專利名稱：低壓單相交流漏電保護器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種漏電保護裝置，尤其是涉及一種低壓單相交流漏電保 護器。
背景技術：
漏電保護器是一種用來對漏電和觸電情況進行保護的電器產(chǎn)品，其對 防止漏電火災和人身觸電具有重要作用。因此，國家對用電安全有強制要 求，在許多場合要安裝漏電保護器。現(xiàn)有的漏電保護器按動作原理分為電
子式和電磁式，其中電磁式漏電保護器工作原理為當發(fā)生漏電、觸電時， 通過判別機構對零序電流互感器所檢測到的信號進行判斷后，相應驅動執(zhí) 行機構的脫扣器動作，從而使主開關直接動作，以切斷電源，來保護人體 安全；而電子式漏電保護器的工作原理為當發(fā)生漏電、觸電時，將零序 電流互感器檢測到的信號放大后，再通過判別機構進行判別，繼而再驅動 執(zhí)行機構動作，以切斷電源。
根據(jù)以上電磁式和電子式漏電保護器的工作原理所制造的漏電保護 產(chǎn)品，大都存在以下缺點上述漏電保護器使用過程中，人體在發(fā)生觸電 后到擺脫電源前一直處于觸電過程，因而就存在傷亡的危險；加之，有些 漏電保護器的機械機構存在表面生銹、鐵芯的質量差、接點、觸點熔死等 原因，因而經(jīng)常會出現(xiàn)漏電保護器拒動、延時動作等情形，這樣觸電者所 受電擊程度會更嚴重，很容易造成傷亡，特別是小孩、老人、病人和行動 遲緩者。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種低壓單相交流漏電保護器，其電路設計合理、智能化程度高且使用效果 好，能有效解決現(xiàn)有漏電保護器所存在的動作不可靠、可能造成人員傷亡、 影響負載正常工作等實際問題。
為解決上述技術問題，本發(fā)明釆用的技術方案是 一種低壓單相交流漏 電保護器，其特征在于包括串接在供電電源與負載間供電回路中的斷電 跳鬧保護機構、發(fā)生接地故障時能即時發(fā)生諧振并產(chǎn)生瞬時高阻抗的諧振 保護電路、數(shù)據(jù)采集處理電路和根據(jù)數(shù)據(jù)釆集處理電路所檢測信號相應對
斷電跳閘保護機構進行控制的主控器；所述諧振保護電路為由兩個LC諧 振電路組成的雙諧振保護電路；所述兩個LC諧振電路分別為由電感線圈 Ll和并接在電感線圈Ll兩端的電容C1組成的LC諧振電路一和由電感線 圈L2和并接在電感線圈L2兩端的電容C2組成的LC諧振電路二，電感線 圈Ll和電感線圈L2為兩個互感線圈，其中Ll=L2=L,Cl=C2=C,l-2co2LC=0， co為供電電源的電源角頻率；電感線圈Ll和電感線圏L2分別串接在供電 電源的正負極與負載間的供電線路中，且供電電源的正負極分別與電感線 圈Ll和電感線圈L2的同名端相接，負載的兩個電源接線端分別與電感線 圈Ll和電感線圈L2的另 一個同名端相接；所述數(shù)據(jù)釆集處理電路并接在 電容C1或電容C2兩端，且其為實時對電容C1或電容C2兩端電壓進行實 時檢測并處理的電路；所述數(shù)據(jù)采集處理電路接主控器，主控器接斷電跳 閘保護機構；所述主控器為相隔l-5s連續(xù)兩次釆集并判斷數(shù)據(jù)釆集處理 電路所檢測電壓信號均超過門限電壓值時，控制斷電跳閘保護機構跳閘動 作的控制器。
所述電感線圈Ll和電感線圈L2由分別繞在同一個高導磁鐵芯柱上的 兩個線圈組成，所述兩個線圈的纏繞方向一致、線徑相同且所超繞線圏距 數(shù)相同。
所述主控器為單片機。
所述數(shù)據(jù)采集處理電路為將其實時所檢測的電容Cl或電容C2兩端電 壓轉變?yōu)?-24V標準電壓輸出的電路。所述斷電跳閘保護機構為繼電器，且所述繼電器的常閉觸點Kl串接 在供電電源與負載間的供電回路中。
還包括由主控器進行控制的告警單元。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點
