CN2152330Y - 电器设备智能安全用电监控保护器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电器设备智能安全用电监 控保护器。它采用抗电冲击器件，以抗干扰和模糊控 制设计的实用简单、低耗高能的电路组成。

本保护器对电源闪断、过压、欠压、错相、过载、短 路、漏电、触电故障，可进行双极释放式、负载选择式、 缓步自锁式自动保护，室内用电事故间歇闪烁声光报 警、室内外供电状态及故障监测显示，缓冲启动、反时 限可变延时、等待式、判断式自动恢复、人工校验恢复 供电等综合控制，有效地减少了电气事故危害，提高 了设备、线路、人员智能化安全用电技术水平。

Description

本实用新型涉及电器设备监控装置，特别是电器设备智能安全用电监控保护器（简称：保护器）。它是采用抗电冲击性强的电子元器件，以抗干扰、积分、模糊控制的电路组合设计而实现。

已知的用电保护器种类繁多，各项特性参见附表1可知，以传统方法设计的用电保护器，在功耗、功能、可靠性等方面是难以达到安全、高效、智能化的要求。

本实用新型的目的，针对传统用电保护器的不完善和存在的不足，提供一种电器设备、配电线路智能化安全用电监控保护器。

下面结合附表1、2、图1和实施例对本实用新型作进一步描述：

附表1：电器设备用电监控保护器特性表及附表2：220V／50H_Z市电用电保护器元件参数表附后；

图1是本实用新型的电路原理图；

其实施例如图1所示：当交流输入电源为220V、50H_Z时，图1电路各元件参数见附表2。若输入交流电源为其他国家的标准制式或特殊要求的非标准制式时，附表2中部分元件参数需作相应调整。现以图1为例对其实施的工作原理分述如下：

一、缓冲、可变延时工作状态

根据被监控保护的电器设备功率或小型室内配电线路的负荷，确定和本保护器输入输出端的连接方式：若功率负荷小于1KW，则可省去图1中的接线盒JZ₁、JZ₂和交流接触器CJ，直接用电源插头CT、插座CZ₁、CZ₂连接；反之，则必须去掉CT，用JZ₁、JZ₂连接。线路连接正确，输入电源合闸后，一路电源经差动变流器ZCT，过载检测继电器J₁，缓冲继电器J₃的常开接点J_3－1、J_3－2，熔断器RD及延时继电器J₄常开接点或CJ主触头双极受控输出；另一路经监测交流电压表DB、降压整流电路R₂、C₃、C₄、D₂～D₅供给控制电路。电路分析表明：这种整流电路当其降压容抗X_C远大于输出端等效负载R_L时，即X_C》R_L，其输出电流I_L，对R_L在一定范围内的变化影响可忽略不计，即电容C₃具有限定电流的镇流作用。通常市电频率是很稳定的，而其电压则随着电网、线路负荷的变动起伏，故该电路的输出特性在上述条件下可等效为电流源。但是这种电路因对配电线路是电容耦合，整流元件瞬态过程产生的周期性脉冲将会倒灌向线路，污染电源，同时也容易受到电网上传输的各种高频电力载波强力干扰，电磁兼容性较差。对此图1中在电路输入端采取由电容C₁、C₂和电感L组成的共扼高频陷波、滤波措施，较好地解决了这一矛盾。

图1中采用了晶体管Q₁、电阻R₅、稳压管DW₁、二极管D₈、继电器J₂各元件或相关集成电路构成的检测电路。输入电源正常时，检测电路截止不动作。整流电流I_L通过由电阻R₆、电位器W₁、稳压管DW₂、电容C₅组成的保护电路，同时供给由晶体管Q₉、稳压管DW₅、二极管D₁₂、继电器J₃、电阻R₂₅、R₂₆、电容C₁₆或相关集成电路组成的3～5秒延时缓冲电路和由晶体管Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄，电阻R₃₃、R₃₄、R₃₅、R₃₆、R₃₇，稳压管DW₉、二极管D₁₆、继电器J₄、电容C₁₇、C₁₈或相关集成电路组成的5～1分钟反时限可变延时电路。实践表明，对于外电源线路接头、熔断器、开关、插头等处接触不良或其他因素造成的电源瞬间闪断，应经过3～5秒的缓冲延时再恢复供电，这有利于削弱具有感性、容性、热阻性的第一类电器设备产生的过电压、过电流、电动内应力冲击危害；而对于具有压缩电机负载的第二类电器设备，此时则必须经过延时5分钟后，待机内压力趋于平衡再恢复供电，以降低启动电流，保护压缩电机。当外电源线路长时间停电来电时，对第一类负载仍经过缓冲延时迅速恢复供电；对第二类负载，上述反时限可变延时电路根据停电时间长则短延时约1分钟、停电时间短则长延时约5分钟，在实际保护时间始终大于5分钟的5～1分钟反时限连续可变时间差内恢复供电。这种延时既有别于那种停电时间长则不延时的极端方式，又不同于常见的固定延时，其对第二类电器的保护和提高设备运行效率更具优越性。

