一种基于智慧安全用电防卫系统的防触电电路和方法与流程

1.本发明涉及智慧安全用电领域，具体为一种基于智慧安全用电防卫系统的防触电电路和方法。


背景技术：

2.最新的《民用建筑电气设计规范》中规定住宅供电系统的设计，应采用 tt、tn-s、tn-c-s接地方式，并进行总等电位联结。目前新的设计标准中民用建筑，尤其是商用住宅小区tn-s普遍运用较多。经过大量拆解，目前市面上存在的浸水防触电的产品，大部分都是直接将地线并接在零线端子上面，很多宣称的“电场吸收和屏蔽”“0电位”“泄露电流吸收”技术其真实情况就是内部集成电路板进出线端子处地线并接零线。但当单相火线和零线送到用户后，零线和地线是绝对不可以并接一块的，这是明令禁止的。这一做法使得本身具有保护地的地线带上回流电流，终端设备的保护将失去意义，其危害后果是不堪设想的。
3.目前，市面上常规用于入户总电箱大部分采用普通断路器或漏电断路器的方式，也仅限于传统的机械式的防护，但在工业4.0时代，人工智能、物联网、信息化飞速发展的今天，显然人们已经不局限于传统的产品，开始追求更加智能化、智慧化、更安全、更省心的科技产品，于是新一代的物联网断路器、各种保护开关应运而生，具备了联网功能，也做到了数据可视化，实现了一定的智能化，但无一例外，这些产品都是采取过热载、漏电检测等切断电源的机械触点的方式进行保护，都不具备主动防触电功能。
4.现有的(浸水)防触电方法或装置其基本原理使用隔离方式；采用隔离变压器使得与主供电系统回路隔离开来，由于隔离变压器次级侧无中性点接地，与主供电系统无法形成电流回路，以此达到单手触碰火线，浸水防触电的目的。另外的方法是采用漏电导体吸收电流的原理，对人体在电路中的回路进行分压分流以此达到防触电的目的，但无论采用何种防触电的方法都不能违背现有交流电供电的特性和原理，所以现有的装置所存在的弊端就显露出来，第一种方法或装置的弊端是结构较为笨拙复杂，元器件比较多，功率负载大小与隔离变压器大小有直接关系，安装要求比较高，体积大，故障率高，最关键的是成本也相对来比较高昂，很难普及广大消费者；第二种方法对相关尺寸、横截面积、安装位置、距离等进行限定，使得产品形态无法进行有效统一的设计，应用范围就非常的小，显然无法很好的满足现代人们的需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于智慧安全用电防卫系统的防触电电路和方法，以解决上述背景技术中提出的上述的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于智慧安全用电防卫系统的防触电电路，包括微处理控制电路，所述微处理控制电路集成有控制程序，所述微处理控制电路连接有保护供电电路、通讯电路、检测电路、执行电路和报警蜂鸣器，所述防触电电路设置在用户端(入户箱)，且由精密剩余电流互感器(rct)、微处理单元(mcu)、双向igbt或双
向晶闸管(scr)、光耦器(oc)、uart通讯总线、通讯模块(cm)构成；
7.所述控制程序是通过驱动微处理单元(mcu)完成数据采集、电路检测、下发执行指令、报警、通过uart通讯总线与通讯模块(cm)通讯的微处理器程序；
8.所述保护供电电路是具有三级防雷的交流电供电、隔离强电的对控制电路进行保护性供电的电源电路；
9.所述通讯电路是包含uart通讯总线、通讯模块(cm)，与软件系统进行通讯的电路；
10.所述检测电路是通过微处理控制单元(mcu)采集精密剩余电流互感器(rct)数据和防触电电路自检所构成的电路；
11.所述微处理控制电路是通过微处理控制单元(mcu)，将通讯电路、检测电路、执行电路、报警蜂鸣器进行连接，并提供数据采集和下发指令的中央处理器的核心控制电路；
12.所述执行电路是由双向igbt或双向晶闸管(scr)、光耦器(oc)组成的触发动作h型电路。
