专利名称：具有寿命终结指示功能的接地故障断路器的制作方法
技术领域：
具有寿命终结指示功能的接地故障断路器狀舰本实用新型涉及故障断路器，具体涉及一种具有寿命终结指示功能的 接地故障断路器 肖賊*接地故障断路器主要用来在设备发生相线对地或者中线对地发生高阻 或低阻短路，对设备或者人身产生危险时，以切断电源供电的方式进行必 要保护的器件。由于接地故障断路器具有高灵敏性和动作的快速性，这是 其他类型保护电器，如熔断器、自动开关等无法比拟的。自动开关或者熔 断器正常运行时通过复合电流，其动作保护值要避越正常负荷电流来整定, 主要作用是切断系统的相间短路故障或起过载保护作用。而漏电保护器是 利用系统的剩余电流反应和动作，故它的动作整定值可以整定得很小(一般为小于5毫安)，当系统发生人身触电或者设备外壳带电等接地故障时， 出现较大的剩余电流，接地故障断路器通过检测和处理这个剩余电流后可 靠动作，切断电源。接地故障断路器的基本结构包括故障电流传感部件(电流传感线圈、 驱动感应线圈)、信号调理电路、信号放大电路、信号比较电路、阈值开关 电路、动作执行机构以及其他外围电路和部件。其中信号传感部件是由两 个原副边匝数比为l: 1000和l: 200的零序电流传感器组成；信号调理电 路由电容组成信号提取电路；通用信号放大电路、信号比较电路则釆用专
用芯片，如国家半导体公司的LM1851和仙童公司的RV4145A等实现；阈 值开关电路有硅控整流管(SCR)组成；动作执行机构则由脱扣器及相关 的附件组成；其他的外围电路和部件还包括动静出头、检测按钮和复位按 钮以及其他一些接线器等。在UL943 —2006未执行之前，接地故障断路器 主要的功能包括(1)当相对地和中线对地发生故障，且故障电流大于5毫 安时，断开电源；(2)在没有故障电流或者故障电流未达到故障临界值时， 通过复位按钮可以使接地故障断路器与电源接通(3)通过测试按钮能够 实现对接地故障断路器的功能测试，通过按下测试按钮，达到切断电源的 功能；(4)当负载端和电源端发生反接线故障时，能够使接地故障断路器 无法带电，达到保护的功能。由于接地故障断路器的动作速度快，结构简 单，目前在欧美已经得到广泛的使用。根据UL943—2006之前关于接地故障断路器的标准，接地故障断路器 不具备自动寿命判断功能，接地故障断路器的是否存在故障或者是否达到 寿命终结依靠用户定期手动按压测试按钮实现，不具有自动操作功能。同 时脱扣器处于常供电状态，接地故障断路器自身功耗大，影响脱扣器的寿 命。接地故障断路器的工作状态无法通过声光信号获知。 《舰型赠本实用新型的主要目的是提供一种具有寿命终结指示功能的接地故障 断路器，满足UL943-2006中关于自动寿命评估功能，并且能够通过发光二 极管的闪烁频率不同，指示接地故障断路器的正常与异常工作状态。本实用新型提供的技术方案如下构造一种具有寿命终结指示功能的 接地故障断路器，包括由电源模块供电的可编程集成模块和动作机构、以及通过信号放大电路与可编程集成模块连接的传感器和信号调整电路、测 试按钮、与可编程集成模块连接的复位按钮，还包括与可编程集成模块连 接的寿命检测指示模块。所述寿命检测指示模块包括开关管K4和电阻R18，开关管K4的源极 与地之间串接电阻R18，开关管K4的漏极接传感器和信号调整电路，开关 管K4的门极接可编程集成模块的I/O 口 ，所述寿命检测指示模块还包括受 可编程集成模块控制的发光二极管。所述开关管K4的源漏极耐压大于60V、导通电阻小于O.l欧姆，电阻 R18的阻值保证当开关管K4源漏极导通后中性线与地线之间的总阻值小 于1欧姆。所述传感器和信号调整电路包括电流传感线圈和驱动感应线圈，所述 电流传感线圈包括原副边匝数之比为1:1000的零序电流传感器和电容C3; 所述驱动感应线圈包括原副边匝数之比为1: 200的零序电流传感器和电容 C2。所述零序电流传感器具有环形微晶材料制备的铁芯。 所述信号放大电路采用工业级运算放大器，所述放大器集成四个运算 放大器，采用单电源供电，4个运算放大器中，两个用于射极跟随器，保 证传感器与后级放大器之间的阻抗匹配，另外两个运算放大器级联放大，设定这两级的放大器的增益均为24dB,两级放大总的增益为48dB。所述电源模块由桥式整流硅堆、滤波电容、稳压管电路等元件组成。 所述动作机构包括受可编程集成模块控制的开关管，与开关管连接的脱扣器以及动静触头。 本实用新型具有如下优点由于设有自动寿命检测模块，发光二极管 可以不同的闪烁频率指示接地故障断路器的工作状态；当发生负载端和电 源端的反接线时，可编程集成模块和开关管无法供电，脱扣器无法动作， 无法通过复位按钮接通电源。IM翻