在上述两种电路均处于延时状态时，因相关继电器J₃、J₄均未投入工作，故等效负载R_L呈开路状态，为防止电流源产生过压危害，图1电路中采取了以稳压管DW₃、电阻R₇串联的假负载吸收保护措施。

二、过压、欠压保护状态

根据电器设备所允许的最高上限工作电压，调整图1电路中W₁值，即可整定过压保护点。外电源正常时，通电后约5秒，J₃的一对常开接点J_3－1、J_3－2吸合动作，通过RD、CZ₁向第一类电器设备供电，双色发光二极管LED₂通过电阻R₂₄通电发出绿光正常指示、双色发光二极管LED₁通过J₄的常闭接点、二极管D₆、电阻R₃导通发出绿光延时指示，约5～1分钟LED₁绿灯灭，J₄常开接点吸合，通过CZ₂或控制CJ的一对主触点吸合向第二类电器设备供电。

当外电源波动高于过压整定保护点时，触发Q₁、J₂等构成的检测电路，J₂常开接点迅速吸合接入假负载稳压管DW₆、电阻R₂₇保护，并通过二极管D₁₃、D₁₄、电阻R₂₈分别使Q₉、Q₁₂、Q₁₃截止，J₃、J₄断电释放，切断输出电源，发光二极管LED₃发出红光过压指示，LED₂绿灯灭。因检测电路导通和截止具有一定的回差，故外电源电压只有下降到比过压保护点低10％的电压值后，Q₁截止，J₂断电释放，电路才能自动恢复，这种方式增强了控制保护电路的抗干扰能力。

通常对于第一类电器设备在一定的低压范围内仍可继续工作，而对于第二类电器设备，包括电动机和交流接触器在低压下是难以维持运行的。当外电源波动低于电器设备所允许的最低下限工作电压时，由晶体管Q₁₀、Q₁₁，稳压管DW₇、DW₈，二极管D₁₅，欠压整定取样电位器W₂、电阻R₂₉、R₃₀、R₃₁、R₃₂或相关集成电路组成的欠压检测直耦式施密特触发器翻转输出低电平，使Q₁₂、Q₁₃截止，J₄迅速释放，切断CZ₂或CJ输出电源，LED₁绿灯亮显示欠压状态。因欠压检测触发电路也具有抗干扰回差，故外电源电压只有上升到比欠压保护点高10％的电压值后，Q₁₀、Q₁₁再次翻转输出高电平，Q₁₂、Q₁₃经可变延时后导通，J₄吸合，LED₁绿灯灭，CZ₂或CJ恢复供电。这种根据电器设备负载特性来选择确定欠压保护的方式，具有一定的实用价值。

三、错相、零线断、异相短路保护状态

通常室外低压配电线路均为中点零线接地的三相四线制电源，相电压为室内普通电器正常运行的工作电压，而其任意两相间的线电压则高于相电压70％以上。由于人为操作失误，在配电线路施工中将用户零线错接为另一相线；或者线路年久失修，中点接地零线接触不良闪断，用户各相间负载不对称，造成三相严重失衡，某相电压剧增；更有甚者违章将劣质的过压短路器安装在供电线路上，人为造成异相短路，二相失衡电压升高。这些事故是常有的，加之如表1所列常见的用电保护器仅是依靠串接的普通熔丝来救护，然而由于普通熔丝的安秒特性欠佳，往往是变压器、继电器、可控硅、压敏电阻、电器设备已经烧毁了，熔丝还未烧断，这种自毁的方式对电器设备的危害更大。

图1电路中，由于选用了耐压较高的元器件，使得其在错相状态下轻易地延用了过压状态时的特性进行自动保护、自动恢复。此时电流源整流输出电流I_L也仅比正常值增大70％左右，并由等效负载DW₆、R₂₇吸收，因为这一等效负载较正常时的等效负载重得多，故在此状态下，对电流源实际功耗还有所降低，各器件工作更为安全。上述的各项工作、保护状态均可称为外因引起的室外故障保护。

