CN2817164Y

CN2817164Y - 飞弧漏电保护装置

Info

Publication number: CN2817164Y
Application number: CN 200520043457
Authority: CN
Inventors: 蒋闯
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2015-07-15

Abstract

一种飞弧漏电保护装置，是由控制电路板、输出与控制电路板相连，输入与负载产生的电弧及漏电的故障信号的输入端相连的故障检测组件以及分别与控制电路板的动作的信号输出端及负载电源供应端相连的脱扣装置组成。本实用新型是利用电流互感装置通过对漏电器设备的漏电流、电弧进行检测后的信号经检波、放大、然后到微处理装置进行分析处理，最后判断是否需要发出脱扣信号，发出的脱扣信号经驱动电路放大后迫使脱扣装置动作，以迅速切断电器设备的电源输入。本实用新型可以有效地防止和减少由电器设备的漏电流、电弧等引起的不安全事故的发生，对于减少家庭和社会的火灾事故是十分有意义的。

Description

飞弧漏电保护装置

技术领域

本实用新型涉及一种电弧故障、漏电故障的线路保护装置，尤其是指一种应用于低电压供电系统中，当输电线路之间或输电线与地之间由于故障而引发的电弧或者漏电时，可自动切断电源供电，防止发生火灾的飞弧漏电保护装置。

背景技术

目前，随着全球经济的发展，人们生活水平的提高，家用电器设备越来越多，而且使用的单机功率在不断增大。而在低压配电供给系统中，随着电器设备的不断增加、单机功率的不断增大，使供电线路经常处于满负荷状态甚至超负荷状态，有时甚至长期处于过载状态，因而，其供电线路表面的绝缘层极易老化；并且，一般的空气开关和对地漏电保护开关对于由于线路表面绝缘层老化发生的电弧进而引起的燃烧不能进行保护动作，造成输电线路中的电弧并产生电弧燃烧的现象屡屡发生。

实用新型内容

本实用新型的目的是要解决现有技术中存在的问题，提供一种对家用电器设备和低压电器装置而引发的电弧或者漏电，可进行自动切断电源供电，防止发生火灾的飞弧漏电保护装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种飞弧漏电保护装置，其特征是由控制电路板、输出与所述控制电路板相连，输入与负载产生的电弧及漏电的故障信号的输入端相连的故障检测组件以及分别与所述控制电路板的动作的信号输出端及负载电源的电源供应端相连的脱扣装置组成，其中：

所述的控制电路板包括：

提供本实用新型装置的电源电路，包括两个降压电容C14、C15、一个整流桥D1电路，再经过电容C16吸收掉电磁干扰后和一个经整流桥D1整流后经由电阻R4、MOSFETQ2、电阻R5、稳压二极管VD2、电阻R9与R6及三极管Q1组成的线性稳压电路；

与所述故障检测组件中检测到的电弧信号连接的检波电路，是对所述电弧信号进行检波的部件，由检波元件D5以及与检波元件D5并联的限幅二极管D6、积分电容C10、信号负载电阻R20组成；

与所述检波电路以及与所述故障检测组件中检测到的漏电信号连接的信号放大电路，是放大检波后的电弧信号以及漏电信号的部件，采用芯片；

与所述信号放大电路连接的信号能量提取电路，是测量所述漏电信号能量分布的电路，由二极管D7以及由与二极管D7串联的电阻R30、R29和电容C16组成的积分电路构成；

与所述能量提取电路和信号放大电路分别连接的信号分析处理电路，这是对所述电弧信号及漏电信号进行分析处理，最后判断是否需要发出脱扣信号的部件，采用带比较器和AD转换器的芯片；以及

与所述信号分析处理电路的输出连接的动作驱动电路，这是当所述信号分析处理电路发出脱扣信号时，对该脱扣信号放大后迫使所述脱扣装置动作，以迅速切断电器设备的电源输入的部件，所述动作驱动电路的结构为：整流桥D3、与所述整流桥D3并联的可控硅V1，所述可控硅V1的栅极与电容C2和电阻R12相连，所述电容C2和电阻R12的并接端与电阻R11连接；

