专利名称：一种漏电保护器专用集成块及其组成的多级漏电保护系统的制作方法
技术领域：
本发明是低压电器，尤其是一种漏电保护器的专用集成块及由其组成漏电保护器。
背景技术：
漏电保护器又称为剩余电流动作保护器、漏电保护开关(器)或故障保护开关(器)，主要用在电气设备发生漏电或者人身触电时，切断供电电源保证安全。目前存在以下问题1、根据我国实践情况，漏电事故高发地点是户外架空线和户内临时线上(简称为“两线”)，而我国在漏电保护方面等效采用了 IEC标准。IEC在剩余电流动作保护器上有多个标准构成一个体系(以下简体IEC)。IEC标准中将漏电保护分为间接接触和直接接触两大类。直接接触动作电流必须是30mA及以下的快速型保护。间接接触必须和外露可导电部分的接地保护相配合并且必须是延时型。上述“两线”尤其是户外架空线，是没有列入IEC标准体系中。这时的三级保护中的I级保护上的动作电流大约为300mA，动作延时时间约O. 2-0. 4S。这是不能满足户外架空线上的触电保护要求。2、目前，在我国特别是农村电网，推广应用的漏电保护器跳闸频繁，严重影响供电可靠性。其改进方法是采用分级保护。在IEC中是有分级保护的，但精确度差，满足触电保护程度低。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，经过调查研究积累大量数据，专利发明人创新出新的漏电保护理论。根据新的漏电保护理论的结论是电网中应当及时发现故障、清除故障后成为清洁电网。在清洁电网条件下，每个节点上的漏电流，根据统计概率理论是可以计算出的并由此计算得到保护器的额定动作电流和动作时间。根据计算，我极大部分低压电网的电源处的第I级保护器(也称总漏保)辅以合理的措施后，采用IOOmA左右定值，O. 2S以下的动作时限是可行的。根据中国的大量实践，表明这在户外条件下是安全的，有长期安全运行记录。这样的分级保护是能在两线上实现优化的触电保护并且是低跳闸率。因此对分级保护用专用集成块要重新设计。下面叙述专用集成块。重新设计的专用集成块是针对多级漏电保护系统要求，即用一块专用集成块改变外围元件参数就能满足多级漏电保护系统要求。每一级保护中，每一个漏电流对应有一个动作时间，这就是成为一根特性曲线。由于受温度、元件误差及其它条件的影响，特性曲线是一根上下包含误差的区间。这两级保护的特性曲线的区间只要不重叠、并留下少量裕度就可满足选择性要求。目前新设计的专用集成块是选择有限反时限特性，随着输入漏电流的增大动作延时减小，但到达一定输入电流后变成定时限特性，即动作延时不再随着输入电流的增大而变小。这样，既照顾小漏电流下，在安全允许条件下，尽量延时提高对电网中干扰的抗干扰能力；而在大漏电流下是定时限延时，以求得选择性。
根据上述分析，本发明是将剩余电流互感器送来的漏电信号，经并联电阻Rl后接到专用集成块，经专用集成块满足跳闸要求后，输出信号给开关执行机构，完成保护功能。这里用调节专用集成块外部的两个元件电阻R1，电容Cl，来满足分级保护要求。①电阻Rl是接在剩余电流互感器和专用集成块之间。由剩余电流互感器变换得到的信号，是由改变Rl来调节信号的大小。这就可以改变漏电保护器的动作电流。②电容Cl是接在专用集成块可控的恒流输出端上。专用集成块的恒流输到电容Cl上后，电压上升到一定值Ub时，专用集成块就输出跳闸信号。对应不同的电容Cl值，就可得到不同级别所需的动作特性曲线。在电容Cl旁边并有一只电阻R2。这是放电阻，本级保护在本次工作中不需要动作时，R2使电容Cl放电为下次工作作准备。有了上述专用集成块，在分级保护中，同一级别的保护器，可选用同一个数值的电容Cl ;不同级别的保护器选用不同的电容Cl值。这由此形成分级保护。由于上下级保护选用同一种专用集成块和同一种类型的电容器，只是数值的不同。这样因温度漂移及其它误差能互补。这提闻了延时精度，使得级差时间减少，大大减少了 I级保护(最闻一级保护)的动作时间，这为I级保护满足触电保护提供支持。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明漏电保护器专用集成块的示意图。图2是本发明漏电保护器专用集成块内，放大信号直接在第一翻转电路121内进行比较的示意图。图3是本发明漏电保护器专用集成块内，放大信号先由理想整流电路122进行整流后，再在第一翻转电路123内进行比较的示意图。图4是本发明实现的漏电保护器及由此组成三级漏电保护的示意图。图5是本发明实现的三级漏电保护系统特性曲线示例图。