四、过载、漏触电保护状态

在日常生活、工作中司空见惯、更具危险性的是线路过载、短路、电器漏电、人身触电等内因引起的室内故障。若不采取紧急措施处置，前者可能引起电气火灾，后者则殃及生命安全。

目前常见的过载保护方式有三种，一是在线路上串接熔丝，二是串接半自动空气开关，三是电子型检测控制继电器或接触器开关。前二者以简单、实用见长，但在小倍数过电流断电保护时，安秒时限太长，并需人工更换、复位，使用不便；后者虽然是以快速、灵敏著称，并常具备周期性自动重合功能，实践表明，正是这些先天不足的特点，导致其对电器设备的容性、感性启动电流冲击误动频繁，强制性的无数次周期重合动作又进一步扩大了线路故障范围，影响电器寿命，也不利于人身安全。

在电器设备触漏电保护方面，经国际电工委员会IEC认可的有①线路工作接地、电器外壳保护接地的TT方式；②线路工作接地、电器外壳接零的TN方式；③线路对地绝缘、电器外壳保护接地的IT方式；④电压检测型漏电动作开关；⑤电流互感式漏电动作开关。前4种使用条件较为苛求，而第⑤种因其使用方便灵活，被广泛采用。其特征与半自动空气开关相似，需人工恢复，对安装在配电线路上作总保护时，当某一分支线路、电器发生触漏电事故，告警显示功能又不完备，事故点短时间难以发现，将造成大范围的长时间停电。

针对上述情况，图1电路中采用过流检测继电器J₁、二极管D₁₁，电阻R₈、R₉，电容C₇组成的分压、积分式过载取样电路和由差动变流器ZCT、二极管D₁组成的漏触电差动电流取样电路分别触发由晶体管Q₂、Q₃、Q₄、Q₅，稳压管DW₄、二极管D₉、D₁₀，电阻R₁₀、R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄、R₁₅、R₁₆、R₁₇，电容C₆、C₈、C₉各元件或相关集成电路组成的模糊逻辑控制互补双稳电流开关以及由单结晶体管Q₇、晶体管Q₆、Q₈，电阻R₁₈、R₁₉、R₂0、R₂₁、R₂₂、R₂₃，电容C₁₀、C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄、C₁₅，讯响器HC、双色发光二极管LED₂或相关集成电路组成的超低频弛张振荡间歇声讯响、变色光闪烁报警电路。当用电负荷或线路电流超过由J₁整定的电流时，串接于整流电源和R₈间的J₁常开接点因被交流电流磁化，产生抖动性吸合。由于R₈、R₉、C₇的分压、积分作用，在交流电源的数周期内C₇两端电压还不足以使Q₅导通，若此时线路电流恢复正常，则过载保护电路不予响应。这种特性巧妙地闪过电器设备的容性、感性启动电流冲击，而对阻性过电流仍依整定值在交流电源的数周期后，C₇端电压上升触发Q₅导通，双稳电流开关导通，电流源等效负载加重，整流输出电压急剧下降，迫使Q₉、Q₁₂、Q₁₃截止，J₃、J₄释放切断电源。

当电器设备外壳对地漏电或人身触碰交流市电输出端相线，引起ZCT原边导线内电流差动，产生磁通变化，在副边出现感应电压。这一差动电流值即由ZCT结构整定、符合IEC规定的漏电保护动作电流值。副边感应电压经D₁整流，驱动双稳电流开关导通，迫使J₃、J₄释放，迅速切断电源双极。电阻R₁、红色按钮开关AN₁为按规定设置的模拟漏触电校验装置，使用中应定期自检。

