专利名称：低压单相交流漏电保护器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种漏电保护装置，尤其是涉及一种低压单相交流漏电保 护器。
背景技术：
漏电保护器是一种用来对漏电和触电情况进行保护的电器产品，其对 防止漏电火灾和人身触电具有重要作用。因此，国家对用电安全有强制要 求，在许多场合要安装漏电保护器。现有的漏电保护器按动作原理分为电
子式和电磁式，其中电磁式漏电保护器工作原理为当发生漏电、触电时， 通过判别机构对零序电流互感器所检测到的信号进行判断后，相应驱动执 行机构的脱扣器动作，从而使主开关直接动作，以切断电源，来保护人体 安全；而电子式漏电保护器的工作原理为当发生漏电、触电时，将零序 电流互感器检测到的信号放大后，再通过判别机构进行判别，继而再驱动 执行机构动作，以切断电源。
根据以上电磁式和电子式漏电保护器的工作原理所制造的漏电保护 产品，大都存在以下缺点上述漏电保护器使用过程中，人体在发生触电 后到摆脱电源前一直处于触电过程，因而就存在伤亡的危险；加之，有些 漏电保护器的机械机构存在表面生锈、铁芯的质量差、接点、触点熔死等 原因，因而经常会出现漏电保护器拒动、延时动作等情形，这样触电者所 受电击程度会更严重，很容易造成伤亡，特别是小孩、老人、病人和行动 迟缓者。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种低压单相交流漏电保护器，其电路设计合理、智能化程度高且使用效果 好，能有效解决现有漏电保护器所存在的动作不可靠、可能造成人员伤亡、 影响负载正常工作等实际问题。
为解决上述技术问题，本发明釆用的技术方案是 一种低压单相交流漏 电保护器，其特征在于包括串接在供电电源与负载间供电回路中的断电 跳闹保护机构、发生接地故障时能即时发生谐振并产生瞬时高阻抗的谐振 保护电路、数据采集处理电路和根据数据釆集处理电路所检测信号相应对
断电跳闸保护机构进行控制的主控器；所述谐振保护电路为由两个LC谐 振电路组成的双谐振保护电路；所述两个LC谐振电路分别为由电感线圈 Ll和并接在电感线圈Ll两端的电容C1组成的LC谐振电路一和由电感线 圈L2和并接在电感线圈L2两端的电容C2组成的LC谐振电路二，电感线 圈Ll和电感线圈L2为两个互感线圈，其中Ll=L2=L,Cl=C2=C,l-2co2LC=0， co为供电电源的电源角频率；电感线圈Ll和电感线圏L2分别串接在供电 电源的正负极与负载间的供电线路中，且供电电源的正负极分别与电感线 圈Ll和电感线圈L2的同名端相接，负载的两个电源接线端分别与电感线 圈Ll和电感线圈L2的另 一个同名端相接；所述数据釆集处理电路并接在 电容C1或电容C2两端，且其为实时对电容C1或电容C2两端电压进行实 时检测并处理的电路；所述数据采集处理电路接主控器，主控器接断电跳 闸保护机构；所述主控器为相隔l-5s连续两次釆集并判断数据釆集处理 电路所检测电压信号均超过门限电压值时，控制断电跳闸保护机构跳闸动 作的控制器。
所述电感线圈Ll和电感线圈L2由分别绕在同一个高导磁铁芯柱上的 两个线圈组成，所述两个线圈的缠绕方向一致、线径相同且所超绕线圏距 数相同。
所述主控器为单片机。
所述数据采集处理电路为将其实时所检测的电容Cl或电容C2两端电 压转变为0-24V标准电压输出的电路。所述断电跳闸保护机构为继电器，且所述继电器的常闭触点Kl串接 在供电电源与负载间的供电回路中。
还包括由主控器进行控制的告警单元。 本发明与现有技术相比具有以下优点
1、 电路简单且设计合理、接线方便。
2、 本发明正常工作时对供电线路及负载没有影响，并且在发生接地
故障后至故障切除之前，能保证用电设备即负载不断电，依然正常工作， 并且确保用电设备安全运行。经实验测定，发生接地故障时，虽然负载的
电压比电源电压低5%-10%,但仍让能正常工作；另外，即使对负载的性质 和大小进行改变，本发明仍能起到保护功能。
3、 在出现接地故障或触电事故时，利用谐振原理，能产生瞬时高阻 抗，即时使人体的触电电压降至人体安全电压以下，从而大大限制了流过 人体电流，保证了人身安全。也就是说，在发生接地故障时，本发明能即 时有效地把流过人体的电流限制在安全电流以内时。
