專利名稱：一種漏電保護(hù)器專用集成塊及其組成的多級(jí)漏電保護(hù)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是低壓電器，尤其是一種漏電保護(hù)器的專用集成塊及由其組成漏電保護(hù)器。
背景技術(shù)：
漏電保護(hù)器又稱為剩余電流動(dòng)作保護(hù)器、漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)(器)或故障保護(hù)開(kāi)關(guān)(器)，主要用在電氣設(shè)備發(fā)生漏電或者人身觸電時(shí)，切斷供電電源保證安全。目前存在以下問(wèn)題1、根據(jù)我國(guó)實(shí)踐情況，漏電事故高發(fā)地點(diǎn)是戶外架空線和戶內(nèi)臨時(shí)線上(簡(jiǎn)稱為“兩線”)，而我國(guó)在漏電保護(hù)方面等效采用了 IEC標(biāo)準(zhǔn)。IEC在剩余電流動(dòng)作保護(hù)器上有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成一個(gè)體系(以下簡(jiǎn)體IEC)。IEC標(biāo)準(zhǔn)中將漏電保護(hù)分為間接接觸和直接接觸兩大類。直接接觸動(dòng)作電流必須是30mA及以下的快速型保護(hù)。間接接觸必須和外露可導(dǎo)電部分的接地保護(hù)相配合并且必須是延時(shí)型。上述“兩線”尤其是戶外架空線，是沒(méi)有列入IEC標(biāo)準(zhǔn)體系中。這時(shí)的三級(jí)保護(hù)中的I級(jí)保護(hù)上的動(dòng)作電流大約為300mA，動(dòng)作延時(shí)時(shí)間約O. 2-0. 4S。這是不能滿足戶外架空線上的觸電保護(hù)要求。2、目前，在我國(guó)特別是農(nóng)村電網(wǎng)，推廣應(yīng)用的漏電保護(hù)器跳閘頻繁，嚴(yán)重影響供電可靠性。其改進(jìn)方法是采用分級(jí)保護(hù)。在IEC中是有分級(jí)保護(hù)的，但精確度差，滿足觸電保護(hù)程度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述問(wèn)題，經(jīng)過(guò)調(diào)查研究積累大量數(shù)據(jù)，專利發(fā)明人創(chuàng)新出新的漏電保護(hù)理論。根據(jù)新的漏電保護(hù)理論的結(jié)論是電網(wǎng)中應(yīng)當(dāng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、清除故障后成為清潔電網(wǎng)。在清潔電網(wǎng)條件下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的漏電流，根據(jù)統(tǒng)計(jì)概率理論是可以計(jì)算出的并由此計(jì)算得到保護(hù)器的額定動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間。根據(jù)計(jì)算，我極大部分低壓電網(wǎng)的電源處的第I級(jí)保護(hù)器(也稱總漏保)輔以合理的措施后，采用IOOmA左右定值，O. 2S以下的動(dòng)作時(shí)限是可行的。根據(jù)中國(guó)的大量實(shí)踐，表明這在戶外條件下是安全的，有長(zhǎng)期安全運(yùn)行記錄。這樣的分級(jí)保護(hù)是能在兩線上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的觸電保護(hù)并且是低跳閘率。因此對(duì)分級(jí)保護(hù)用專用集成塊要重新設(shè)計(jì)。下面敘述專用集成塊。重新設(shè)計(jì)的專用集成塊是針對(duì)多級(jí)漏電保護(hù)系統(tǒng)要求，即用一塊專用集成塊改變外圍元件參數(shù)就能滿足多級(jí)漏電保護(hù)系統(tǒng)要求。每一級(jí)保護(hù)中，每一個(gè)漏電流對(duì)應(yīng)有一個(gè)動(dòng)作時(shí)間，這就是成為一根特性曲線。由于受溫度、元件誤差及其它條件的影響，特性曲線是一根上下包含誤差的區(qū)間。這兩級(jí)保護(hù)的特性曲線的區(qū)間只要不重疊、并留下少量裕度就可滿足選擇性要求。目前新設(shè)計(jì)的專用集成塊是選擇有限反時(shí)限特性，隨著輸入漏電流的增大動(dòng)作延時(shí)減小，但到達(dá)一定輸入電流后變成定時(shí)限特性，即動(dòng)作延時(shí)不再隨著輸入電流的增大而變小。這樣，既照顧小漏電流下，在安全允許條件下，盡量延時(shí)提高對(duì)電網(wǎng)中干擾的抗干擾能力；而在大漏電流下是定時(shí)限延時(shí)，以求得選擇性。
