能識別動物觸電的鑑相鑑波觸漏電保護器的製作方法

2023-05-20 18:50:36

專利名稱：能識別動物觸電的鑑相鑑波觸漏電保護器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種緊急保護裝置，具體地說是一種能識別動物觸電的鑑相鑑波觸漏電保護器。
在
背景技術：
中，交流電網廣泛使用的漏電保護器又稱剩餘電流動作保護器，它在交流電源相線與大地之間發生動物觸電或電氣線路、設備漏電情況時，零序電流互感器輸出的剩餘電流發生變化，在檢測到剩餘電流變化且達到額定值時，啟動脫扣機構切除交流電源，以達到保護動物生命、避免發生電氣事故的目的。
根據發生人體觸電時剩餘電流是突然增加的，而線路漏電在一般情況下是緩慢增加的特點，普通漏電保護器通常設置二個額定動作電流值，一個按允許流經人體的安全電流取值其電流較小的突變額定動作電流值，另一個為按允許電氣線路、設備漏電的安全電流取值其電流較大的緩變額定動作電流值。據普通漏電保護器實際使用情況統計，其突變脫扣動作次數99％以上是電氣線路或用電設備對地突變漏電原因引起的，雖然脫扣動作時漏電電流值超過人體的安全電流值，但大多數尚未達到電氣線路、設備允許漏電的程度，屬於非必要脫扣動作。因此，確切說這類產品只能稱為「漏電」保護器，而非習慣所說「觸電」保護器。普通漏電保護器存在著非必要脫扣動作較多的缺點，對用電者造成諸多不便，供電管理者也增添了無效勞動，此乃目前漏電保護器投運率不高的最主要原因之一。
如果能從剩餘電流中識別出動物觸電信號，漏電保護器的動物觸電額定動作電流取較小值，電氣線路、設備漏電額定動作電流值取較大值，既可減少電氣線路、設備漏電引起漏電保護器的非必要脫扣動作，又可提高交流電源系統的安全性，並可使「觸電」保護器名符其實。
CN86203072的「突變量觸電保護器」專利採用頻率鑑別電路分離動物觸電信號，其方法確有獨到之處，但該觸電保護器在交流電網幹擾大時，有可能還存在著非必要脫扣動作較多的情況，因交流電網的諸多因素會產生非電源基頻成份幹擾，頻率鑑別方法在幹擾大時難以準確識別。
本實用新型目的是提供一種能準確識別剩餘電流中動物觸電信號、非必要脫扣動作少、無工作死區、具有節能效果的觸漏電保護器。
本實用新型目的是在觸漏電保護器中設置一個剩餘電流波形鑑別電路及節能電路來實現的，其主要措施是它包括零序電流互感器1、剩餘電流放大電路2、脫扣執行機構4、電源電路5，它們三相四線導線同方向穿過零序電流互感器1後經脫扣執行機構4到負載，零序電流互感器1的二次側接剩餘電流放大電路2的輸入端，電源電路5輸出端跟各個需直流電源的電路及需交流電源時基信號電路相連，其特徵在於還具有剩餘電流波形鑑別電路3，剩餘電流波形鑑別電路3具有由微處理器構成的分析判斷電路3-5，脫扣執行機構4由交流接觸器節能無聲運行電路、交流接觸器電磁線圈零電壓切換電路與繼電器全壓吸動低壓保持電路構成，交流接觸器節能無聲運行電路由受分析判斷電路3-5控制的交流接觸器高壓吸動低壓保持電路構成，剩餘電流波形鑑別電路3的輸入輸出端分別與剩餘電流放大電路2輸出端與脫扣執行機構4的輸入端相連。
實現上述目的完善措施是剩餘電流波形鑑別電路3由剩餘電流A/D轉換電路3-1與分析判斷電路3-5構成，剩餘電流A/D轉換電路3-1由模擬開關、採樣電容、恆流充電電路及電平比較器構成。
剩餘電流波形鑑別電路3還可由剩餘電流突變量分離電路3-2、剩餘電流突變量A/D轉換電路3-3、剩餘電流緩變量檢測電路3-4、分析判斷電路3-5構成。