所述的故障检测组件包括检测飞弧电流的电弧检测部件及检测漏电电流的零序电流检测部件：

所述的电弧检测部件包括：

电弧检测互感装置L3，串接在交流电源的火线或零线上，检测电线路中产生电弧时发出的电磁波；

辅助元件，包括：与电弧检测互感装置L3的一端连接的信号负载电阻R25、与电弧检测互感装置L3的另一端连接的高频分离偶合电容C11、与电容C11连接的另一负载电阻R26、与电孤检测互感装置L3的两端分别连接所述的检波元件D5、与负载电阻R25连接的检波电容C10、检波电容C10的放电电阻R20，以及与检波电容C10和放电电阻R20的并接端连接的信号限幅保护二极管D6；

所述的零序电流检测部件包括：

零序电流检测互感装置L2，是串在交流电源输入/输出双线回路中的；

辅助元件，包括：信号负载电阻R24、EMI吸收电容C8、C9，其中电阻R24和电容C8直接并联在零序电流检测互感装置L2两端，且零序电流检测互感装置L2一端接直流地，另一端通过电阻R23连接到所述信号放大电路U3的3脚，并且所述信号放大电路U3的3脚和直流地之间接电容C9。

故障信号包括飞弧和漏电故障经信号检波电路2、信号放大电路3、信号分析处理电路5，然后在信号分析处理电路5中通过判断、分析，发出特定的信号，经过驱动电路7驱动后，驱动脱扣装置8动作。

所述的脱扣装置由开关S1、S2和控制所述开关动作的控制部件未提示组成，所述控制部件与所述动作驱动电路连接。

本实用新型的效果：

本实用新型的飞弧漏电保护装置提供了一种新的低压电装置的安全保护装置。该实用新型对家用电器设备和低压电器装置而引发的电弧或者漏电，迅速切断电器设备的电源输入，从而避免火灾事故的发生。如果企业应用本实用新型的装置可以防止设备的故障扩大，减少设备维护经费。本实用新型也可以运用在汽车领域，以防止汽车自燃事故。

综上所述本实用新型可以有效的防止和减少由电器设备的漏电流、电弧等引起的不安全事故的发生，对于减少家庭和社会的火灾事故是十分有意义的。

本实用新型的装置还具有结构紧凑、体积小巧、运行可靠、无需另加电源以及装置本身安装方便等优点。

为进一步说明本实用新型的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本实用新型进行详细的描述。

附图说明

图1为本实用新型的飞弧漏电保护装置的电原理框图；

图2为本实用新型的飞弧漏电保护装置的电子线路图；

图3为本实用新型的飞弧漏电保护装置应用在三相电器设备的使用状态图；

具体实施方式

本实用新型的飞弧漏电保护装置是由电流互感装置通过对漏电器设备的漏电流、电弧(飞弧)进行检测后的信号经检波、放大、然后到微处理装置进行分析处理，最后判断是否需要发出脱扣信号，发出的脱扣信号经驱动电路放大后迫使脱扣装置动作，以迅速切断电器设备的电源输入。

下面结合附图，对本实用新型的飞弧漏电保护装置的实施方式进行具体说明。

参见图1、2，图1为本实用新型的飞弧漏电保护装置的电原理框图；图2为本实用新型的飞弧漏电保护装置的电子线路图。

本实用新型的装置包括控制电路板、输出与所述控制电路板相连，输入与负载产生的飞弧(电弧)及漏电的故障信号的输入端相连的故障检测组件、以及分别与所述控制电路板的动作的信号输出端及负载电源的电源供应端相连的脱扣装置。

所述的控制电路板包括提供本实用新型装置的电源电路1、与所述故障检测组件中检测到的电弧信号连接的检波电路2，是对电弧信号进行检波的部件、与检波电路2连接的信号放大电路3(为了表示清楚本实用新型的电原理，在图1中画了两个信号放大电路6，实际上信号放大电路6与信号放大电路3是在同一个芯片里，是放大检波后的电弧信号以及漏电信号的部件、与所述信号放大电路3连接的信号能量提取电路4、与所述能量提取电路4和信号放大电路3分别连接的信号分析处理电路5，这是对电弧信号及漏电信号进行分析处理，最后判断是否需要发出脱扣信号的一个部件，以及与所述信号分析处理电路5的输出连接的动作驱动电路7，这是当所述信号分析处理电路5发出脱扣信号时对该脱扣信号放大后迫使脱扣装置动作，以迅速切断电器设备的电源输入的部件。