根據(jù)上述分析，本發(fā)明是將剩余電流互感器送來(lái)的漏電信號(hào)，經(jīng)并聯(lián)電阻Rl后接到專用集成塊，經(jīng)專用集成塊滿足跳閘要求后，輸出信號(hào)給開(kāi)關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成保護(hù)功能。這里用調(diào)節(jié)專用集成塊外部的兩個(gè)元件電阻R1，電容Cl，來(lái)滿足分級(jí)保護(hù)要求。①電阻Rl是接在剩余電流互感器和專用集成塊之間。由剩余電流互感器變換得到的信號(hào)，是由改變Rl來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)的大小。這就可以改變漏電保護(hù)器的動(dòng)作電流。②電容Cl是接在專用集成塊可控的恒流輸出端上。專用集成塊的恒流輸?shù)诫娙軨l上后，電壓上升到一定值Ub時(shí)，專用集成塊就輸出跳閘信號(hào)。對(duì)應(yīng)不同的電容Cl值，就可得到不同級(jí)別所需的動(dòng)作特性曲線。在電容Cl旁邊并有一只電阻R2。這是放電阻，本級(jí)保護(hù)在本次工作中不需要?jiǎng)幼鲿r(shí)，R2使電容Cl放電為下次工作作準(zhǔn)備。有了上述專用集成塊，在分級(jí)保護(hù)中，同一級(jí)別的保護(hù)器，可選用同一個(gè)數(shù)值的電容Cl ;不同級(jí)別的保護(hù)器選用不同的電容Cl值。這由此形成分級(jí)保護(hù)。由于上下級(jí)保護(hù)選用同一種專用集成塊和同一種類型的電容器，只是數(shù)值的不同。這樣因溫度漂移及其它誤差能互補(bǔ)。這提聞了延時(shí)精度，使得級(jí)差時(shí)間減少，大大減少了 I級(jí)保護(hù)(最聞一級(jí)保護(hù))的動(dòng)作時(shí)間，這為I級(jí)保護(hù)滿足觸電保護(hù)提供支持。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明漏電保護(hù)器專用集成塊的示意圖。圖2是本發(fā)明漏電保護(hù)器專用集成塊內(nèi)，放大信號(hào)直接在第一翻轉(zhuǎn)電路121內(nèi)進(jìn)行比較的示意圖。圖3是本發(fā)明漏電保護(hù)器專用集成塊內(nèi)，放大信號(hào)先由理想整流電路122進(jìn)行整流后，再在第一翻轉(zhuǎn)電路123內(nèi)進(jìn)行比較的示意圖。圖4是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的漏電保護(hù)器及由此組成三級(jí)漏電保護(hù)的示意圖。圖5是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的三級(jí)漏電保護(hù)系統(tǒng)特性曲線示例圖。
具體實(shí)施例方式下面是以一個(gè)周波的半波為例，對(duì)工作過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。在圖1中，剩余電流互感器200送來(lái)的漏電信號(hào)，經(jīng)并聯(lián)電阻Rl后接到專用集成塊100，經(jīng)專用集成塊100滿足跳閘要求后，輸出信號(hào)給開(kāi)關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)300，完成保護(hù)功能。這里用調(diào)節(jié)專用集成塊100外的兩個(gè)元件，來(lái)滿足分級(jí)保護(hù)要求。①電阻R1。改變電阻Rl的大小可調(diào)節(jié)漏電保護(hù)器的動(dòng)作電流。②電容Cl。改變電容Cl可調(diào)節(jié)動(dòng)作延時(shí)時(shí)間。在工作中專用集成塊100輸出恒定電流到電容Cl上，電容Cl積累電量上升電壓，達(dá)Ub就輸出跳閘信號(hào)。