4、 性能可靠且智能化程度高，为了安全考虑，本发明设有专门的信 号检测与处理环节(即数据釆集处理电路)和断电跳闸保护机构，并且采 用单片机对数据采集处理电路采集的故障特征信号即谐振保护电路电容 两端的电压进行处理，具体是将数据釆集处理电路釆集的电压信号转换为 实际电压后，再与预先设定的门限电压值(即断电跳闸保护机构的动作电 压)进行比较，当数据釆集处理电路采集的电压信号长时间超过所设定的 门限电压值时，单片机则驱动断电跳闸保护机构动作，切断供电电源，从 而实现智能控制。
5、 速动性很好，只需要将谐振保护电路的L和C参数配合适当，所 用的电器元件少且动作快，经实验测定，发生接地故障时，本发明在20ms 内能将流过人体的电流降至20mA以下，因而能快速有效地保护人身安全。
6、 避免了现有漏电保护器所出现的频繁误动作、用电器频繁起停等 缺陷、在本发明使用过程中，发生瞬时故障时设备即负载仍然能正常工作，只有故障持续长时间后才会将供电电源隔离，以确保设备运行安全。
综上所述，本发明电路设计合理、智能化程度高且使用效果好，能有
效解决现有漏电保护器所存在的动作不可靠、可能造成人员伤亡、影响负
载正常工作等实际问题，其能在发生漏电及人身触电时，更好地确保人身
安全和用电设备的安全运行。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图l为本发明的电路原理图。
图2为本发明谐振保护电路未发生接地故障时的电路拓扑图。 图3为本发明谐振保护电路发生接地故障后稳态时的电路拓扑图。 附图标记说明
l一谐振保护电路； 2—数据采集处理电路；3—主控器；
4一供电电源； 5 —负载； 6—断电跳闸保护机构；
7—告警单元。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括串接在供电电源4与负载5间供电回路中的 断电跳闸保护机构6、发生接地故障时能即时发生谐振并产生瞬时高阻抗 的谐振保护电路1、数据采集处理电路2和根据数据采集处理电路2所检 测信号相应对断电跳闸保护机构6进行控制的主控器3。同时，还包括由 主控器3进行控制的告警单元7。
所述谐振保护电路1为由两个LC谐振电路组成的双谐振保护电路。 所述两个LC谐振电路分别为由电感线圈Ll和并接在电感线圈Ll两端的 电容C1组成的LC谐振电路一。和由电感线圈L2和并接在电感线圈L2两 端的电容C2组成的LC谐振电路二。所述电感线圈Ll和电感线圈L2为两 个互感线圈，其中L1=L2=L, C1=C2=C， 1-2co2LC=0， co为供电电源4的电源角频率。所述电感线圈Ll和电感线圏L2分别串接在供电电源4的正负 极与负载5间的供电线路中，且供电电源4的正负极分别与电感线圈Ll 和电感线圈L2的同名端(图1中两个加"*"端子)相接，负载5的两个 电源接线端分别与电感线圈Ll和电感线圈L2的另一个同名端相接。所述 数据采集处理电路2并接在电容C1或电容C2两端，且其为实时对电容C1 或电容C2两端电压进行实时检测并处理的电路。所述数据采集处理电路2 接主控器3，主控器3接断电跳闸保护机构6。所述主控器3为相隔l-5s 连续两次釆集并判断数据釆集处理电路2所检测电压信号均超过门限电压 值时，控制断电跳闸保护机构6跳闸动作的控制器。
本实施例中，所述电感线圈Ll和电感线圈L2由分别绕在同一个高导 磁铁芯柱上的两个线圈组成，所述两个线圈的缠绕方向一致、线径相同且 所超绕线圈匝数相同。所述主控器3为单片机，所述数据釆集处理电路2 为将其实时所检测的电容C1或电容C2两端电压转变为0-24V标准电压输 出的电路。所述断电跳闸保护机构6为继电器，且所述继电器的常闭触点 Kl串接在供电电源4与负载5间的供电回路中。所述数据釆集处理电路2 并接在电容Cl两端。将数据釆集处理电路2所检测的电压信号转换为 0-24V标准电压信号， 一方面是为了将电容C1两端的实际电压转换为可以 进入所述单片机模数转换器的有效电压，保证所述单片机能够正确有效地 进行数据釆集；另一方面，是使进入所述单片机模数转换器的电压不超过 其正常工作电压，保证不会烧坏芯片。
如图2所示，未发生接地故障时，忽略电感线圏Ll和电感线圈L2的 电感分布电容、匝间电容和电感内阻，即此时L产L产L,电感线圈L1和电 感线圈L2间的耦合系数K-1，则互感M4产L产L,从而得出电感线圈L2侧 产生由电流控制的电压源一>^ ,电感线圈Ll侧产生由电流控制的电压源 -^^2，即_>4和-^M分别为电感线圈li和电感线圈L2互感产生的电