所述的电源电路包括两个降压电容C14、C15、一个整流桥D1电路，再经过电容C16吸收掉EMI(电磁干扰)后和一个经整流桥D1整流后经由电阻R4、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET Q2、电阻R5、稳压二极管VD2、电阻R9、电阻R6、三极管Q1组成的线性稳压电路，控制提供给本实用新型的装置一个稳定的低压直流电源，以供使用。

所述的信号检波电路2由检波元件D5以及与检波元件D5并联的限幅二极管D6、积分电容C10、信号负载电阻R20组成。

所述信号分析处理电路5是微处理器MCU，本实施例中MCU是采用带比较器和AD转换器的PIC12F676芯片、有八路输入的AD转换器、外部中断输入以及十二路通用输入输出端(IO)。

所述信号放大电路(U3)3采用LM358芯片。

所述信号能量提取电路4包括二极管D7以及由与二极管D7串联的电阻R30、R29和电容C16组成的积分电路构成，是测量飞弧的能量分布的部件。

所述动作驱动电路7的结构为：整流桥D3、与所述整流桥D3并联的可控硅V1，可控硅V1的栅极与电容C2和电阻R12相连，电容C2和电阻R12的并接端与电阻R11连接，R11的另一端接到信号分析处理电路5的微处理器U2的7脚。

所述的故障检测组件包括检测飞弧电流的电弧检测部件9及检测漏电电流的零序电流检测部件10。

所述的电弧检测部件9包括电弧检测互感装置L3、与电弧检测互感装置L3的一端连接的信号负载电阻R25、与电弧检测互感装置L3的另一端连接的高频分离偶合电容C11、与电容C11连接的另一负载电阻R26、分别与L3两端连接的检波元件D5，与负载电阻R25连接的检波电容C10、检波电容C10的放电电阻R20，以及与检波电容C10和放电电阻R20的并接端连接的信号限幅保护二极管D6。

电弧检测互感装置L3串接在交流电源的火线或零线上，检测电线路中产生电弧时发出的EMI(电磁波)。

信号负载电阻R25并联在电弧检测互感装置L3的一端和公共地之间，信号负载电阻R26并联在电弧检测互感装置L3的另一端经过C11后的地之间，检测到的电弧故障信号通过信号耦合电容C11后送入上述信号检波电路2；再经过信号放大电路(U3)3放大后的信号一路送到信号分析处理电路5的AD转换器通道，另一路经过积分也送到信号分析处理电路5的另一路AD转换器通道。

本实用新型的电弧检测互感装置L3可以选用多种软磁材料，可以用比较好的粉芯材料、铂钼合金、非晶或者很便宜的铁氧体工型材料。

所述的零序电流检测部件10包括零序电流检测互感装置L2，零序电流检测互感装置L2是串在交流电源输入/输出双线回路中的，零序电流检测部件10还包括信号负载电阻R24、EMI吸收电容C8、C9，其中电阻R24和电容C8直接并联在零序电流检测互感装置L2两端，且零序电流检测互感装置L2一端接直流地。L2的另一端通过电阻R23连接到信号放大电路U3的3脚，并且U3的3脚和直流地之间接电容C9。

经零序电流检测互感装置L2检测到的信号，通过信号放大电路(U3)6(即上述的放大电路3)、稳压二极管VD4、积分电路(R27、R28、C12)后到三极管V3，经过V3倒相放大后送入信号分析处理电路5中。

本实施例中零序电流检测互感装置L2中的传感装置磁环是采用导磁材料—铂钼合金材料或者超微晶制作的。

上述故障信号(包括飞弧和漏电故障)经信号检波电路2、信号放大电路3、信号分析处理电路5，然后在信号分析处理电路5中通过判断、分析，发出特定的信号，经过驱动电路7驱动后，驱动脱扣装置8动作。