具体实施例方式下面是以一个周波的半波为例，对工作过程进行说明。在图1中，剩余电流互感器200送来的漏电信号，经并联电阻Rl后接到专用集成块100，经专用集成块100满足跳闸要求后，输出信号给开关执行机构300，完成保护功能。这里用调节专用集成块100外的两个元件，来满足分级保护要求。①电阻R1。改变电阻Rl的大小可调节漏电保护器的动作电流。②电容Cl。改变电容Cl可调节动作延时时间。在工作中专用集成块100输出恒定电流到电容Cl上，电容Cl积累电量上升电压，达Ub就输出跳闸信号。对应不同的电容Cl值电压上升速度不一，就可得到不同的动作特性曲线。在电容Cl旁边并有一只电阻R2，这是放电阻，本级保护在本次工作中，不需要动作时(例下级保护先跳闸切断故障点)，使电容Cl从充电转为放电，为下次工作作准备。下面说明专用集成块100内部是如何工作过程的。剩余电流互感器200检测到的交流漏电信号经Rl送至专用集成块100的输入端，进入内部的放大电路110放大并叠加在基准电位上，该放大电路Iio产生的放大信号输入到第一翻转电路120与基准信号Ua进行比较，产生幅值固定，脉宽变化的矩形波信号。由于漏电信号是幅度变化很大的，它的范围可能达到O. 01-500A，变幅达5*104左右。为此在第一翻转电路120中，利用了反三角函数进行变换，将工频正弦交流信号变换成，宽度变化幅值固定为O或I的矩形波信号，使之满足有限反时限特性。由反三角函数公式可确定每个矩形波的宽度比八％为Δ=10*[3. 14-Arcsin (kl)-Arcsin (k2) ]/3. 14 (I)式中Λ工作半波导导通时间(mS) ;10是工作半波的时间(设为50Hzms) ；kl=Ml/i，是输入漏电流幅值i与(触发)基准信号Ml的比值；k2=M2/i，是输入漏电流幅值i与(返回)基准信号幅值M2的比值，并且Ml彡M2。当i〈Ml时上式不成立，保护器不动作；当i=Ml保护器开始动作,但动作时间趋向00 ；当i — c 时，Λ — IOmS为全导通半波，动作速度最快。上式中，Δ最后成为i的函数。第一翻转电路(120)输出的是定频率变寛度的矩形波信号。它用于控制恒流源电路130的通断，当矩形波信号为“O”时恒流源电路130不输出；当高电平“I”时，恒流源电路130输出恒定电流I到电容Cl上，使电容Cl的电位Ul上升。电容Cl的电位在工作半波中上升电位为U1，由下面公 式可求得U1=A*I/C1 (2)式中:U1是工作半波中电位上升的数值；1是恒流电路的输出值(在设计专用集成块时已设定)；C1是外接电容值；Λ是由(I)计算出。这在保护器产品中已是定值。当电容Cl的电位Ul上升和第二翻转电路140的基准信号Ub比较，当电位Ul达到基准信号Ub时，第二翻转电路140翻转，输出的控制信号经输出电路150输出。这样T唯一是Cl函数。这样根据要求进行设定Cl的大小，以达到不同级别保护器的要求。和电容Cl并联的是电阻R2。它的作用是(例如)当发生在下一级保护范围内发生故障，由于下级保护器电容Cl比较小，因此先跳闸切断故障点；这样本级保护器的C2上的电位在没有达到基准信号Ub前就停止了上升，这避免了跳闸；然后由放电电阻R2将已积累电量放完，为下次工作准备。这样做大大简化了电路，节约成本。上面是半波的工作过程。这种使用半波工作，已是能构成一只专用集成块。这在前一个半波是工作Ui上升；而在后跟的一个半波Ul不上升是等待(这是无效半波)。如此进行下去，直至满足跳闸条件为止。如果改用全波作工作的过程，则正负半波都是上升。这不浪费信息资源，可改进保护功能，缺点是加大电路结构。这种全波作工作的两种方案方案1，在第一翻转电路121内，所述基准信号Ua分别为Ml、M2、-Ml和-M2，并且并且Ml=1-Ml I ,M2=1-M2 I，Ml彡M2。其中Ml、M2专门对正半波起反应；-Ml和-M2是专门对负半波起反应；在Ml时实现翻转，M2时实现返回；-Μ1时实现翻转，-M2时实现返回。这就是在正负半波都设翻转和返回值。方案2，在第一翻转电路123之前，先对正负变化的漏电信号在理想整流电路122上进行理想整流，变换成脉动的连续半波信号，所述基准信号Ua分别为Ml和M2两个，并且Ml ^ M2 ;在肌时实现翻转，M2时实现返回。这就是先将全波转为双半波后进入在第一翻转电路。这样完成正负半波都起反应，这充分利用信号的信息量，可改善保护性能。上述的专用集成块中，可以使用通用专用集成块中的通用电路组件，例放大器，触发器，锁存储以求降低成本；尤其还包括电源供给电路160。