交流接觸器電磁線圈零電壓切換電路由電源電路5、受分析判斷電路3-5控制吸動的繼電器構成。
繼電器全壓吸動低壓保持電路由受分析判斷電路3-5控制的電壓轉換電路構成。
剩餘電流突變量A/D轉換電路3-3由雙極性電壓輸出的D/A轉換電路與電平比較電路構成的。
雙極性電壓輸出的D/A轉換電路由運算放大器和電阻網絡構成，該電阻網絡接在運算放大器的同相端與反相端。
附

圖1是正弦交流電流經動物及人體的角頻率ωt與電流i關係曲線圖；附圖2、3為本實用新型的兩種觸漏電保護器結構框圖；附圖4是附圖2結構框圖的電原理圖；附圖5是附圖3結構框圖的電原理圖。
以下結合附圖與實施例對本實用新型予以詳述。
經對動物乃至自身人體進行了大量的試驗，繪出典型的220V正弦交流電流經動物及人體時角頻率ωt與電流i關係曲線圖見附圖1，從附圖1中可看出，在發生動物觸電時，流經動物的電流呈鐘形波，且在很短時間內電流波幅逐漸上升。
根據正弦交流電流經動物特別是流經人體所呈現波形的特點，本實用新型提出採用鑑別剩餘電流波形的形狀與幅度的方法分離動物觸電信號電路。下面對本實用新型特徵部分作進一步說明，其電路結構與連接關係如前所述，不再重複。
實施例1附圖2、4為本實施例的結構框圖與電原理圖，其剩餘電流波形鑑別電路3由剩餘電流A/D轉換電路3-1與分析判斷電路3-5構成，A/D轉換電路3-1可以用A/D集成電路構成，但成本較高。本實施例根據觸漏電保護器對A/D轉換要求的特點，採用模擬開關、採樣電容、恆流充電電路及電平比較器構成A/D轉換電路3-1。A/D轉換電路3-1的IC2在分析判斷電路3-5的IC12控制下定時採樣剩餘電流，IC5、C2、R1構成恆流充電的積分電路，IC12對採樣電容C1上的電壓積分時間進行計數，待積分電容C2的電壓過零點時，IC6輸出電平翻轉，IC12停止計數，其IC12的計數值即為採樣電容C1上電壓的函數。IC3、IC4構成積分電容C2的充放電迴路，IC1提供本A/D.轉換電路校準電平，運算放大器IC7-IC10作用為電平轉換。
分析判斷電路3-5的IC12根據電源電路5提供的交流電源時基信號比較正弦交流電角頻率相同時刻的剩餘電流值和相位差，計算剩餘電流變化量，還對如下動作進行選擇(1)當變化增加的剩餘電流在半個周波呈鐘形波或當變化增加的剩餘電流波幅在預置用波數內逐個周波上升且達額定值時，判斷變化增加的剩餘電流為動物觸電電流。(2)在動物觸電電流的波幅與持續時間達到預置值時輸出動物觸電信號。(3)在變化增加的剩餘電流無動物觸電電流特徵時判斷為電氣線路、設備漏電。(4)在突然變化增加的漏電電流的波幅與持續時間達到預置突變額定動作值時輸出突變脫扣執行信號。(5)在緩慢變化增加的漏電電流的波幅與持續時間達到預置緩變額定動作值時輸出緩變脫扣執行信號。
需指出的是分析判斷電路3-5如果使用帶A/D轉換電路的微處理器，附圖4中A/D轉換電路3-1可取消，本實施例A/D轉換電路3-1也可以由其他類型的模/數變換電路構成，但相對成本較高。
交流接觸器節能無聲運行電路由受分析判斷電路3-5控制的交流接觸器直流高壓吸動低壓保持電路構成。在交流接觸器CJ需吸合時，分析判斷電路3-5控制繼電器J1吸合，交流接觸器CJ以二極體D1整流後的高壓直流電流吸動，待0.5秒左右繼電器J1釋放，交流接觸器CJ由二極體D2-D5整流後的低壓直流電流維持吸合。經測試整個系統節能率達85％以上，並達到交流接觸器無聲運行目的。