所述的脱扣装置8由开关(S1、S2)和控制所述开关动作的控制部件(未提示)组成，所述控制部件与所述动作驱动电路7连接，所述的脱扣装置8可以是专用的脱扣装置，也可以是继电器，或者可以是过电流脱扣装置。

本实用新型的电路工作原理如下：

如图2所示，230V(120V)的交流电，经过一个由吸收高频的瓷介电容C1、吸收浪涌的压敏电阻RY1、贴片电阻R1、R16组成的高压浪涌保护电路，然后连接到脱扣装置8(由本实用新型的装置中的电路部件控制、可以使电源和电器设备负载分离的装置，比如继电器等)，此外，上述高压浪涌保护电路还经电感L1后连接到整流桥D3，将交流电转化为直流电，配合可控硅V1控制脱扣装置。两根电源线分别经过两个降压电容C14、C15后到整流桥D1，整流后再经过C16吸收掉EMI(电磁干扰)后由MOSFET Q2、稳压二极管VD2、R6、R9控制提供给线路一个稳定的低压直流电源，以供使用。

与整流桥D3直流端并联的是可控硅V1，它的阳极和阴极直接与整流桥D3并联，栅极与电容C2和电阻R12相连，R11接到信号分析处理电路5的微处理器U2的7脚。当栅极接到一个从R11传来的动作电压信号后，阳极和阴极马上导通，在回路上产生一个大电流以便驱动L1以使线路供电回路中闭合的电磁控制开关脱开。

电阻R3与发光二极管LED(发光二极管LED指示ACVOUT是否通电)串联后再与整流桥D1直流端并联。

整个控制线路板的线路由一个电源部分提供电源，即上述的电源电路1。电源电路1的电压取自整流桥D1出来的直流高压。该直流高压经电阻R4和R5限流后，分别供给金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET Q2的漏极和三极管Q1的集电极，电压通过稳压二极管VD2的反馈，经过R9、R6后回到三极管Q1的基极，三极管Q1随着直流电源的电压微小的变化放大后送到MOSFET Q2的栅极，MOSFET Q2就随着三极管Q1的反馈来及时调整自己的内阻，来控制由源极输出的电压，以保证直流电源的稳定。

直流电源上还接了一个稳压二极管VD3，主要是为了防止万一在有直流电源以外过压的时候提供限压保护，进一步提高了产品的可靠性和实用性。MOSFET Q2的漏极串接一降压电阻R4，以减少MOSFET Q2的热损耗；MOSFET Q2输出的3.6V直流经过C4、储能后供电给信号分析处理电路5和放大线路等使用。由于使用了电容、电阻、MOSFET Q2的多次降压，所以电源的发热非常小，可以更可靠的不间断工作，同时也提供了在更高电源电压下工作的条件。

信号分析处理电路5的微处理器U2的1脚接电源，3、5、6、9脚悬空，7脚输出；U2的13脚是比较装置的正向输入端和AD转换输入端，12脚是比较装置的反向输入端、AD转换输入端和AD转换参考电压输入端，14脚接地。在U2判断到电路有故障后，它会输出一个高电平信号，经电阻R11，提供给可控硅V1的栅极一个动作信号。其中微处理器U2对通过上述零序电流检测部件10检测的漏电电流大小，电弧检测部件9检测的飞弧信号的瞬时状态和飞弧信号的能量分布，进行综合处理分析，以便判断是否需要保护。

与微处理器U2的2、8脚相连的是上述漏电电流的检测电路，即零序电流检测部件10，其中信号放大电路(U3)3的3脚通过电容C9与地相连并连到L2的一端，C9起一个消除运算放大装置误动作的作用；L2的另一端接地。U3的2脚通过R21与1脚相连接，U3的2脚还通过R22接地，主要起到一个负反馈的作用能够控制放大的比例；C8和R24则与零序电流检测互感装置L2并联，C8起着抗干扰吸收EMI的作用，R24是信号负载防止信号非线性失真，并将感应电流转化为电压以供采样，电阻R24的大小可以决定着漏电电流数据采样的灵敏度。