對(duì)應(yīng)不同的電容Cl值電壓上升速度不一，就可得到不同的動(dòng)作特性曲線。在電容Cl旁邊并有一只電阻R2，這是放電阻，本級(jí)保護(hù)在本次工作中，不需要?jiǎng)幼鲿r(shí)(例下級(jí)保護(hù)先跳閘切斷故障點(diǎn))，使電容Cl從充電轉(zhuǎn)為放電，為下次工作作準(zhǔn)備。下面說(shuō)明專用集成塊100內(nèi)部是如何工作過(guò)程的。剩余電流互感器200檢測(cè)到的交流漏電信號(hào)經(jīng)Rl送至專用集成塊100的輸入端，進(jìn)入內(nèi)部的放大電路110放大并疊加在基準(zhǔn)電位上，該放大電路Iio產(chǎn)生的放大信號(hào)輸入到第一翻轉(zhuǎn)電路120與基準(zhǔn)信號(hào)Ua進(jìn)行比較，產(chǎn)生幅值固定，脈寬變化的矩形波信號(hào)。由于漏電信號(hào)是幅度變化很大的，它的范圍可能達(dá)到O. 01-500A，變幅達(dá)5*104左右。為此在第一翻轉(zhuǎn)電路120中，利用了反三角函數(shù)進(jìn)行變換，將工頻正弦交流信號(hào)變換成，寬度變化幅值固定為O或I的矩形波信號(hào)，使之滿足有限反時(shí)限特性。由反三角函數(shù)公式可確定每個(gè)矩形波的寬度比八％為Δ=10*[3. 14-Arcsin (kl)-Arcsin (k2) ]/3. 14 (I)式中Λ工作半波導(dǎo)導(dǎo)通時(shí)間(mS) ;10是工作半波的時(shí)間(設(shè)為50Hzms) ；kl=Ml/i，是輸入漏電流幅值i與(觸發(fā))基準(zhǔn)信號(hào)Ml的比值；k2=M2/i，是輸入漏電流幅值i與(返回)基準(zhǔn)信號(hào)幅值M2的比值，并且Ml彡M2。當(dāng)i〈Ml時(shí)上式不成立，保護(hù)器不動(dòng)作；當(dāng)i=Ml保護(hù)器開(kāi)始動(dòng)作,但動(dòng)作時(shí)間趨向00 ；當(dāng)i — c 時(shí)，Λ — IOmS為全導(dǎo)通半波，動(dòng)作速度最快。上式中，Δ最后成為i的函數(shù)。第一翻轉(zhuǎn)電路(120)輸出的是定頻率變寛度的矩形波信號(hào)。它用于控制恒流源電路130的通斷，當(dāng)矩形波信號(hào)為“O”時(shí)恒流源電路130不輸出；當(dāng)高電平“I”時(shí)，恒流源電路130輸出恒定電流I到電容Cl上，使電容Cl的電位Ul上升。電容Cl的電位在工作半波中上升電位為U1，由下面公 式可求得U1=A*I/C1 (2)式中:U1是工作半波中電位上升的數(shù)值；1是恒流電路的輸出值(在設(shè)計(jì)專用集成塊時(shí)已設(shè)定)；C1是外接電容值；Λ是由(I)計(jì)算出。這在保護(hù)器產(chǎn)品中已是定值。當(dāng)電容Cl的電位Ul上升和第二翻轉(zhuǎn)電路140的基準(zhǔn)信號(hào)Ub比較，當(dāng)電位Ul達(dá)到基準(zhǔn)信號(hào)Ub時(shí)，第二翻轉(zhuǎn)電路140翻轉(zhuǎn)，輸出的控制信號(hào)經(jīng)輸出電路150輸出。這樣T唯一是Cl函數(shù)。這樣根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)定Cl的大小，以達(dá)到不同級(jí)別保護(hù)器的要求。和電容Cl并聯(lián)的是電阻R2。它的作用是(例如)當(dāng)發(fā)生在下一級(jí)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障，由于下級(jí)保護(hù)器電容Cl比較小，因此先跳閘切斷故障點(diǎn)；這樣本級(jí)保護(hù)器的C2上的電位在沒(méi)有達(dá)到基準(zhǔn)信號(hào)Ub前就停止了上升，這避免了跳閘；然后由放電電阻R2將已積累電量放完，為下次工作準(zhǔn)備。這樣做大大簡(jiǎn)化了電路，節(jié)約成本。上面是半波的工作過(guò)程。這種使用半波工作，已是能構(gòu)成一只專用集成塊。這在前一個(gè)半波是工作Ui上升；而在后跟的一個(gè)半波Ul不上升是等待(這是無(wú)效半波)。如此進(jìn)行下去，直至滿足跳閘條件為止。如果改用全波作工作的過(guò)程，則正負(fù)半波都是上升。這不浪費(fèi)信息資源，可改進(jìn)保護(hù)功能，缺點(diǎn)是加大電路結(jié)構(gòu)。