五、模糊控制智能监控保护状态

通过对大量用电事故的调查分析表明，防止恶性事故的发生、发展，除了采用自动开关保护外，有效地告警方式、及时地处置措施，也是至关重要的环节。

在日常生活、工作环境中，对于正常人的感官而言，感应外界信息最灵敏的当属听觉，其次才是视觉，而感觉程度则以周期性地刺激最强。图1电路中即根据人的这一生理特性，采用上述报警电路，烘托出用电室内故障紧急状态的气氛，提示人们迅速采取行动。行动的主体是人，行动的结果则取决于人的处理方式，以最短的时间消除过载因素或摆脱漏电线路和电器，故障因素排除后再由人工恢复供电，这是常规的人工处理方式。但往往发生室内故障的原因是复杂的，除了过载、漏电检测外，难免也会因为一些偶然因素产生误动；同时用电场合会有无人、有人之分，人也有行动水准高、低之差。在这些情况下，传统的自动控制，如上所述的过压、错相、欠压状态下，输入变量实时检测控制的等待式自动恢复和强制周期性自动重合等方式面对过载、漏触电保护时切断输出电源，也即去掉了输入变量的非确定性复杂系统是无能为力了。相反这种复杂系统由人根据经验和知识进行模糊的推理、分析、判断，总结出一套控制规则，应用模糊集合理论又称模糊逻辑，设计出一个模糊控制器，则能达到较好的控制效果。这就是近年来在自动控制领域崛起的一种全新的智能化自动控制技术一模糊控制。

针对上述要解决的问题，提出下列控制规则，并写成模糊条件语句形式：

①若发生室内故障告警切断电源，则在告警5分钟以内为预留的人工处理时间，5分钟以后自动重合试恢复供电一至两次；

②若5分钟后自动重合试恢复时，故障仍未排除，则控制电路进行自锁保护并告警，等待人工处置。

根据①、②条件语句设计出的硬件控制电路如图1所示：当用电正常时，互补双稳电流开关处于截止的稳定状态，C₆、C₉电容电压由外电路泄放均为零初始值；发生故障时，Q₅首先被触发导通，集电极电流I_C5促使Q₃也被触发，此时因Q₂BC结被C₆傍路趋于饱和，使Q₃集电极电流I_C3经过Q₂CE极、R₁₂，注入Q₅BE结，强烈地正反馈迅速使Q₅、Q₃饱和导通，也即双稳电流开关又处于导通的稳定状态，迫使J₃、J₄断电释放，并驱动告警电路报警。随着时间的增加，C₆通过Q₃EC极、D₉、D₁₀反向漏电阻充电，端电压逐渐上升，促使Q₂由导通向截止过渡；C₉则通过R₁₂、R₁₅充电，促使Q₄由截止向导通过渡。但由于C₆充、放电支路等效时间常数设计小于C₉充、放电支路时间常数，Q₄始终比Q₂迟缓一步才导通。故经过一段时间，C₆充电电压升高先于C₉迫使Q₂趋于截止，阻断了双稳电路的正反馈桥路，使得Q₃、Q₅截止，告警电路断电恢复。若此时输出端故障已排除，则Q₉、Q₁₂、Q₁₃相继按正常程序恢复工作，C₆两端电压通过D₁₀、R₁₀、R₁₇支路迅速泄放；C₉两端电压则通过R₁₄、R₁₅、R₁₁支路泄放，为下次投入作准备。反之，Q₉首先工作，J₃吸合，ZCT或J₁重又检测到输出端故障变量并输入Q₅，重复上述双稳正反馈过程，使J₃迅速断电，电路告警。由于C₆、C₉充、放电时间常数的差异，此时C₉则先于C₆使Q₄导通替换Q₂，连通正反馈桥路，Q₃、Q₅正式进入自锁导通的稳定状态，等待人工处置后，按动绿色按钮开关AN₂进行复位。自动重合的试恢复时间、次数和缓步自锁定保护时间主要由C₆、C₉、R₁₄、R₁₅调整确定。

由此可见，上述模糊控制又可概括为判断式自恢复方式。实际上前面提到的反时限可变延时电路，也是应用模糊控制原理实现的一个简单实例。显然，这种控制更接近人的行为方式，具有反应快，适应性强、控制规则简单可靠等优点，有助于提高安全用电监控保护器智能化自动控制技术水平。

六、短路保护及工作可靠性。

电器设备、配电线路短路是用电过程中的常见故障，人们也常把电流短路和过载混为一谈。其实不然，过载一般是指数倍额定电流的状态，短路则是指特大冲击电流状态。前已述及，过载一般需要很短的滞后保护特性，而短路则需要瞬动保护特性和较高的分断能力。满足这一条件最简单、实用的保护器件以高熔点的铜、银质熔丝较佳。图1中当电负荷小于1KW时，约10A的铜质熔丝RD是安装在保护器输出端，并巧妙地借用电器设备负载构成的回路，增加了由双色发光二极管LED₁红灯、二极管D₇、电阻R₄或氖灯构成的熔丝状态显示电路，当熔丝烧断，LED₁红灯亮告警显示；熔丝正常后，LED₁红灯灭。RD在输出端的反常接法虽然增加了监测难度，但却较好地解决了人工违章带电更换、触摸熔丝时的触电自动保护问题。