漏电电流信号经信号放大电路(U3)3放大后的信号(1脚)分成两路，一路直接到微处理器U2的一路AD转换8脚，以便在分析电弧故障的时候同时分析漏电。另外一路经过VD4后再经过R27、R28、C12积分后给V3的基极，此部分电路对信号的强度进行了区分，满足条件的才可以经过V3，然后到达U2的2脚，U2的2脚是一个进行外部中断处理的输入脚，这样的结构主要是在微处理器MCU休眠的时候出现漏电情况，微处理器MCU有同样的处理响应能力。

零序电流检测互感装置L2检测通过它的导线的漏电流，如无漏电现象，则信号放大电路(U3)3的1脚就输出一个低电平给U2的8脚，如有漏电，则U3的1脚就输出一个和漏电信号一致的被按比例放大的电压信号；MCU(U2)正常运行的时候由U2的8脚输入信号，经过U2内部的AD转换后进行处理，若U2在休眠中，则信号由VD4、R28、R27、C12经V3倒相放大后送到U2的2脚供它处理，来唤醒U2并判断是否需要脱扣。

与U2的13脚相连的是电弧检测部件9，电弧检测互感装置L3的一端接频率分离电容C11后，送到检波元件D5的一个交流输入端，同时该端还连接并联的电阻R26、到检波电路的检波元件D5的直流负输出端(直流地)，L3的另一端直接接到D5的另一个交流输入端，同时该端同样并联一电阻R25到直流地。由检波元件D5检波后的信号再到信号限幅元件D6，经过一个R20和C10组成的低通滤波器后送到信号放大电路U3的正输入端5脚，U3的输出端7脚一路送到U2的AD转换13脚，一路由R15、R16分压后送回U3的负输入端6脚，还有一路经过二极管D7后由R30、R29、C16组成的积分电路积分后送到U2的AD转换输入端11脚。

电弧检测互感装置L3检测电路中是否有电弧及漏电现象产生，如有则产生一个电流信号；C11起到信号耦合的作用，R25、R26是信号负载，主要用来控制信号处理的稳定性；信号检波电路2中的D5主要是用来检波，D6是信号幅度限制。能量提取电路4(二极管D7、电阻R30与R29、电容C16组成)是测量能量分布，信号检波电路2的输出与U2的10脚有一电阻R18相连接，和U2的4脚连接的是一个测试电路，当需要测试的时候，U2自己产生一个波形，用来测试整个信号通道是否正常。

所述信号分析处理电路5还与一个测试电路连接，是保护装置自检判断信号通道是否正常工作的电路，测试电路由电阻R13、电容C6和测试开关SW1组成。电阻R13一端接直流电源的+3.6V，另一端接C6、SW1和U2的4脚，当按下SW1的时候U2的4脚出现一个低电平，U2的10脚就输出一个交替变化的信号，即发出模拟故障信号，通过R18送到信号检波电路2上，如果信号通道正常，那么就模拟一次脱扣动作，来表示线路可以放心使用。

本实用新型装置的工作电压广(从60V到500V都可以正常工作)，扩展容易(如图3所示)，只要增加两路信号取样检波电路2，也就是把图2中的电弧检测互感装置L3和辅助元件变成LA、LB、LC及其分别的辅助元件组成的电路就扩展成为三相的保护装置。如图3所示具有集电弧故障、对地漏电故障、短路故障和过流故障检测等功能于一身的特点，它能在正常供电时自动检测故障，并在极短的时间内自动切断电源的功能(一般在15ms左右就可以判断动作)。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型权利要求书的范围内。

Claims

1、一种飞弧漏电保护装置，其特征在于由控制电路板、输出与所述控制电路板相连，输入与负载产生的电弧及漏电的故障信号的输入端相连的故障检测组件以及分别与所述控制电路板的动作的信号输出端及负载电源的电源供应端相连的脱扣装置组成，其中：

所述的控制电路板包括：

提供本实用新型装置的电源电路，包括两个降压电容(C14、C15)、一个整流桥(D1)电路，再经过电容(C16)吸收掉电磁干扰后和一个经整流桥(D1)整流后经由电阻(R4)、MOSFET(Q2)、电阻(R5)、稳压二极管(VD2)、电阻R9与R6及三极管Q1组成的线性稳压电路；