动势，其中w为供电电源4的电源角频率，从而作出谐振保护电路未发生 接地故障时的电路拓朴图。根据图2所示的电路拓扑图，由KCL得
式中，ii和^分别为电感线圈Ll和电感线圈Ll的电流。 由于C产C尸C,则化简式(l)得(1-2WZC)(人-/2) = 0 (2) 由于此时L与C没有发生谐振，且电感线圈Ll侧和电感线圈L2侧的 电路完全对等，所以A-A;而电容d和电容C2两端的电压为零(理想状 态)，即电感线圈L1和电感线圈L2上没有电压，其供电电源4的电源电 压即&全部加在负载5上。
因而得出结论实际使用过程中，将本发明的谐振保护电路l接到被 保护线路中后，在谐振保护电路1正常工作情况下，不会对供电电源4与 负载5间的供电线路及负载5的运行情况产生影响。实际使用过程中，此 时，电容C1和C2两端的电压很小，只有几伏。
如图3所示，发生接地事故时，比如发生人体触电事故时，同样忽略 电感线圈Ll和电感线圈L2的电感分布电容、匝间电容和电感内阻以及人 体电容，而电感线圏Ll和电感线圈L2间的电感耦合系数K-l,则互感 M=L1=L2=L,则可相应作出谐振保护电路发生接地故障后稳态时的电路拓扑 图，其中，—加"和—^"2同样分别为电感线圈Ll和电感线圈L2互感产 生的电动势。
根据图3所示的电路拓扑图，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为模拟人体接地电阻，i,和i,分别为发生接地故障后稳态时
电感线圈Li和电感线圈Li的电流，id和i。分别为发生接地故障后稳态时
电容d和C2的电流，ir为发生接地故障后稳态时通过人体的电流，Z为负
'C2载的阻值。
由式(3)-式(5)可得 / =(l-2w2ZC)Z &
由式(8)得出，当发生接地事故时，想要使通过通过人体的电流为
零，则应有
/ = (1-26)2ZC)Z ^
r — *丄2 + _ 2 2ZCi rZ =0 ( 9 )
则需使得1-2"2ZC = 0，而本发明的L和C参数均满足上述条件。
图3中所述的电流参数均为在发生接地事故后很短时间内的电流参 数，其中虽然71与/2的值不相等，但是能起到抑制触电支路的电流即通过 人体的电流，从而起到很好的保护。此时，谐振保护电路l发生谐振，并 产生瞬间高阻抗，使得流过人体的电流非常小，电容C1和电容C2两端的 电压骤变至接近于供电电源4的电源电压。
综上，谐振保护电路l正常工作时，负载5承受电源电压4，此时电 容Cl两端的电压很小只有几伏；而当发生接地事故、漏电和人体触电故 障时，谐振保护电路l即时产生高阻抗，限制流过人体的电流，同时负载 5仍然承受电源电压4，因而依旧能正常工作，此时电容C1两端的电压骤 变至接近于供电电源4的电源电压。因而釆用本发明既保护人身安全，又 能有效保护负载5机用电设备连续稳定运行，电容C1和电容C2两端的电 压在发生接地故障时，从几伏骤变到电源电压，因而将电容C1和电容C2 两端的电压信号称为故障特征信号。
本发明的工作过程是数据釆集处理电路2实时对电容Cl两端的电 压进行实时检测，并将所检测的电压信号(即故障特征信号)转换为0-24V 标准电压信号后，同步传送至单片机，具体送到所述单片机的模数转换器； 单片机首先将数据釆集处理电路2所传入的信号转换为实际电压信号后， 再与预先设定的门限电压(即断电跳闸保护机构6的动作电压)进行比较， 当判断得出数据釆集处理电路2所检测的故障特征信号超过预先设定的门限电压时，所述单片机控制告警单元7发出报警信号；之后延时l-5s后， 单片机再釆集一次数据釆集处理电路2所检测的故障特征信号，若故障特 征信号仍大于门限电压，则单片机给断电跳闸保护机构6发送跳闸指令， 控制断电跳闸保护机构6动作，以切断供电电源4与负载5之间的供电线 路。