這種全波作工作的兩種方案方案1，在第一翻轉(zhuǎn)電路121內(nèi)，所述基準(zhǔn)信號(hào)Ua分別為Ml、M2、-Ml和-M2，并且并且Ml=1-Ml I ,M2=1-M2 I，Ml彡M2。其中Ml、M2專門(mén)對(duì)正半波起反應(yīng)；-Ml和-M2是專門(mén)對(duì)負(fù)半波起反應(yīng)；在Ml時(shí)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，M2時(shí)實(shí)現(xiàn)返回；-Μ1時(shí)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，-M2時(shí)實(shí)現(xiàn)返回。這就是在正負(fù)半波都設(shè)翻轉(zhuǎn)和返回值。方案2，在第一翻轉(zhuǎn)電路123之前，先對(duì)正負(fù)變化的漏電信號(hào)在理想整流電路122上進(jìn)行理想整流，變換成脈動(dòng)的連續(xù)半波信號(hào)，所述基準(zhǔn)信號(hào)Ua分別為Ml和M2兩個(gè)，并且Ml ^ M2 ;在肌時(shí)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，M2時(shí)實(shí)現(xiàn)返回。這就是先將全波轉(zhuǎn)為雙半波后進(jìn)入在第一翻轉(zhuǎn)電路。這樣完成正負(fù)半波都起反應(yīng)，這充分利用信號(hào)的信息量，可改善保護(hù)性能。上述的專用集成塊中，可以使用通用專用集成塊中的通用電路組件，例放大器，觸發(fā)器，鎖存儲(chǔ)以求降低成本；尤其還包括電源供給電路160。根據(jù)本專利的設(shè)計(jì)與現(xiàn)有技術(shù)相比，可得到人們意想不到的效果1、只要選擇電容Cl大小，就能滿足各個(gè)級(jí)別的要求，并且它還能滿足快速型、S型和延時(shí)型，A型、AC型保護(hù)器的不同要求，它幾乎涵蓋目前已知各種保護(hù)器的要求。2、它在小漏電下，具有的反時(shí)限特性，接近人體觸電保護(hù)特性，避免電網(wǎng)的干擾提高抗干擾性能；它大漏電下，具有的定時(shí)限特性，能滿足選擇性要求。3、多級(jí)保護(hù)器選用本專利的專用集成塊，只要改變電容Cl就能用到不同級(jí)別上很方便，眾所周知電容是有溫度漂移的，這會(huì)影響延時(shí)精度，而現(xiàn)在上下各級(jí)選用本發(fā)明提供的專用集成塊和同一種類電容，可以彌補(bǔ)互相的偏差，這又可進(jìn)一步提高選擇性的要求。4、根據(jù)新的漏電保護(hù)理論和使用本專利集成塊，可用切換開(kāi)關(guān)來(lái)改變?cè)陔娮鑂l和電容Cl的大小，這就可得到不同級(jí)別的保護(hù)，這十分方便。作為一個(gè)三級(jí)保護(hù)的實(shí)際例子，它的示意圖繪在附圖4上。它由電源出線上安裝的I級(jí)保護(hù)；在每個(gè)用戶處安裝眾多的3級(jí)保護(hù)；在1、2級(jí)之間安裝若干2級(jí)保護(hù)。由此共同組成三級(jí)保護(hù)。這僅是個(gè)例子，根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是可以組成2級(jí)，3級(jí)，4級(jí)，乃至更多級(jí)保護(hù)。其中三級(jí)保護(hù)使用比較普遍。以三級(jí)保護(hù)作為實(shí)例，可以列出表一所示的動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間的兩個(gè)方案表一
_2]
權(quán)利要求
1.一種漏電保護(hù)器專用集成塊，其特征在于，包括用于將輸入的交流漏電信號(hào)進(jìn)行放大并與基準(zhǔn)電位疊加的放大電路(110)，該放大電路(110)產(chǎn)生的放大信號(hào)輸入到第一翻轉(zhuǎn)電路(120)并與第一翻轉(zhuǎn)電路(120)的基準(zhǔn)信號(hào)Ua進(jìn)行比較，該第一翻轉(zhuǎn)電路(120)的輸出信號(hào)輸入到恒流源電路(130)并控制恒流源電路(130)的輸出通斷，所述恒流源電路(130)輸出到外接并聯(lián)的電阻R2和電容Cl，該電容Cl上的信號(hào)輸入到第二翻轉(zhuǎn)電路(140