与所述故障检测组件中检测到的电弧信号连接的检波电路，是对所述电弧信号进行检波的部件，由检波元件(D5)以及与检波元件(D5)并联的限幅二极管(D6)、积分电容(C10)、信号负载电阻(R20)组成；

与所述信号放大电路连接的信号能量提取电路，是测量所述电弧信号能量分布的电路，由二极管(D7)以及由与二极管(D7)串联的电阻(R30、R29)和电容(C16)组成的积分电路构成；

与所述能量提取电路和信号放大电路分别连接的信号分析处理电路，这是对所述电弧信号进行分析处理，最后判断是否需要发出脱扣信号的部件，采用带比较器和AD转换器的芯片；以及

与所述信号分析处理电路的输出连接的动作驱动电路，这是当所述信号分析处理电路发出脱扣信号时，对该脱扣信号放大后迫使所述脱扣装置动作，以迅速切断电器设备的电源输入的部件，所述动作驱动电路的结构为：整流桥(D3)、与所述整流桥(D3)并联的可控硅(V1)，所述可控硅(V1)的栅极与电容(C2)和电阻(R12)相连，所述电容(C2)和电阻(R12)的并接端与电阻(R11)连接；

所述的电弧检测部件包括：

电弧检测互感装置(L3)，串接在交流电源的火线或零线上，检测电线路中产生电弧时发出的电磁波；

辅助元件，包括：与电弧检测互感装置(L3)的一端连接的信号负载电阻(R25)、与电弧检测互感装置(L3)的另一端连接的高频分离偶合电容(C11)、与电弧检测互感装置(L3)的两端分别连接的所述的检波元件(D5)、与电容(C11)连接的另一负载电阻(R26)、与负载电阻(R25)连接的检波电容(C10)、检波电容(C10)的放电电阻(R20)，以及与检波电容(C10)和放电电阻(R20)的并接端连接的信号限幅保护二极管(D6)；

所述的零序电流检测部件包括：

零序电流检测互感装置(L2)，是串在交流电源输入/输出双线回路中的；

辅助元件，包括：信号负载电阻(R24)、EMI吸收电容(C8、C9)，其中电阻(R24)和电容(C8)直接并联在零序电流检测互感装置(L2)两端，且零序电流检测互感装置(L2)一端接直流地，另一端通过电阻R23连接到所述信号放大电路(U3)的3脚，并且所述信号放大电路(U3)的3脚和直流地之间接电容(C9)。

所述的脱扣装置由开关(S1、S2)和控制所述开关动作的控制部件(未提示)组成，所述控制部件与所述动作驱动电路连接。

2、如权利要求1所述的飞弧漏电保护装置，其特征在于：

所述信号放大电路(U3)采用LM358集成电路。

3、如权利要求1所述的飞弧漏电保护装置，其特征在于：

所述信号分析处理电路包括微处理器MCU是采用带比较器和AD转换器的PIC12F676芯片、有八路输入的AD转换器、外部中断输入以及十二路通用输入输出端。

4、如权利要求1所述的飞弧漏电保护装置，其特征在于：

所述电弧检测互感装置(L3)选用粉芯材料或铂钼合金或非晶或铁氧体工型材料的软磁材料制成。

5、如权利要求1所述的飞弧漏电保护装置，其特征在于：

所述零序电流检测互感装置(L2)中的传感装置磁环是采用铂钼合金材料或者超微晶的导磁材料制作的。

6、如权利要求1所述的飞弧漏电保护装置，其特征在于：

所述的脱扣装置是继电器或者是过电流脱扣装置。

7、如权利要求1所述的飞弧漏电保护装置，其特征在于：

所述信号分析处理电路还与一个测试电路连接，是保护装置自检判断信号通道是否正常工作的电路，所述测试电路由电阻(R13)、电容(C6)和测试开关(SW1)组成，其中电阻(R13)一端接直流电源连接，另一端接电容(C6)和测试开关(SW1)以及和所述信号分析处理电路的微处理器(U2)，当按下测试开关(SW1)的时候，微处理器(U2)发出模拟故障信号，通过电阻(R18)送到所述信号检波电路上，就模拟一次脱扣动作，表示线路正常工作。