图1是本实用新型具有寿命指示功能的接地故障断路器的方框图； 图2是本实用新型可编程集成模块与寿命检测指示模块的电路图； 图3是本实用新型的电路原理图，参照图l、图2、图3，提供一种具有寿命终结指示功能的接地故障断 路器，包括由电源模块供电的可编程集成模块和动作机构、以及通过信号 放大电路与可编程集成模块连接的传感器和信号调整电路、测试按钮、与 可编程集成模块连接的复位按钮，还包括与可编程集成模块连接的寿命检 测指示模块。电源模块由桥式整流硅堆、滤波电容、稳压管电路等元件组成，是一 个成熟的电路模块，为可编程集成模块和运算放大器提供+5伏电源。>(^用 该电路模块在保证供电电源功率的前提下，模块体积较小。传感器和信号调理电路由两个原副边匝数之比分别为1: 1000和1: 200的零序电流传感器以及由电容组成的信号。这两个匝数比不同的线圈 分别称为电流传感线圈和驱动感应线圈。采用零序电流传感器，并且电流 传感器采用环形微晶材料制备的铁芯，可以减小角差对测量的影响。信号放大电路采用工业级运算放大器，此放大器集成四个运算放大器，
采用单电源供电，4个运算放大器中， -个用于射极跟随器，保证传感器 与后级放大器之间的阻抗匹配，另外两个运算放大器级联放大，设定这两 级的放大器的增益均为24犯，两级放大总的增益为48dB。可编程集成模块采用Microchip公司生产的8位可编程集成模块。当 接通故障断路器的外部电源后，故障断路器上的一个带电信号标志(发光 二极管)导通发光。可编程集成模块带电后自检。自检过程中将寿命终结 用指示发光二极管的I/O 口以及用以监测复位按钮动作的I/O 口均置为低电 平。如果复位按钮在自检完成后被按压，对应的检测复位键的I/O变成高 电平。可编程集成模块将控制开关管门极电平的I/O 口置为高电平。开关 管导通，脱扣器回路闭合，脱扣器动作带动动触头，动静触头接通，负载 接通电源侧。随后可编程集成模块开始周期性査询来自电流传感线圈并经 信号放大模块放大后的信号，査询时间lms。査询信号与程序设定值比较， 如果比设定值大，由可编程集成模块控制开关的I/O 口给开关管门极发送 一个高电平，开关管导通，使脱扣器的第二线圈带电，脱扣器动作，使动 静触头断开，电源与负载断开。如果可编程集成模块检测到来自电流传感 线圈的信号不超过设定值，可编程集成模块执行自动寿命检测功能(由寿 命检测指示模块详细描述)。可编程集成模块完成自动寿命检测功能后，继 续进行电流传感线圈的接地故障电流检测。如果始终没有检测到接地故障 电流超过设定值，则可编程集成模块重复执行接地故障电流和自动寿命检 测动作。寿命检测指示模块是根据UL中关于中性线接地故障检测功能的要求， 在中性线与地线之间串接一个1欧姆的电阻，检测在通过1欧姆电阻下的
中性线与地线的接地故障电流时是否发生动作。有鉴于与此，通过在中性线与地线间串接一只开关管(此开关管的源漏极耐压大于60V，导通电阻 小于O.l欧姆)，在源极与地之间串接一个电阻，这个电阻保证当源漏极导 通后中性线与地线之间的总的串联电阻小于1欧姆。通过可编程集成模块 中的可编程控制模块的一个1/0 口以每分钟1次的频率给开关管的门极置 高电平，导致开关管导通。通过驱动感应线圈和电流传感线圈之间的电路 和磁路的耦合，在电流传感线圈的副边感应一个电流。此电流通过信号放 大模块放大后输入可编程集成模块。可编程集成模块将此信号与模块内预 设的值进行比较。如果二者相等，表明电源模块到可编程集成模块工作正 常。由可编程集成模块的表示寿命终结的I/O为寿命终结指示发光二极管 置低电平。寿命终结指示发光二极管处于缓慢闪烁状态(每IO秒闪烁1次)。 如果模块给出获得电流信号大于预设值，则由可编程集成模块中的可编程 控制模块表示寿命终结的I/O 口给出一个急速闪烁用的低电平。寿命终结 指示发光二极管急速闪烁(每1秒1次)。同时可编程控制模块通过给控制 脱扣器的第二线圈的开关管的门极一个高电平，开关管导通，脱扣器动作， 切断电源与负载。如果由于开关管或者脱扣器发生故障，切断电源的动作 没有得到执行，由寿命终结发光二极管的急速闪烁可以给出指示，接地故 障断路器达到寿命终结。在此模块的开关管的源漏极上并联一个瞬态抑制 管，瞬态抑制管的击穿电压60V。 一方面可以保证开关管在正常使用时不 会由于中性线与地线间异常高电位差导致击穿。另一方面，当发生相线和 中性线的错接线时，由于中性线与地线之间的开关管并联的瞬态抑制管的 击穿电压(60V)远低于相线与中线之间的工作电压，瞬态抑制管导通，保护 了开关管，同时在中线与地线间产生一个大的剩余电流。