13.优选的，所述通讯电路中，通讯网络是局域网或广域互联网，通讯方式是5g/4g、lora、光纤/有线网或rs485/232/rs422的无线、有线通讯方式。
14.优选的，所述执行电路中，由微处理单元(mcu)根据检测电路的数据下发相应的指令控制火线l和零线n的瞬间换相，控制零线重复接地。
15.一种基于智慧安全用电防卫系统的防触电方法，包括以下步骤：
16.程序设置一个漏电电流的保护触发值a(10ma≤a≤30ma，值可在范围内设置)；设置一个≤8ma的误动作漏电值，当检测漏电电流突变小于这个值时，不产生动作，值可在范围内设置；设置一个恢复换相嗅探脉冲时间t(t≤ 15ms)，设置一个嗅探时间间隔t和嗅探次数n(n＜5)，正常供电情况下程序执行由oc2驱动src2、oc3驱动src3导通供电，oc1驱动src1、oc4驱动src4 关断状态，并通过保护电路和控制程序双重互锁，src1与src3、src2与src4 不能同时导通或者同时关断，此时l＝w1，n＝w2，无换相，通过精密零序互感器(rct)检测负载电路中产生的漏电，经过微处理单元(mcu)和控制程序处理漏电信号，当发生漏电时，自动控制驱动零线通过scr5重复接地，驱动执行电路在交流电正弦波π周期位置时切换供电相线，将原来输出的火线l 通过src1、src4导通切换零线n，原来的零线n通过oc1驱动src1、oc4驱动src4导通切换成火线l，同时关断src2、src3，此时l＝w2，n＝w1，蜂鸣器工作，启动恢复换相嗅探脉冲程序，程序通过脉冲换相嗅探是否依然存在超过设定值的漏电，以此判断是否解除漏电导致的风险，当通过n次嗅探确认无风险，程序执行恢复换相，恢复正常火线l和零线n供电；在换相供电期间，当又检测到换相后的l(原零线)漏电时，则程序再次控制换相，切换回原供火线l和零线n供电，当换相的同时检测到换相的相线有漏电情况(两相同时都存在漏电)，终止换相，通过关断src1、src2、src3、src4切断供电电源火线l和零线n，达到保护不触电和电不伤人的目的。
17.优选的，正常状态下正弦交流电在正、负半周的电流回路走向情况：正常供电时，原火线l供电，程序执行由oc2驱动src2、oc3驱动src3导通供电，oc1驱动src1、oc4驱动src4关断状态，此时l＝w1，n＝w2，无换相，没有人体(或其它导电物体)触碰到火线无漏电或漏电极小(小于设定值10ma) 时，精密剩余电流互感器rct所检测漏电电流小于10ma，mcu无触发执行换相，交流电正半周时，在预设的控制程序下，oc2驱动scr2、oc3驱动scr3 导通，oc1驱动src1、oc4驱动src4关断状态，电流经scr3、火线、用电负载、scr2流向零线，微弱的漏电
通过pe2地线流入大地，此时火线对地虽然存在电势差，但由于人体未接触火线，因此不形成通电回路，所以不触电；同样的，交流电负半周时，在预设的控制程序下，oc2驱动scr2、oc3驱动 scr3导通，oc1驱动src1、oc4驱动src4关断状态，电流经scr2、零线、用电负载、scr3流向火线l，微弱的漏电通过pe2地线流入大地，此时火线对地虽然也存在电势差，但由于人体未接触火线，因此不形成通电回路，所以不触电。
18.优选的，漏电发生时正负半周的电流回路走向情况：正常供电情况下程序执行由oc1驱动src1、oc4驱动src4导通供电，oc2驱动src2、oc3驱动 src3关断状态，微处理单元(mcu)和控制程序实时处理漏电信号，此时l＝w1， n＝w2，精密零序互感器检测负载电路中产生的漏电，当人体(或其它导电物体)作为导电体接触火线与大地导通有漏电电流产生时，防触电电路瞬间在交流电正弦波π周期切换火线l和零线n，将原来输出的火线l通过oc1驱动src1、oc4驱动src4导通切换成零线n，原来的零线n通过oc1驱动src1、 oc4驱动src4导通切换成火线l，同时oc2驱动src2、oc3驱动src3关断，此时l＝w2，n＝w1，蜂鸣器工作，立即启动恢复换相嗅探脉冲程序，程序通过脉冲换相嗅探是否依然存在超过设定值的漏电，以此判断是否解除漏电导致的风险，当通过n次嗅探确认无风险，程序执行恢复换相，恢复正常火线l 和零线n供电，在符合交流电的正弦特性，不影响阻性和感性设备的正常使用下，使得原来通过火线与大地之间接触产生的漏电的电势差转变成零线与大地间的零电势差。