)并與第二翻轉(zhuǎn)電路(140)的基準(zhǔn)信號(hào)Ub進(jìn)行比較，第二翻轉(zhuǎn)電路(140)的輸出經(jīng)輸出電路(150)后輸出至開(kāi)關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(300)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漏電保護(hù)器專用集成塊，其特征在于，若所述放大信號(hào)直接與第一翻轉(zhuǎn)電路(121)內(nèi)的基準(zhǔn)信號(hào)Ua比較，所述第一翻轉(zhuǎn)電路(121)內(nèi)設(shè)置基準(zhǔn)信號(hào)Ua為四個(gè)幅值，分別為M1、M2、-M1和-M2，并且Ml=1-Ml I ^ M2=1-M2 I。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漏電保護(hù)器專用集成塊，其特征在于，若所述放大信號(hào)先由理想整流電路(121)進(jìn)行整流后，再與第一翻轉(zhuǎn)電路(122)內(nèi)的基準(zhǔn)信號(hào)Ua比較，所述第一翻轉(zhuǎn)電路(122)內(nèi)設(shè)置基準(zhǔn)信號(hào)Ua為兩個(gè)幅值，分別為Ml和M2，并且I Ml I彡I M2 I彡O。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的漏電保護(hù)器專用集成塊，其特征在于，還包括電源供給電路(160)。
5.一種漏電保護(hù)器，包括剩余電流互感器(200)和開(kāi)關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(300)，其特征在于，還包括權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的專用集成塊(100)，所述剩余電互感器(200)的輸出端并聯(lián)電阻Rl后連接專用集成塊(100)的輸入端，所述專用集成塊的輸出端連接開(kāi)關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(300)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的漏電保護(hù)器，其特征在于，選用不同的電阻Rl和電容Cl得到的漏電保護(hù)器來(lái)組成多級(jí)漏電保護(hù)系統(tǒng)。
全文摘要
一種漏電保護(hù)器專用集成塊及其組成的多級(jí)漏電保護(hù)系統(tǒng)。剩余電流互感器來(lái)的漏電信號(hào)經(jīng)R1調(diào)整后，送入專用集成塊100中，經(jīng)放大電路110，輸入到第一翻轉(zhuǎn)電路120，控制恒流源電路130的通斷，恒流輸出是到集成塊100外的電容C1上，當(dāng)達(dá)到規(guī)定值時(shí)第二翻轉(zhuǎn)電路140翻轉(zhuǎn)，經(jīng)輸出電路150由開(kāi)關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)300將開(kāi)關(guān)跳閘。改變C1容量，就會(huì)產(chǎn)生所需的延時(shí)。它在小漏電流時(shí)是反時(shí)限；在大漏電流時(shí)是定時(shí)限；這既滿足選擇性要求又提高抗干擾。它能滿足快速型、S型和延時(shí)型等不同漏電保護(hù)器的要求。這可組成多級(jí)漏電保護(hù)系統(tǒng)；在電網(wǎng)的事故高發(fā)的戶外架空線和戶內(nèi)臨時(shí)線上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的保護(hù)，能在動(dòng)作電流為100mA時(shí)在0.2秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)三級(jí)保護(hù)。
文檔編號(hào)H02H3/32GK103036199SQ20121051243
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月3日
發(fā)明者程夏蕾, 祝明娟, 管慧, 胡梟, 郭行千, 吳衛(wèi)國(guó) 申請(qǐng)人:水利部農(nóng)村電氣化研究所