，未能达到智能目的。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种能够实时监测/检测插入状态、能消除拔插电弧和电火花、故障排除自恢复的智能安全插座，技术方案如下：

一种智能安全插座，包括第一双刀继电器、插入状态监测/检测模块、微处理器和报警单元；所述第一双刀继电器包括线圈Q1、闸刀K1和K2，以及与闸刀K1和K2分别对应的第一触点和第二触点，所述微处理器连接到线圈Q1，用于控制线圈Q1通断电，闸刀K1和K2分别与插座的N相插孔和L相插孔连接，第一触点和第二触点分别连接到输电线的N相和L相；所述插入状态监测/检测模块连接到插座的插孔；所述微处理器还分别连接插入状态监测/检测模块和报警单元。

进一步的，还包括第二双刀继电器、阻抗特性检测模块和电流及波形检测模块；所述第一双刀继电器为双刀双掷继电器，还包括与闸刀K1和K2分别对应的第三触点和第四触点；所述第二双刀继电器包括线圈Q2、闸刀K5和K6，以及与闸刀K5和K6分别对应的第五触点和第六触点，所述微处理器连接到线圈Q2，用于控制线圈Q2通断电，闸刀K5连接第三触点，闸刀K6连接第四触点，第五触点和第六触点连接到阻抗特性检测模块；所述电流及波形检测模块耦合连接到输电线的N相和L相；所述微处理器还分别连接到阻抗特性检测模块和电流及波形检测模块。

更进一步的，还包括无线模块，所述无线模块的信号传输端连接到微处理器，电源输入端连接到电源模块。

本实用新型的有益效果是：本实用新型仅在检测到插头插入状态正常且负载阻抗特性满足设定时才会合闸通电，并能够对插头插入状态进行实时监测，更加安全可靠；根据负载阻抗特性进行合闸和分闸，消除电弧和电火花，保证用电及人身安全，并减少电流噪声、实现绿色用电；异常情况发生后，再次自检启动，当异常情况移除时，自恢复正常工作状态，达到自恢复目的。

附图说明

图1为本实用新型智能安全插座的电路结构示意图。

图2为本实用新型智能安全插座的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，一种智能安全插座，包括第一双刀继电器、第二双刀继电器、插入状态监测/检测模块、阻抗特性检测模块、电流及波形检测模块、微处理器（MPU）、报警单元、无线模块和AC/DC模块。

第一双刀继电器为双刀双掷继电器，包括线圈Q1、闸刀K1和K2，以及与闸刀K1和K2分别对应的位于高压交流端的第一触点和第二触点，以及位于低压交流端的第三触点和第四触点。闸刀K1和K2分别与插座的N相插孔和L相插孔电气连接，第一触点和第二触点分别连接到输电线的N相和L相。微处理器连接到线圈Q1，通过控制信号Ctrl 1控制线圈Q1的通断电，继而控制闸刀K1和K1的位置状态。初始状态时，Ctrl 1控制线圈Q1电流断路，闸刀K1和K2分别与低压交流端的第三触点和第四触点合闸，当需要与高压交流端合闸时，微处理器通过控制信号Ctrl 1控制线圈Q1电流导通，进而控制闸刀K1和K2与低压侧分闸，同时分别与高压交流端的第一触点和第二触点合闸。

第二双刀继电器包括线圈Q2、闸刀K5和K6，以及与闸刀K5和K6分别对应的第五触点和第六触点，微处理器连接到线圈Q2，通过控制信号Ctrl 2，控制线圈Q2的通断电，继而控制闸刀K5和K6的位置状态。闸刀K5与第一双刀继电器的第三触点电气相连，闸刀K6与第一双刀继电器的第四触点电气相连。第五触点和第六触点连接到阻抗特性检测模块。初始状态时，控制信号Ctrl 2控制线圈Q2电流断路，闸刀K5和K6与第五触点和第六触点分闸；当微处理器通过控制信号Ctrl 2控制线圈Q2电流导通，闸刀K5和K6与第五触点和第六触点合闸。

插入状态监测/检测模块物理连接到插座的插孔，接收微处理器的控制信号Ctrl 4进行插头的插入状态检测。具体的，每个插孔口设有安全挡板，每个安全挡板与一个微动开关或金属霍尔接近开关相连，当插头的插片插入插孔时，安全挡板被挤压，从而触动与安全挡板联动的微动开关或金属霍尔接近开关。每个插孔内部设有用于与插头插片连接的磷铜弹片，磷铜弹片的弹性形变侧与另一个微动开关或金属霍尔接近开关相连。当插头的插片继续深入插孔内部后，磷铜弹片受到挤压发生形变，从而迫使与磷铜弹片联动的微动开关或金属霍尔接近开关触发，改变开关状态。当插头的插片未能完全与磷铜弹片接触时，磷铜弹片因形变不够，联动的微动开关或金属霍尔接近开关就不能触发改变状态。可将N相插孔安全挡板联动的微动开关或金属霍尔接近开关命名为N(top)，N相插孔内部的磷铜弹片联动的微动开关或霍尔金属接近开关命名为N（bottom)，同样命名规则命名L相有L(top)和L(bottom)，当某个开关被触动时，该开关的电平逻辑记为1，未被触动电平则逻辑记为0。在检测插入状态时，逻辑上有：N(top) & N（bottom) & L(top) & L(bottom)，即两个插孔安全挡板的微动开关或金属霍尔接近开关的电平逻辑与磷铜弹片联动的微动开关或霍尔金属接近开关的电平逻辑与运算，当四个开关都被触动时，逻辑运算结果为1，检测结果为双孔插入良好，插入状态正常；若某个开关未被触动，则逻辑运算结果为0，检测结果为插入状态异常，如单孔插入，双孔半插入，单孔插入良好单孔插入异常等。运算结果通过信号Sign7发送至微处理器。