19.优选的，当在换相供电期间，如果人体(或其它导电物体)又接触换相后的火线l，此时l＝w2，防触电电路中的精密零序互感器检测到负载电路中产生的漏电后，再次启动换相程序，此时恢复原火线l和原零线n，换相后的瞬间1个正弦波周期内检测再次换相后的供电线路是否漏电，当检测漏电时，执行保护切断电源程序，关断src1、src2、src3、src4切断供电电源火线l 和零线n，达到保护不触电和电不伤人的目的。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.1)通过检测电路中的精密零序互感器检测负载电路中产生的漏电，经过微处理单元(mcu)和控制程序处理漏电信号，设置一个漏电电流的切换值(小于30ma)，自动控制驱动零线通过scr重复接地，驱动执行电路微秒级切换供电相线，将原来输出的火线切换零线，原来的零线切换成火线，使得原来通过火线与大地之间接触产生的漏电的电势差转变成零线与大地间的零电势差；
22.2)基于智慧安全用电防卫系统的硬件电路，结合了现代通信和自动化技术，大幅开拓和增强了运用此电路和方法开发的产品的数字化、信息化、智能化；在有用电隐患和发生用电危险行为时，不管是终端用电设备浸水还是意外触碰裸露带电电线，都能有效的保护人的生命安全，大幅降低触电事故风险，同时，本防触电方法电路结构简单、成本低、稳定可靠，可适用于目前绝大部分供电系统，并且能为以此电路和方法的开发提供通讯接口，方便产品人工智能的嵌入式开发；
23.3)本发明消除或降低因意外接触电网中裸露的带电电线、用电设备因故障、带电设备浸水等产生的漏电对人体造成的触电伤害。
附图说明
24.图1是本发明中单相防触电的原理示意图；
25.图2是正弦波交流电示意图；
26.图3是生命体火线l漏电触电示意图；
27.图4是生命体零线n漏电触电示意图；
28.图5是正常状态正半周的电流回路走向情况示意图；
29.图6是正常状态负半周的电流回路走向情况示意图；
30.图7是本发明在漏电发生时正半周的电流回路走向情况示意图；
31.图8是本发明在漏电发生时负半周的电流回路走向情况示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.实施例：
36.请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种基于智慧安全用电防卫系统的防触电电路，也可以用为浸水防触电，包括微处理控制电路，所述微处理控制电路连接有控制程序、保护供电电路、通讯电路、检测电路、执行电路和报警蜂鸣器，所述防触电电路设置在用户端(入户箱)，且由精密剩余电流互感器(rct)、微处理单元(mcu)、双向igbt或双向晶闸管(scr)、光耦器(oc)、uart通讯总线、通讯模块(cm)构成；
37.所述控制程序是通过驱动微处理单元(mcu)完成数据采集、电路检测、下发执行指令、报警、通过uart通讯总线与通讯模块(cm)通讯的微处理器程序；
38.所述保护供电电路是具有三级防雷的交流电供电、隔离强电的对控制电路进行保护性供电的电源电路；
39.所述通讯电路是包含uart通讯总线、通讯模块(cm)，与软件系统进行通讯的电路；