1、 電路簡單且設計合理、接線方便。
2、 本發(fā)明正常工作時對供電線路及負載沒有影響，并且在發(fā)生接地
故障后至故障切除之前，能保證用電設備即負載不斷電，依然正常工作， 并且確保用電設備安全運行。經(jīng)實驗測定，發(fā)生接地故障時，雖然負載的
電壓比電源電壓低5%-10%,但仍讓能正常工作；另外，即使對負載的性質 和大小進行改變，本發(fā)明仍能起到保護功能。
3、 在出現(xiàn)接地故障或觸電事故時，利用諧振原理，能產(chǎn)生瞬時高阻 抗，即時使人體的觸電電壓降至人體安全電壓以下，從而大大限制了流過 人體電流，保證了人身安全。也就是說，在發(fā)生接地故障時，本發(fā)明能即 時有效地把流過人體的電流限制在安全電流以內(nèi)時。
4、 性能可靠且智能化程度高，為了安全考慮，本發(fā)明設有專門的信 號檢測與處理環(huán)節(jié)(即數(shù)據(jù)釆集處理電路)和斷電跳閘保護機構，并且采 用單片機對數(shù)據(jù)采集處理電路采集的故障特征信號即諧振保護電路電容 兩端的電壓進行處理，具體是將數(shù)據(jù)釆集處理電路釆集的電壓信號轉換為 實際電壓后，再與預先設定的門限電壓值(即斷電跳閘保護機構的動作電 壓)進行比較，當數(shù)據(jù)釆集處理電路采集的電壓信號長時間超過所設定的 門限電壓值時，單片機則驅動斷電跳閘保護機構動作，切斷供電電源，從 而實現(xiàn)智能控制。
5、 速動性很好，只需要將諧振保護電路的L和C參數(shù)配合適當，所 用的電器元件少且動作快，經(jīng)實驗測定，發(fā)生接地故障時，本發(fā)明在20ms 內(nèi)能將流過人體的電流降至20mA以下，因而能快速有效地保護人身安全。
6、 避免了現(xiàn)有漏電保護器所出現(xiàn)的頻繁誤動作、用電器頻繁起停等 缺陷、在本發(fā)明使用過程中，發(fā)生瞬時故障時設備即負載仍然能正常工作，只有故障持續(xù)長時間后才會將供電電源隔離，以確保設備運行安全。
綜上所述，本發(fā)明電路設計合理、智能化程度高且使用效果好，能有
效解決現(xiàn)有漏電保護器所存在的動作不可靠、可能造成人員傷亡、影響負
載正常工作等實際問題，其能在發(fā)生漏電及人身觸電時，更好地確保人身
安全和用電設備的安全運行。
下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。


圖l為本發(fā)明的電路原理圖。
圖2為本發(fā)明諧振保護電路未發(fā)生接地故障時的電路拓撲圖。 圖3為本發(fā)明諧振保護電路發(fā)生接地故障后穩(wěn)態(tài)時的電路拓撲圖。 附圖標記說明
l一諧振保護電路； 2—數(shù)據(jù)采集處理電路；3—主控器；
4一供電電源； 5 —負載； 6—斷電跳閘保護機構；
7—告警單元。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括串接在供電電源4與負載5間供電回路中的 斷電跳閘保護機構6、發(fā)生接地故障時能即時發(fā)生諧振并產(chǎn)生瞬時高阻抗 的諧振保護電路1、數(shù)據(jù)采集處理電路2和根據(jù)數(shù)據(jù)采集處理電路2所檢 測信號相應對斷電跳閘保護機構6進行控制的主控器3。同時，還包括由 主控器3進行控制的告警單元7。