阻抗特性检测模块用于检测外部负载的阻抗特性及阻抗值。具体过程为：控制第一双刀继电器闸刀K1和K2分别掷于低压交流端的第三触点和第四触点，第二双刀继电器闸刀K5和K6分别掷于第五触点和第六触点，再通过控制信号Ctrl 3启动阻抗特性检测模块。

电流及波形检测模块通过电压互感器和电流互感器耦合连接到输电线的N相和L相，通过AD采样从电压互感器二次侧检测高压交流端的电压波形；从电流互感器二次侧采集各相电路的相电流，并将采集到的信号发送给微处理器。

报警单元可采用声光报警装置，在插头插入状态异常或负载电路异常时，接收微处理器的信号Sign2，发出声光报警，提醒用户及时排除故障。

无线模块用于接收微处理器的信号Sign3将异常告警信息及负载阻抗信息等数据发送至移动终端设备，以及接收控制终端命令参数信号，并通过信号Sign 5传输至微处理器。

AC/DC模块为电源模块，用于给第一双刀继电器的线圈Q1、第二双刀继电器的线圈Q2、插入状态监测/检测模块、阻抗特性检测模块、电流及波形检测模块、微处理器（MPU）、报警单元和无线模块提供直流电源。AC/DC模块的输入端连接到输电线的N相和L相，输出端分别连接第一双刀继电器、第二双刀继电器、插入状态监测/检测模块、阻抗特性检测模块、电流及波形检测模、微处理器、报警单元和无线模块的电源输入端。

本实用新型智能安全插座的控制过程具体如下：

1. 初始化：初始时插孔输出电路处于断开状态，第一双刀继电器闸刀K1和K2分别掷于第三触点和第四触点，第二双刀继电器闸刀K5和K6断开。

2. 微处理器启动插入状态监测/检测模块检测插入状态。

3. 若检测到插入状态异常，则启动报警单元报警。微处理器（MPU)根据插孔插入状态信息Sign7逻辑电平0，判定插入状态异常，发送异常告警信息至移动终端设备，并启动声光报警，第一双刀继电器状态以及第二双刀继电器状态保持不变。

4. 延时T1时段后返回步骤1。T1可以设定，用户可根据声光报警排除插头的异常状态，插入状态监测/检测模块在延时后继续检测插入状态，直到插入状态正常。

5. 若插入状态正常，则控制第二双刀继电器闸刀K5和K6分别与第五触点和第六触点合闸，保持插入状态检测/监测模块启动，实时监测插入状态。具体为：当微处理器（MPU）接收到插入状态监测/检测模块信号Sign7逻辑状态保持为1，判定插孔插入状态正常时，微处理器（MPU)控制信号Ctrl 2控制线圈Q2电流通路，使第二双刀单掷继电器闸刀K5和K6分别与第五触点和第六触点合闸，使第二双刀单掷继电器与插入外部负载形成通路。

6. 启动阻抗特性检测模块检测外部负载阻抗特性及阻抗值，并将检测到的阻抗值与内置默认相应阻抗特性的阻抗范围[Z1，Z2]进行比较。具体的：微处理器（MPU）输出控制信号Ctrl 3启动负载阻抗特性检测模块：通过低压工频发生模块，输出工频低压交流电压，通过AD采样电路，采集电压电流相位差以及电压电流值。由公众所熟知：在纯电阻电路中，电压与电流总是同相位的。电阻两端的电压、电流同相位。在电感上，电压总是超前电流90度；在电容器上，电压总是滞后电流90度。据此可推导出插入插孔的外部负载的阻抗特性，以及计算出外部负载的工频阻抗值。阻抗特性检测模块将检测结果通过信号线sign 1发送至所述微处理器（MPU)。所述微处理器根据检测结果，选择对应内置默认的阻抗范围[Z1，Z2]进行比较。上述阻抗默认范围具体的：容性负载对应一个默认阻抗范围，感性负载对应一个默认阻抗范围，阻性负载对应一个阻抗默认范围。特性及默认阻抗范围均有保存在微处理器中，并可以通过移动终端App保存修改默认的阻抗值及特性，并可以备注对应负载设备名称，例如风扇，感性，0.8欧姆。