交流接觸器電磁線圈零電壓切換電路由電源電路5與受分析判斷電路3-5控制吸動的繼電器構成，分析判斷電路3-5根據電源電路5提供的交流時基信號，在交流高壓整流二極體D1截止時，即在流經交流接觸器電磁線圈電流為零時控制繼電器J1、J2吸合或釋放。
交流接觸器電磁線圈零電壓切換電路還可以由電晶體與可控矽或專門集成電路構成，但成本較高。本實施例利用已有的電源電路5與分析判斷電路3-5，以較低的代價構成大電流高電壓的零電壓切換電路。
繼電器全壓吸動低壓保持電路由受分析判斷電路3-5控制的電壓轉換電路構成，分析判斷電路3-5根據運算結果，控制電壓轉換電路的電晶體BG1與BG3-BG5導通或截止，使得繼電器J2為全壓吸合，保持電壓僅為吸合電壓的一半，即保證J2可靠吸合，又降低了觸漏電保護器電源消耗減少了整機發熱量，還加快了繼電器J2的釋放速度。
繼電器全壓吸動低壓保持電路還可以由降壓電阻與電解電容並聯後再串聯在繼電器吸動迴路的方式構成，但節能效果略差本實用新型還鑑別剩餘電流的相位變化，以判斷線路漏電突變量。
本實用新型設置一個按允許流經人體的安全電流取值的動物觸電額定動作電流值和一個按允許電氣線路、設備漏電的安全電流取值的緩變額定動作電流值，還設置一個介於動物觸電與緩變漏電額定動作電流值之間，範圍在50-100毫安之內的突變額定動作電流值。仍設置突變額定動作電流值主要作用是如果人體處在潮溼環境中甚致水中發生觸電，流經人體的電流在極短時間內上升到較大的數值且恆定，此時變化的剩餘電流「呈鐘形波，電流振幅在很短時間內逐漸上升」的動物觸電特徵不甚明顯，但此時人體阻抗約在500-1000歐姆左右，在交流電壓為220伏特時流經人體電流必然達到較大的突變額定動作電流值，觸漏電保護器也能迅速脫扣。
本實用新型觸漏電保護器的動物觸電額定動作電流取值範圍在15-40毫安之間，突變額定動作電流取值範圍在50-100毫安之間，緩變額定動作電流取值範圍在200-500毫安之間，上述電流數值可根據觸漏電保護器的具體應用場合與保護對象進行調整。
實施例2附圖3、5為本實施例的結構框圖與電原理圖，其與實施例1不同部分詳述如下為了減少觸漏電保護器的分析判斷電路3-5的數據處理量與存儲器容量，降低觸漏電保護器的成本，本實施例具有剩餘電流突變量預分離電路和採用簡單的A/D轉換電路轉換剩餘電流突變量。
本實施例剩餘電流波形鑑別電路3由剩餘電流突變量分離電路3-2、剩餘電流突變量A/D轉換電路3-3、剩餘電流緩變量檢測電路3-4、分析判斷電路3-5構成。剩餘電流突變量分離電路3-2由模擬開關IC1-IC3、採樣電容C1-C3、電容C4-C6與電阻R1-R3構成，分析判斷電路3-5定時控制IC1-IC3將C1-C3與剩餘電流放大電路2輸出接通以採樣剩餘電流，電容C4-C6與電阻R1-R3構成微分電路，以分離剩餘電流的突變量，運算放大器IC4-IC6作用為電平轉換。
剩餘電流突變量A/D轉換電路3-3由雙極性電壓輸出D/A轉換電路與電平比較電路IC8-IC10構成，以逐次比較方法對分離出的剩餘電流突變量進行模數轉換。
剩餘電流突變量A/D轉換電路3-3的雙極性電壓輸出D/A轉換電路由運算放大器IC11及電阻網絡R4-R11構成，電阻網絡R4-R11接在運算放大器IC11的同相端與反相端，以在分析判斷電路3-5的控制下輸出+、-極性的二進位電壓。
緩變剩餘電流檢測電路3-4由運算放大器IC7及IC7反相端所連接的電阻R12-R13構成，在剩餘電流達到或超過緩變漏電額定值時IC7輸出信號到分析判斷電路3-5。