所述諧振保護電路1為由兩個LC諧振電路組成的雙諧振保護電路。 所述兩個LC諧振電路分別為由電感線圈Ll和并接在電感線圈Ll兩端的 電容C1組成的LC諧振電路一。和由電感線圈L2和并接在電感線圈L2兩 端的電容C2組成的LC諧振電路二。所述電感線圈Ll和電感線圈L2為兩 個互感線圈，其中L1=L2=L, C1=C2=C， 1-2co2LC=0， co為供電電源4的電源角頻率。所述電感線圈Ll和電感線圏L2分別串接在供電電源4的正負 極與負載5間的供電線路中，且供電電源4的正負極分別與電感線圈Ll 和電感線圈L2的同名端(圖1中兩個加"*"端子)相接，負載5的兩個 電源接線端分別與電感線圈Ll和電感線圈L2的另一個同名端相接。所述 數(shù)據(jù)采集處理電路2并接在電容C1或電容C2兩端，且其為實時對電容C1 或電容C2兩端電壓進行實時檢測并處理的電路。所述數(shù)據(jù)采集處理電路2 接主控器3，主控器3接斷電跳閘保護機構6。所述主控器3為相隔l-5s 連續(xù)兩次釆集并判斷數(shù)據(jù)釆集處理電路2所檢測電壓信號均超過門限電壓 值時，控制斷電跳閘保護機構6跳閘動作的控制器。
本實施例中，所述電感線圈Ll和電感線圈L2由分別繞在同一個高導 磁鐵芯柱上的兩個線圈組成，所述兩個線圈的纏繞方向一致、線徑相同且 所超繞線圈匝數(shù)相同。所述主控器3為單片機，所述數(shù)據(jù)釆集處理電路2 為將其實時所檢測的電容C1或電容C2兩端電壓轉變?yōu)?-24V標準電壓輸 出的電路。所述斷電跳閘保護機構6為繼電器，且所述繼電器的常閉觸點 Kl串接在供電電源4與負載5間的供電回路中。所述數(shù)據(jù)釆集處理電路2 并接在電容Cl兩端。將數(shù)據(jù)釆集處理電路2所檢測的電壓信號轉換為 0-24V標準電壓信號， 一方面是為了將電容C1兩端的實際電壓轉換為可以 進入所述單片機模數(shù)轉換器的有效電壓，保證所述單片機能夠正確有效地 進行數(shù)據(jù)釆集；另一方面，是使進入所述單片機模數(shù)轉換器的電壓不超過 其正常工作電壓，保證不會燒壞芯片。
如圖2所示，未發(fā)生接地故障時，忽略電感線圏Ll和電感線圈L2的 電感分布電容、匝間電容和電感內(nèi)阻，即此時L產(chǎn)L產(chǎn)L,電感線圈L1和電 感線圈L2間的耦合系數(shù)K-1，則互感M4產(chǎn)L產(chǎn)L,從而得出電感線圈L2側 產(chǎn)生由電流控制的電壓源一>^ ,電感線圈Ll側產(chǎn)生由電流控制的電壓源 -^^2，即_>4和-^M分別為電感線圈li和電感線圈L2互感產(chǎn)生的電
動勢，其中w為供電電源4的電源角頻率，從而作出諧振保護電路未發(fā)生 接地故障時的電路拓樸圖。根據(jù)圖2所示的電路拓撲圖，由KCL得
式中，ii和^分別為電感線圈Ll和電感線圈Ll的電流。 由于C產(chǎn)C尸C,則化簡式(l)得(1-2WZC)(人-/2) = 0 (2) 由于此時L與C沒有發(fā)生諧振，且電感線圈Ll側和電感線圈L2側的 電路完全對等，所以A-A;而電容d和電容C2兩端的電壓為零(理想狀 態(tài))，即電感線圈L1和電感線圈L2上沒有電壓，其供電電源4的電源電 壓即&全部加在負載5上。
因而得出結論實際使用過程中，將本發(fā)明的諧振保護電路l接到被 保護線路中后，在諧振保護電路1正常工作情況下，不會對供電電源4與 負載5間的供電線路及負載5的運行情況產(chǎn)生影響。實際使用過程中，此 時，電容C1和C2兩端的電壓很小，只有幾伏。
如圖3所示，發(fā)生接地事故時，比如發(fā)生人體觸電事故時，同樣忽略 電感線圈Ll和電感線圈L2的電感分布電容、匝間電容和電感內(nèi)阻以及人 體電容，而電感線圏Ll和電感線圈L2間的電感耦合系數(shù)K-l,則互感 M=L1=L2=L,則可相應作出諧振保護電路發(fā)生接地故障后穩(wěn)態(tài)時的電路拓撲 圖，其中，—加"和—^"2同樣分別為電感線圈Ll和電感線圈L2互感產(chǎn) 生的電動勢。
根據(jù)圖3所示的電路拓撲圖，由KCL和KVL得
= O丄人—_/必丄/2) + /ri r ( 3 )
A + An = ^ + 7C2 + /2 (4)
=j C (加丄A - >zi2) (5)
=*C (加丄/2 - ) ( 6 )