根据本专利的设计与现有技术相比，可得到人们意想不到的效果1、只要选择电容Cl大小，就能满足各个级别的要求，并且它还能满足快速型、S型和延时型，A型、AC型保护器的不同要求，它几乎涵盖目前已知各种保护器的要求。2、它在小漏电下，具有的反时限特性，接近人体触电保护特性，避免电网的干扰提高抗干扰性能；它大漏电下，具有的定时限特性，能满足选择性要求。3、多级保护器选用本专利的专用集成块，只要改变电容Cl就能用到不同级别上很方便，众所周知电容是有温度漂移的，这会影响延时精度，而现在上下各级选用本发明提供的专用集成块和同一种类电容，可以弥补互相的偏差，这又可进一步提高选择性的要求。4、根据新的漏电保护理论和使用本专利集成块，可用切换开关来改变在电阻Rl和电容Cl的大小，这就可得到不同级别的保护，这十分方便。作为一个三级保护的实际例子，它的示意图绘在附图4上。它由电源出线上安装的I级保护；在每个用户处安装众多的3级保护；在1、2级之间安装若干2级保护。由此共同组成三级保护。这仅是个例子，根据电网结构是可以组成2级，3级，4级，乃至更多级保护。其中三级保护使用比较普遍。以三级保护作为实例，可以列出表一所示的动作电流和动作时间的两个方案表一
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权利要求
1.一种漏电保护器专用集成块，其特征在于，包括用于将输入的交流漏电信号进行放大并与基准电位叠加的放大电路(110)，该放大电路(110)产生的放大信号输入到第一翻转电路(120)并与第一翻转电路(120)的基准信号Ua进行比较，该第一翻转电路(120)的输出信号输入到恒流源电路(130)并控制恒流源电路(130)的输出通断，所述恒流源电路(130)输出到外接并联的电阻R2和电容Cl，该电容Cl上的信号输入到第二翻转电路(140)并与第二翻转电路(140)的基准信号Ub进行比较，第二翻转电路(140)的输出经输出电路(150)后输出至开关执行机构(300)。
2.根据权利要求1所述的漏电保护器专用集成块，其特征在于，若所述放大信号直接与第一翻转电路(121)内的基准信号Ua比较，所述第一翻转电路(121)内设置基准信号Ua为四个幅值，分别为M1、M2、-M1和-M2，并且Ml=1-Ml I ^ M2=1-M2 I。
3.根据权利要求1所述的漏电保护器专用集成块，其特征在于，若所述放大信号先由理想整流电路(121)进行整流后，再与第一翻转电路(122)内的基准信号Ua比较，所述第一翻转电路(122)内设置基准信号Ua为两个幅值，分别为Ml和M2，并且I Ml I彡I M2 I彡O。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的漏电保护器专用集成块，其特征在于，还包括电源供给电路(160)。
5.一种漏电保护器，包括剩余电流互感器(200)和开关执行机构(300)，其特征在于，还包括权利要求1至4任一项所述的专用集成块(100)，所述剩余电互感器(200)的输出端并联电阻Rl后连接专用集成块(100)的输入端，所述专用集成块的输出端连接开关执行机构(300)。
6.根据权利要求5所述的漏电保护器，其特征在于，选用不同的电阻Rl和电容Cl得到的漏电保护器来组成多级漏电保护系统。
全文摘要
一种漏电保护器专用集成块及其组成的多级漏电保护系统。剩余电流互感器来的漏电信号经R1调整后，送入专用集成块100中，经放大电路110，输入到第一翻转电路120，控制恒流源电路130的通断，恒流输出是到集成块100外的电容C1上，当达到规定值时第二翻转电路140翻转，经输出电路150由开关执行机构300将开关跳闸。改变C1容量，就会产生所需的延时。它在小漏电流时是反时限；在大漏电流时是定时限；这既满足选择性要求又提高抗干扰。它能满足快速型、S型和延时型等不同漏电保护器的要求。这可组成多级漏电保护系统；在电网的事故高发的户外架空线和户内临时线上实现最优化的保护，能在动作电流为100mA时在0.2秒内实现三级保护。
文档编号H02H3/32GK103036199SQ20121051243
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月3日 优先权日2012年12月3日
发明者程夏蕾, 祝明娟, 管慧, 胡枭, 郭行千, 吴卫国 申请人:水利部农村电气化研究所