对于较大的用电负荷，图1中是由CJ控制输出，其短路保护是依靠配电线路上外接的熔断器进行的。

作为安全用电保护装置，其工作可靠性尤为重要，这需要从设计原理和材料选用、生产制造等多方面予以高度重视。

图1中在考虑对外断电保护时，均采用双极释放式，实践表明其安全可靠性比常用的单极吸合式高出一个数量级。在内部电路中DW₂、R₂、R₅、R₂₆、R₃₅等均为附加的保护元件。尤其是R₂的选取不仅是C₃电压的泄放回路，合理地取值可消除C₃在过渡过程出现的倍压危害。对电路中长期工作的部分关键器件选取了较大冗余量的降额因子，以保证工作稳定、可靠。

图1电路各元件对外电源是直通的，故装配调测中应加强绝缘防护，并采用高强度的ABS塑料外壳封装结构，提高对环境防护的能力，以满足各行各业、千家万户安全用电监控保护的需求。

本保护器是当电器设备、配电线路发生闪断、过压、欠压、错相、过载、短路、漏电、人身触电时，具有故障自动保护断电、负载选择性自动保护断电、室内用电事故声光报警、室内外供电状态及故障监测显示、缓冲启动、反时限可变延时供电、等待式自动恢复供电、判断式自动恢复供电、缓步自动锁定保护断电、人工校验恢复供电等综合功能。

文中引用的附表1、附表2如下：

附表1：电器设备用电监控保护器特性

附表2：220V／150Hz市电用电保护器元件参数

Claims (1)

1. 电器设备智能安全用电监控保护器，其特征在于：

   <1>.输入端由电容(C₁、C₂)和电感(L)构成的LC陷波、滤波器防护电路内外的整流脉冲及线路载波干扰；

   <2>.绕组改制、整定的继电器(J₁)串接在供电线路中，通过电阻(R₈、R₉)、电容(C₇)等组成积分式过载取样电路和输入端交流电压表(DB)即时监测输入电源，并以电阻(R₁)、按钮开关(AN₁、AN₂)组成的漏触电人工校验、人工恢复控制电路；

   <3>.串接在保护器输出端的熔丝(RD)及其两端跨接的串联元件发光二极管(LED₁)、二极管(D₇)、电阻(R₄)或氖灯组成防触电式短路保护熔丝及状态显示电路；

   <4>.输入输出端接线座(JZ₁、JZ₂)和输出端交流接触器(CJ)供选用组成大功率输出扩展电路；

   <5>.由电容(C₃、C₄)、电阻(R₂、R₇)、整流二极管(D₂～D₅)、稳压管(DW₃)组成整流电流源电路，并由稳压管(DW₆)、电阻(R₂₇)等组成电流源吸收保护假负载；

   <6>.由晶体管(Q₉)、稳压管(DW₅)、继电器(J₃)、电容(C₁₆)、电阻(R₂₅)等或相关集成电路构成的缓冲启动保护电路；

   <7>.由晶体管(Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄)、稳压管(DW₉)、继电器(J₄)、电容(C₁₇、C₁₈)、电阻(R₃₄、R₃₇)等或相关集成电路组成的反时限可变延时输出保护电路；

   <8>.由晶体管(Q₁₀、Q₁₁)、稳压管(DW₇、DW₈)、二极管(D₁₅)、电阻(R₂₉～R₃₂)等或相关集成电路组成施密特触发器对继电器(J₄)电路进行欠压选择性控制保护和晶体管(Q₁)、稳压管(DW₁、DW₂)、继电器(J₂)、电阻(R₅、R₆)等或相关集成电路组成检测电路对继电器(J₃、J₄)电路进行过压、错相控制保护，等待式自动恢复；

   <9>.由晶体管(Q₂、Q₃、Q₄、Q₅)、二极管(D₉、D₁₀)、稳压管(DW₄)、电容(C₆、C₈、C₉)、电阻(R₁₀～R₁₇)等或相关集成电路组成模糊控制互补双稳电流开关，对继电器(J₃、J₄)电路进行过载、漏触电控制保护、判断式恢复，缓步自锁式保护；

   <10>.由晶体管(Q₆、Q₇、Q₈)、电阻(R₁₈～R₂₃)、电容(C₁₀～C₁₅)、讯响器(HC)、双色发光二极管(LED₂)或相关集成电路组成间歇声讯响、变色光闪烁室内故障报警电路。

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