7. 若检测到阻抗特性对应的阻抗值小于Z1时，控制信号Ctrl 1 不变，控制第一双刀继电器与低压交流端保持合闸状态，延时T2时段后再次检测外部负载阻抗特性及阻抗值，若再次检测到的阻抗值仍小于Z1，则判断外部负载短路，微处理器（MPU）通过Sign 2发出信号启动异常声光报警装置，同时微处理器（MPU）发出信号sign 3通过无线模块发送异常状态告警信息至移动终端设备。再延时T1时段后返回步骤1：用户可根据声光报警的提醒及时移除短路的故障，系统循环到步骤1，重新开始检测步骤，直到负载阻抗值在默认阻抗范围内，则正常启动，恢复正常运行状态，告警解除，并向终端设备发送恢复正常信息。

8. 若检测到的阻抗值大于Z2时，认定阻抗值为无穷大，则周期性启动阻抗特性检测模块检测外部负载阻抗特性及阻抗值，比如：周期可设置为1秒，启动100毫秒，关闭900毫秒。直到检测到的阻抗值在默认阻抗范围[Z1，Z2]内时，进入下一步。该步骤可消除带有机械开关的设备在异常排除后无法使用的弊端。

9. 若检测到的阻抗值在默认阻抗范围[Z1，Z2]内，则保存负载的阻抗特性及阻抗值，并通过无线模块将该负载特性以及阻抗值发送至移动终端设备。同时启动电流及波形检测模块检测第一双刀继电器高压交流端的电压波形，并使第二双刀继电器闸刀K5和K6分闸。

10. 根据保存的外部负载特性以及电压波形控制第一双刀继电器闸刀K1和K2及时的在合适波形位置同时分别与第一触点和第二触点合闸。具体的在插入插孔的负载为感性负载时，在电压波峰处合闸；在插入插孔的负载为阻性负载和容性负载时，在电压过零点处合闸。这样可最大程度的减小电弧产生，保持电网稳定，保证用电设备及用电人人身安全。

11. 在运行过程中一直启动电流及波形检测模块采集每相电路的相电流，并通过实时信号Sign 6传输至微处理器。

12. 微处理器根据每相电路的相电流判断外部负载运行情况。具体的：

若每相电流均为零，则判定为外部负载机械开关断开；

若L相电流与N相电流不相等，且差值大于i₁时，（如i₁取30mA），判定外部负载电路漏电；

若L相或N相电流大于阈值i₂时，判定负载超负荷运行；

若L相电流等于N相电流，且不等于零，并都小于阈值i₂时，外部负载运行正常。

13. 若外部负载运行异常，则根据外部负载特性及电压波形控制第一双刀继电器闸刀K1和K2分别与第一触点和第二触点分闸并立即与第三触点和第四触点合闸。具体的：在插入插孔的负载为感性负载时，在电压波峰处分闸，在插入插孔的负载为阻性负载和容性负载时，在电压过零点处分闸。

14. 在运行过程中，任何步骤监测到插入状态异常，则根据外部负载特性及电压波形控制第一双刀继电器闸刀K1和K2与第一触点和第二触点分闸并与第三触点和第四触点合闸。具体的：在插入插孔的负载为感性负载时，在电压波峰处分闸，在插入插孔的负载为阻性负载和容性负载时，在电压过零点处分闸。

15. 分闸后返回到所述步骤2一次，重新检测插入状态及负载阻抗值及阻抗特性，检测到插入状态正常，负载阻抗在默认的范围，则按步骤恢复正常启动运行状态。

Claims (3)

1.一种智能安全插座，其特征在于，包括第一双刀继电器、插入状态监测/检测模块、微处理器和报警单元；所述第一双刀继电器包括线圈Q1、闸刀K1和K2，以及与闸刀K1和K2分别对应的第一触点和第二触点，所述微处理器连接到线圈Q1用于控制线圈Q1通断电，闸刀K1和K2分别与插座的N相插孔和L相插孔连接，第一触点和第二触点分别连接到输电线的N相和L相；所述插入状态监测/检测模块连接到插座的插孔；所述微处理器还分别连接插入状态监测/检测模块和报警单元。

2.根据权利要求1所述的智能安全插座，其特征在于，还包括第二双刀继电器、阻抗特性检测模块和电流及波形检测模块；所述第一双刀继电器为双刀双掷继电器，还包括与闸刀K1和K2分别对应的第三触点和第四触点；所述第二双刀继电器包括线圈Q2、闸刀K5和K6，以及与闸刀K5和K6分别对应的第五触点和第六触点，所述微处理器连接到线圈Q2用于控制线圈Q2通断电，闸刀K5连接第三触点，闸刀K6连接第四触点，第五触点和第六触点连接到阻抗特性检测模块；所述电流及波形检测模块耦合连接到输电线的N相和L相；所述微处理器还分别连接到阻抗特性检测模块和电流及波形检测模块。

3.根据权利要求1所述的智能安全插座，其特征在于，还包括无线模块，所述无线模块的信号传输端连接到微处理器，电源输入端连接到电源模块。