40.所述检测电路是通过微处理控制单元(mcu)采集精密剩余电流互感器 (rct)数据和防触电电路自检所构成的电路；
41.所述微处理控制电路是通过微处理控制单元(mcu)，将通讯电路、检测电路、执行电路、报警蜂鸣器进行连接，并提供数据采集和下发指令的中央处理器的核心控制电路；
42.所述执行电路是由双向igbt或双向晶闸管(scr)、光耦器(oc)组成的触发动作h型电路。
43.所述通讯电路中，通讯网络是局域网或广域互联网，通讯方式是5g/4g、 lora、光纤/有线网或rs485/232/rs422等的无线、有线通讯方式。
44.所述执行电路中，由微处理单元(mcu)根据检测电路的数据下发相应的指令控制火线l和零线n的瞬间换相，控制零线重复接地。
45.一种基于智慧安全用电防卫系统的防触电方法，包括以下步骤：
46.附图1表述了本发明达到单相防触电电路的原理示意图，也可用于浸水防触电，程序设置一个漏电电流的保护触发值a(10ma≤a≤30ma，值可在范围内设置)；设置一个≤8ma的误动作漏电值，当检测漏电电流突变小于这个值时，不产生动作，值可在范围内设置；设置一个恢复换相嗅探脉冲时间t (t≤15ms)，设置一个嗅探时间间隔t(t一般按秒设置)和嗅探次数n(n ＜5)，正常供电情况下程序执行由oc2驱动src2、oc3驱动src3导通供电， oc1驱动src1、oc4驱动src4关断状态，并通过保护电路和控制程序双重互锁，src1与src3、src2与src4不能同时导通或者同时关断，此时l＝w1，n＝w2，无换相，通过高频实时检测电路中的精密零序互感器检测负载电路中产生的漏电，经过微处理单元(mcu)和控制程序处理漏电信号，当发生漏电时，自动控制驱动零线通过scr5重复接地，驱动执行电路在交流电正弦波π周期位置时切换供电相线，将原来输出的火线l通过src1、src4导通切换零线n，原来的零线n通过oc1驱动src1、oc4驱动src4导通切换成火线l，同时关断src2、src3，此时l＝w2，n＝w1，蜂鸣器工作，启动恢复换相嗅探脉冲程序，程序通过脉冲换相嗅探是否依然存在超过设定值的漏电，以此判断是否解除漏电导致的风险，当通过n次嗅探确认无风险，程序执行恢复换相，恢复正常火线l和零线n供电；在换相供电期间，忽然又检测到换相后的l(原零线) 漏电，则程序再次控制换相，切换回原供火线l和零线n供电，当换相的同时检测到换相的相线有漏电情况(两相同时存在漏电)，终止换相，通过关断src1、src2、src3、src4切断供电电源火线l和零线n，达到保护不触电和电不伤人的目的。
47.通过通讯模块，可以将异常情况及时反馈上报给系统软件平台，通过ai 人工智能建设智慧安全用电防卫系统。
48.在符合交流电的正弦特性，不影响阻性和感性设备的正常使用下，使得原来通过火线与大地之间接触产生的漏电的电势差转变成零线与大地间的零电势差。
49.居民用电时，国内的交流电一般为220v，有些国家的供电为110v供电，频率一般为50/60hz，我国一般为50hz，其特性都为正弦波交流电，如附图2 所示。
50.附图3表述了生命体触碰火线l漏电触电发生时的电流走向情况，图4 表述了生命体零线n漏电情况下的触电发生时的电流走向情况，两种情况都是人体触及带电体并形成电流通路，造成对人体的触电伤害。结合图2正弦波交流电的特性，每个半周时间10ms，正负半周电压均有8ms左右超过了36v 安全电压，人体触及带电体并形成电流通路，造成人体触电伤害，规定正常成年男性的平均摆脱电流为9ma，女性为6ma，其电伤的特性是电流通路时间越长，对人体的伤害越大，本发明内容正是利用交流电电流这一特性，补充当前防触电技术存在的缺陷和不足。