本實用新型以鑑別特定波形及變化量的方法來識別與分離剩餘電流中動物觸電信號或電氣線路、設備突變漏電及緩變漏電信號，對動物觸電額定動作電流值可以設定得較靈敏，對不變化或變化下降的剩餘電流不響應，所以有較強的抗幹擾能力，能明顯減少因電氣線路、設備漏電等因素引起漏電保護器的非必要脫扣動作，從而能較大程度提高觸漏電保護器的投運率。本實用新型採用了微處理器，具有智能功能，可方便地組合成多路處理系統與增加交流電量顯示、觸漏電保護器的工作狀態指示等，本實用新型還可以使用在需帶觸漏電保護功能的空氣開關等裝置中。
本實用新型與現有技術相比具有靈敏度高、抗幹擾能力強、安全保護範圍大、非必要脫扣動作少、節能效果好等等優點，提高了供電質量與減少了供電管理者的無效勞動，同時也進一步提高了觸漏電保護器投運率。
權利要求1.一種能識別動物觸電的鑑相鑑波觸漏電保護器，包括零序電流互感器1、剩餘電流放大電路2、脫扣執行機構4、電源電路5，它們三相四線導線同方向穿過零序電流互感器1後經脫扣執行機構4到負載，零序電流互感器1的二次側接剩餘電流放大電路2的輸入端，電源電路5輸出端跟各個需直流電源的電路及需交流電源時基信號電路相連，其特徵在於還具有剩餘電流波形鑑別電路3，剩餘電流波形鑑別電路3具有由微處理器構成的分析判斷電路3-5，脫扣執行機構4由交流接觸器節能無聲運行電路、交流接觸器電磁線圈零電壓切換電路與繼電器全壓吸動低壓保持電路構成，交流接觸器節能無聲運行電路由受分析判斷電路3-5控制的交流接觸器高壓吸動低壓保持電路構成，剩餘電流波形鑑別電路3的輸入輸出端分別與剩餘電流放大電路2輸出端與脫扣執行機構4的輸入端相連。
2.根據權利要求1所述的鑑相鑑波觸漏電保護器，其特徵在於所說的剩餘電流波形鑑別電路3由剩餘電流A/D轉換電路3-1與分析判斷電路3-5構成，剩餘電流A/D轉換電路3-1由模擬開關、採樣電容、恆流充電電路及電平比較器構成。
3.根據權利要求1所述的鑑相鑑波觸漏電保護器，其特徵在於所說的剩餘電流波形鑑別電路3由剩餘電流突變量分離電路3-2、剩餘電流突變量A/D轉換電路3-3、剩餘電流緩變量檢測電路3-4、分析判斷電路3-5構成。
4.根據權利要求1所述的鑑相鑑波觸漏電保護器，其特徵在於所說的交流接觸器電磁線圈零電壓切換電路由電源電路5、受分析判斷電路3-5控制吸動的繼電器構成。
5.根據權利要求1所述的鑑相鑑波觸漏電保護器，其特徵在於所說的繼電器全壓吸動低壓保持電路由受分析判斷電路3-5控制的電壓轉換電路構成。
6.根據權利要求3所述的鑑相鑑波觸漏電保護器，其特徵在於所說的剩餘電流突變量A/D轉換電路3-3由雙極性電壓輸出的D/A轉換電路與電平比較電路構成的。
7.根據權利要求6所述的鑑相鑑波觸漏電保護器，其特徵在於所說的雙極性電壓輸出的D/A轉換電路由運算放大器和電阻網絡構成，該電阻網絡接在運算放大器的同相端與反相端。
專利摘要一種能識別動物觸電的鑑相鑑波觸漏電保護器,包括零序電流互感器1、剩餘電流放大電路2、剩餘電流波形鑑別電路3、脫扣執行機構4、電源電路5,運用微處理器判斷剩餘電流特定波形及剩餘電流變化量來分離動物觸電信號,它可廣泛地應用在交流電網中,對動物觸電起到可靠的保護作用。本實用新型具有安全保護範圍大,非必要脫扣動作少、節能效果好等優點,提高了供電質量與保護器投運率,減少了供電管理者的無效勞動。
文檔編號H02H3/14GK2378864SQ9921515
公開日2000年5月17日 申請日期1999年6月21日 優先權日1999年6月21日
發明者張寶明 申請人:張寶明