综上所述，谐振保护电路1正常工作时，电感线圏Ll和电感线圈L2 两端没有电压，负载5承受供电电源4的电源电压且正常工作。当发生接 地故障时，开关K2闭合，此时谐振保护电路l即时产生高阻抗，将人体电 压降到人体安全电压以下，限制流过人体的电流在安全电流以下，从而保 护人身安全；同时，单片机釆集数据釆集处理电路2所检测故障特征信号， 并将其与门限电压进行比较，当故障特征信号超过门限电压时，控制告警 单元7进行报警，并且延时后再次釆集故障特征信号若延时后单片机采 集到的故障特征信号比门限电压低，则认为此次的接地故障为瞬时故障， 不向断电跳闸保护机构6发送跳闸信号；若延时后釆集到的故障特征信号 仍然高于门限电压，则认为此次的接地故障为永久故障，则由单片机向断 电跳闸保护机构6发送跳闸信号，切断供电电源4。在发生接地故障后切 断供电电源4前，负载5始终承受供电电源4的电源电压，因而能保证设 备的持续稳定工作。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是 根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构 变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1.一种低压单相交流漏电保护器，其特征在于包括串接在供电电源(4)与负载(5)间供电回路中的断电跳闸保护机构(6)、发生接地故障时能即时发生谐振并产生瞬时高阻抗的谐振保护电路(1)、数据采集处理电路(2)和根据数据采集处理电路(2)所检测信号相应对断电跳闸保护机构(6)进行控制的主控器(3)；所述谐振保护电路(1)为由两个LC谐振电路组成的双谐振保护电路；所述两个LC谐振电路分别为由电感线圈L1和并接在电感线圈L1两端的电容C1组成的LC谐振电路一和由电感线圈L2和并接在电感线圈L2两端的电容C2组成的LC谐振电路二，电感线圈L1和电感线圈L2为两个互感线圈，其中L1＝L2＝L，C1＝C2＝C，1-2ω2LC＝0，ω为供电电源(4)的电源角频率；电感线圈L1和电感线圈L2分别串接在供电电源(4)的正负极与负载(5)间的供电线路中，且供电电源(4)的正负极分别与电感线圈L1和电感线圈L2的同名端相接，负载(5)的两个电源接线端分别与电感线圈L1和电感线圈L2的另一个同名端相接；所述数据采集处理电路(2)并接在电容C1或电容C2两端，且其为实时对电容C1或电容C2两端电压进行实时检测并处理的电路；所述数据采集处理电路(2)接主控器(3)，主控器(3)接断电跳闸保护机构(6)；所述主控器(3)为相隔1-5s连续两次采集并判断数据采集处理电路(2)所检测电压信号均超过门限电压值时，控制断电跳闸保护机构(6)跳闸动作的控制器。
2. 按照权利要求l所述的低压单相交流漏电保护器，其特征在于所 述电感线圈Ll和电感线圈L2由分别绕在同一个高导磁铁芯柱上的两个线 圈组成，所述两个线圏的缠绕方向一致、线径相同且所超绕线圈匝数相同。
3. 按照权利要求1或2所述的低压单相交流漏电保护器，其特征在于 所述主控器(3)为单片机。
4. 按照权利要求l或2所述的低压单相交流漏电保护器，其特征在于 所述数据釆集处理电路(2)为将其实时所检测的电容C1或电容C2两端电压转变为0-24V标准电压输出的电路。
5. 按照权利要求l或2所述的低压单相交流漏电保护器，其特征在于: 所述断电跳闸保护机构(6)为继电器，且所述继电器的常闭触点Kl串接 在供电电源(4)与负载(5)间的供电回路中。
6. 按照权利要求1或2所述的低压单相交流漏电保护器，其特征在于: 还包括由主控器(3)进行控制的告警单元(7)。
全文摘要
本发明公开了一种低压单相交流漏电保护器，包括串接在供电回路中的断电跳闸保护机构、发生接地故障时能即时发生谐振并产生瞬时高阻抗的谐振保护电路、数据采集处理电路和据数据采集处理电路所检测信号对断电跳闸保护机构进行控制的主控器；谐振保护电路为由两个LC谐振电路组成的双谐振保护电路；两个LC谐振电路为由L1和C1组成的LC谐振电路一和由L2和C2组成的LC谐振电路二，L1和L2为两个互感线圈；数据采集处理电路并接在电容C1或电容C2两端。本发明电路设计合理、智能化程度高且使用效果好，能有效解决现有漏电保护器所存在的动作不可靠、可能造成人员伤亡、影响负载正常工作等实际问题。
文档编号H02H3/32GK101567550SQ20091002289
公开日2009年10月28日 申请日期2009年6月9日 优先权日2009年6月9日
发明者傅周兴, 张利瓛, 忠 李, 董锋斌 申请人:西安科技大学