由传感器和信号 调整电路获得此大电流信号，经可编程集成模块和动作机构共同作用，断 开负载和电源侧的电气连接。除非错接线的故障排除，复位按钮的动作不 能使脱扣器的第一线圈带电，衔铁不动作，无法实现抱锁装置的抱锁动作 而实现电源侧和负载侧的电气连接。动作机构包括开关管、脱扣器以及动静触头等。开关管受可编程集成 模块的控制，当接地故障电流超过预设值时，开关管导通，脱扣器第二线 圈带电后动作，衔铁带动抱锁装置，抱锁装置在弹簧力的作用下，带动动 触头脱离静触头，实现负载与电源电气连接断开。故障断路器其他附件的功能，包括复位按钮、测试按钮等。复位按钮按下后，给模块四中监测复位按钮状态的I/O —个髙电平，表明复位按钮动作过，可编程集成模块检测一切正常后，给动作机构中的开关管一个高 电平触发，触发脱扣器的第一线圈动作，衔铁在第一线圈电磁力的作用下， 挤压抱锁机构，抱锁机构实现抱锁，动静触头在弹簧力的作用下，实现负 载和电源的可靠电气连接。测试按钮接通相线与负载侧的中性线，这个电路连接是通过串接一个22K的电阻实现。在传感器和信号调整电路的电流 传感线圈的原边产生一个5毫安电流，通过信号放大模块放大，经可编程 集成模块检测比较，发出一个触发信号，开关管导通，脱扣器的第二线圈 带电，在衔铁的作用下，来开抱锁装置，动静触头在弹簧力的作用下，实 现触头分离，断开电源和负载的电气连接。
权利要求1、一种具有寿命终结指示功能的接地故障断路器，包括由电源模块供电的可编程集成模块和动作机构、以及通过信号放大电路与可编程集成模块连接的传感器和信号调整电路、测试按钮、与可编程集成模块连接的复位按钮，其特征在于，还包括与可编程集成模块连接的寿命检测指示模块。
2、 根据权利要求1所述的具有寿命终结指示功能的接地故障断路器， 其特征在于，所述寿命检测指示模块包括开关管K4和电阻R18，开关管 K4的源极与地之间串接电阻R18，开关管K4的漏极接传感器和信号调整 电路，开关管K4的门极接可编程集成模块的I/0口，所述寿命检测指示模 块还包括受可编程集成模块控制的发光二极管。
3、 根据权利要求2所述的具有寿命终结指示功能的接地故障断路器， 其特征在于，所述开关管K4的源漏极耐压大于60V、导通电阻小于O.l欧 姆，电阻R18的阻值保证当开关管K4源漏极导通后中性线与地线之间的 总阻值小于1欧姆。
4、 根据权利要求1所述的具有寿命终结指示功能的接地故障断路器， 其特征在于，所述传感器和信号调整电路包括电流传感线圈和驱动感应线 圈，所述电流传感线圈包括原副边匝数之比为1: 1000的零序电流传感器 和电容C3;所述驱动感应线圈包括原副边匝数之比为1: 200的零序电流 传感器和电容C2。
5、 根据权利要求4所述的具有寿命终结指示功能的接地故障断路器， 其特征在于，所述零序电流传感器具有环形微晶材料制备的铁芯。
6、 根据权利要求1所述的具有寿命终结指示功能的接地故障断路器， 其特征在于，所述信号放大电路采用工业级运算放大器，所述放大器集成 四个运算放大器，采用单电源供电，4个运算放大器中，两个用于射极跟 随器，保证传感器与后级放大器之间的阻抗匹配，另外两个运算放大器级 联放大，设定这两级的放大器的增益均为24dB，两级放大总的增益为48dB。
7、 根据权利要求1所述的具有寿命终结指示功能的接地故障断路器， 其特征在于，所述电源模块由桥式整流硅堆、滤波电容、稳压管电路等元 件组成。
8、 根据权利要求1所述的具有寿命终结指示功能的接地故障断路器， 其特征在于，所述动作机构包括受可编程集成模块控制的开关管，与开关 管连接的脱扣器以及动静触头。
专利摘要本实用新型公开了一种具有寿命终结指示功能的接地故障断路器。包括由电源模块供电的可编程集成模块和动作机构、以及通过信号放大电路与可编程集成模块连接的传感器和信号调整电路、测试按钮、与可编程集成模块连接的复位按钮，还包括与可编程集成模块连接的寿命检测指示模块。本实用新型具有如下优点由于设有自动寿命检测模块，发光二极管可以不同的闪烁频率指示接地故障断路器的工作状态；当发生负载端和电源端的反接线时，可编程集成模块和开关管无法供电，脱扣器无法动作，无法通过复位按钮接通电源。
文档编号H02H3/16GK201054493SQ20072011943
公开日2008年4月30日 申请日期2007年4月10日 优先权日2007年4月10日
发明者毅 尹, 李旭光, 董小兵 申请人:东莞佑忠电子有限公司