化+i +4 -之)Z+(74-( 7 ) 其中，Rr為模擬人體接地電阻，i,和i,分別為發(fā)生接地故障后穩(wěn)態(tài)時
電感線圈Li和電感線圈Li的電流，id和i。分別為發(fā)生接地故障后穩(wěn)態(tài)時
電容d和C2的電流，ir為發(fā)生接地故障后穩(wěn)態(tài)時通過人體的電流，Z為負
'C2載的阻值。
由式(3)-式(5)可得 / =(l-2w2ZC)Z &
由式(8)得出，當發(fā)生接地事故時，想要使通過通過人體的電流為
零，則應有
/ = (1-26)2ZC)Z ^
r — *丄2 + _ 2 2ZCi rZ =0 ( 9 )
則需使得1-2"2ZC = 0，而本發(fā)明的L和C參數(shù)均滿足上述條件。
圖3中所述的電流參數(shù)均為在發(fā)生接地事故后很短時間內(nèi)的電流參 數(shù)，其中雖然71與/2的值不相等，但是能起到抑制觸電支路的電流即通過 人體的電流，從而起到很好的保護。此時，諧振保護電路l發(fā)生諧振，并 產(chǎn)生瞬間高阻抗，使得流過人體的電流非常小，電容C1和電容C2兩端的 電壓驟變至接近于供電電源4的電源電壓。
綜上，諧振保護電路l正常工作時，負載5承受電源電壓4，此時電 容Cl兩端的電壓很小只有幾伏；而當發(fā)生接地事故、漏電和人體觸電故 障時，諧振保護電路l即時產(chǎn)生高阻抗，限制流過人體的電流，同時負載 5仍然承受電源電壓4，因而依舊能正常工作，此時電容C1兩端的電壓驟 變至接近于供電電源4的電源電壓。因而釆用本發(fā)明既保護人身安全，又 能有效保護負載5機用電設備連續(xù)穩(wěn)定運行，電容C1和電容C2兩端的電 壓在發(fā)生接地故障時，從幾伏驟變到電源電壓，因而將電容C1和電容C2 兩端的電壓信號稱為故障特征信號。
本發(fā)明的工作過程是數(shù)據(jù)釆集處理電路2實時對電容Cl兩端的電 壓進行實時檢測，并將所檢測的電壓信號(即故障特征信號)轉換為0-24V 標準電壓信號后，同步傳送至單片機，具體送到所述單片機的模數(shù)轉換器； 單片機首先將數(shù)據(jù)釆集處理電路2所傳入的信號轉換為實際電壓信號后， 再與預先設定的門限電壓(即斷電跳閘保護機構6的動作電壓)進行比較， 當判斷得出數(shù)據(jù)釆集處理電路2所檢測的故障特征信號超過預先設定的門限電壓時，所述單片機控制告警單元7發(fā)出報警信號；之后延時l-5s后， 單片機再釆集一次數(shù)據(jù)釆集處理電路2所檢測的故障特征信號，若故障特 征信號仍大于門限電壓，則單片機給斷電跳閘保護機構6發(fā)送跳閘指令， 控制斷電跳閘保護機構6動作，以切斷供電電源4與負載5之間的供電線 路。
綜上所述，諧振保護電路1正常工作時，電感線圏Ll和電感線圈L2 兩端沒有電壓，負載5承受供電電源4的電源電壓且正常工作。當發(fā)生接 地故障時，開關K2閉合，此時諧振保護電路l即時產(chǎn)生高阻抗，將人體電 壓降到人體安全電壓以下，限制流過人體的電流在安全電流以下，從而保 護人身安全；同時，單片機釆集數(shù)據(jù)釆集處理電路2所檢測故障特征信號， 并將其與門限電壓進行比較，當故障特征信號超過門限電壓時，控制告警 單元7進行報警，并且延時后再次釆集故障特征信號若延時后單片機采 集到的故障特征信號比門限電壓低，則認為此次的接地故障為瞬時故障， 不向斷電跳閘保護機構6發(fā)送跳閘信號；若延時后釆集到的故障特征信號 仍然高于門限電壓，則認為此次的接地故障為永久故障，則由單片機向斷 電跳閘保護機構6發(fā)送跳閘信號，切斷供電電源4。在發(fā)生接地故障后切 斷供電電源4前，負載5始終承受供電電源4的電源電壓，因而能保證設 備的持續(xù)穩(wěn)定工作。