51.附图5、6表述了采用本发明防触电电路后，正常状态下正弦交流电在正、负半周的电流回路走向情况，正常供电时，原火线l供电，程序执行由oc2 驱动src2、oc3驱动src3导通供电，oc1驱动src1、oc4驱动src4关断状态，并通过保护电路和控制程序双重互锁，src1与src3、src2与src4不能同时导通或者同时关断，此时l＝w1，n＝w2,无换相，没有人体(或
其它导电物体) 触碰到火线无漏电或漏电极小(小于设定值10ma)时，rct所检测漏电电流小于10ma,mcu无触发执行换相，交流电正半周时，在预设的控制程序下，oc2 驱动scr2、oc3驱动scr3导通，oc1驱动src1、oc4驱动src4关断状态，电流经scr3、火线、用电负载、scr2流向零线，微弱的漏电通过pe2地线流入大地(图中未标出)，此时火线对地虽然存在电势差，但由于人体未接触火线，因此不形成通电回路，所以不触电；同样的，交流电负半周时，在预设的控制程序下，oc2驱动scr2、oc3驱动scr3导通，oc1驱动src1、oc4驱动src4关断状态，电流经scr2、零线、用电负载、scr3流向火线l，微弱的漏电通过pe2地线流入大地(图中未标出)，此时火线对地虽然也存在电势差，但由于人体未接触火线，因此不形成通电回路，所以不触电；
52.附图7、8表述了采用本发明防触电电路后，漏电发生时正负半周的电流回路走向情况：
53.正常供电情况下程序执行由oc1驱动src1、oc4驱动src4导通供电，oc2 驱动src2、oc3驱动src3关断状态，微处理单元(mcu)和控制程序实时处理漏电信号，此时l＝w1，n＝w2，防触电装置高频实时检测电路中的精密零序互感器检测负载电路中产生的漏电；
54.当人体(或其它导电物体)作为导电体接触火线与大地导通有漏电电流产生时，防触电装置瞬间在交流电正弦波π周期切换火线l和零线n，将原来输出的火线l通过oc1驱动src1、oc4驱动src4导通切换成零线n，原来的零线n通过oc1驱动src1、oc4驱动src4导通切换成火线l，同时oc2驱动 src2、oc3驱动src3关断，此时l＝w2，n＝w1，蜂鸣器工作，立即启动恢复换相嗅探脉冲程序，程序通过脉冲换相嗅探是否依然存在超过设定值的漏电，以此判断是否解除漏电导致的风险，当通过n次嗅探确认无风险，程序执行恢复换相，恢复正常火线l和零线n供电。在符合交流电的正弦特性，不影响阻性和感性设备的正常使用下，使得原来通过火线与大地之间接触产生的漏电的电势差转变成零线与大地间的零电势差；
55.当在换相供电期间，如果人体(或其它导电物体)又接触换相后的火线l，此时l＝w2，防触电电路中的精密零序互感器检测到负载电路中产生的漏电后，再次启动换相程序，此时恢复原火线l和原零线n，换相后的瞬间1个正弦波周期内检测再次换相后的供电线路是否漏电，当检测漏电时，执行保护切断电源程序，关断src1、src2、src3、src4切断供电电源火线l和零线n，达到保护不触电和电不伤人的目的。
56.本发明内容中的防触电电路和方法可以衍生并应用到各种具有该功能的模块、装置所组成的产品当中。基于智慧安全用电防卫系统的硬件电路，结合了现代通信和自动化技术，大幅开拓和增强了运用此电路和方法开发的产品的数字化、信息化、智能化；在有用电隐患和发生用电危险行为时，不管是终端用电设备浸水还是意外触碰裸露带电电线，都能有效的保护人的生命安全，大幅降低触电事故风险，同时，本防触电方法电路结构简单、成本低、稳定可靠，可适用于目前绝大部分供电系统，并且能为以此电路和方法的开发提供通讯接口，方便产品人工智能的嵌入式开发。
57.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明
内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
58.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。