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是 根據(jù)本發(fā)明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構 變化，均仍屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種低壓單相交流漏電保護器，其特征在于包括串接在供電電源(4)與負載(5)間供電回路中的斷電跳閘保護機構(6)、發(fā)生接地故障時能即時發(fā)生諧振并產(chǎn)生瞬時高阻抗的諧振保護電路(1)、數(shù)據(jù)采集處理電路(2)和根據(jù)數(shù)據(jù)采集處理電路(2)所檢測信號相應對斷電跳閘保護機構(6)進行控制的主控器(3)；所述諧振保護電路(1)為由兩個LC諧振電路組成的雙諧振保護電路；所述兩個LC諧振電路分別為由電感線圈L1和并接在電感線圈L1兩端的電容C1組成的LC諧振電路一和由電感線圈L2和并接在電感線圈L2兩端的電容C2組成的LC諧振電路二，電感線圈L1和電感線圈L2為兩個互感線圈，其中L1＝L2＝L，C1＝C2＝C，1-2ω2LC＝0，ω為供電電源(4)的電源角頻率；電感線圈L1和電感線圈L2分別串接在供電電源(4)的正負極與負載(5)間的供電線路中，且供電電源(4)的正負極分別與電感線圈L1和電感線圈L2的同名端相接，負載(5)的兩個電源接線端分別與電感線圈L1和電感線圈L2的另一個同名端相接；所述數(shù)據(jù)采集處理電路(2)并接在電容C1或電容C2兩端，且其為實時對電容C1或電容C2兩端電壓進行實時檢測并處理的電路；所述數(shù)據(jù)采集處理電路(2)接主控器(3)，主控器(3)接斷電跳閘保護機構(6)；所述主控器(3)為相隔1-5s連續(xù)兩次采集并判斷數(shù)據(jù)采集處理電路(2)所檢測電壓信號均超過門限電壓值時，控制斷電跳閘保護機構(6)跳閘動作的控制器。
2. 按照權利要求l所述的低壓單相交流漏電保護器，其特征在于所 述電感線圈Ll和電感線圈L2由分別繞在同一個高導磁鐵芯柱上的兩個線 圈組成，所述兩個線圏的纏繞方向一致、線徑相同且所超繞線圈匝數(shù)相同。
3. 按照權利要求1或2所述的低壓單相交流漏電保護器，其特征在于 所述主控器(3)為單片機。
4. 按照權利要求l或2所述的低壓單相交流漏電保護器，其特征在于 所述數(shù)據(jù)釆集處理電路(2)為將其實時所檢測的電容C1或電容C2兩端電壓轉變?yōu)?-24V標準電壓輸出的電路。
5. 按照權利要求l或2所述的低壓單相交流漏電保護器，其特征在于: 所述斷電跳閘保護機構(6)為繼電器，且所述繼電器的常閉觸點Kl串接 在供電電源(4)與負載(5)間的供電回路中。
6. 按照權利要求1或2所述的低壓單相交流漏電保護器，其特征在于: 還包括由主控器(3)進行控制的告警單元(7)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低壓單相交流漏電保護器，包括串接在供電回路中的斷電跳閘保護機構、發(fā)生接地故障時能即時發(fā)生諧振并產(chǎn)生瞬時高阻抗的諧振保護電路、數(shù)據(jù)采集處理電路和據(jù)數(shù)據(jù)采集處理電路所檢測信號對斷電跳閘保護機構進行控制的主控器；諧振保護電路為由兩個LC諧振電路組成的雙諧振保護電路；兩個LC諧振電路為由L1和C1組成的LC諧振電路一和由L2和C2組成的LC諧振電路二，L1和L2為兩個互感線圈；數(shù)據(jù)采集處理電路并接在電容C1或電容C2兩端。本發(fā)明電路設計合理、智能化程度高且使用效果好，能有效解決現(xiàn)有漏電保護器所存在的動作不可靠、可能造成人員傷亡、影響負載正常工作等實際問題。
文檔編號H02H3/32GK101567550SQ20091002289
公開日2009年10月28日 申請日期2009年6月9日 優(yōu)先權日2009年6月9日
發(fā)明者傅周興, 張利瓛, 忠 李, 董鋒斌 申請人:西安科技大學