CN1815252A - 接地故障断路器寿命终止检测保护方法及其电路 - Google Patents

接地故障断路器寿命终止检测保护方法及其电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种接地故障断路器GFCI寿命终止检测保护电路，包括：方波信号生成单元，在交流电半周期期间生成模拟接地故障的方波信号；脱扣部分状态生成电路，在所述模拟接地故障的方波信号期间，生成与流经接地故障断路器GFCI的脱扣部分的电流相应的状态信号；脱扣部分电流回路，在发生真实接地故障期间，使流经所述脱扣部分的电流能够使脱扣部分的脱扣线圈发生脱扣动作；故障显示单元，接收所述脱扣部分状态生成电路的状态信号，并根据所述状态信号发出故障显示信号。

Description

接地故障断路器寿命终止检测保护方法及其电路
技术领域
本发明涉及一种低压电器的漏电保护装置的在线检测和故障报警设备，特别是一种接地故障断路器寿命终止检测保护方法及其电路。
背景技术
低压电器的漏电保护装置按功能可以分为两类：接地短路的漏电保护和电弧短路保护。为了实现漏电保护的这两个功能，低压电器的漏电保护装置都包含两个主要组成部分：脱扣器和漏电保护检测电路。前者包括晶闸管、脱扣线圈和脱扣断路装置；后者包括感应线圈、信号放大器和控制器。
低压电器的接地短路漏电保护装置的基本原理是：在一个电源插座上，正常情況下火线和零线的电流应该相等。一旦发生漏电事故，则火线电流与零线电流产生差值。漏电保护装置中的感应线圈监视其电流差，并将其转换成电压信号，经信号放大器放大后输出至控制器，一旦其差值大于某个确定的阈值时，控制器将输出控制信号，使断路器切断负载用电设备与电源线之间的连接，从而起到保护作用。
低压电器的电弧短路漏电保护装置的基本原理是：在一个电源插座上，正常情況下火线和零线的电流应该相等，且稳定变化。当火线与零线之间由于破损、老化等造成发生电弧短路现象时，则线路中火线和零线中的电流或电压将产生重复出现的脉冲电信号，通过电弧短路保护装置中的感应线圈检测出脉冲信号，并将其转换成电压信号，经信号放大器放大后输出至控制器，一旦脉冲的幅度或出现频率超过某个确定的阈值时，控制器将输出控制信号，使断路器切断负载用电设备与电源线之间的连接，从而起到保护作用。
低压电器漏电保护产品依靠优良的特性早已获得得了用户的认可，但仍有部分产品无法提供正确的漏电保护功能，其原因可能是由于不正当的安装或者长时间使用后产品中的器件损坏。一旦控制器发生故障无法输出控制信号，或者脱扣器失效无法发生动作，则漏电保护装置失去了其原有的保护功能，将可能导致重大的用电安全事故。尽管具有漏电保护装置的低压电器产品通常具有手动检测功能，但事实证明很少有人会去进行手动测试。因此需要在漏电保护装置中进行寿命终止自动检测，以便当检测到具有漏电保护装置的低压电器产品本身已经失效时，发出报警信号提醒用户采取必要的措施，如维修或者更新原有产品。
发明内容
本发明的目的是提供一种接地故障断路器寿命终止检测保护方法及其电路。
本发明可以在接地故障断路器(以下称GFCI)内部主要部件检测磁环、集成电路、脱扣线圈、驱动电路产生故障而使GFCI有故障电流不能动作使GFCI失效时，对GFCI性能进行检测，当GFCI失效时，信号灯闪动。
根据本发明的第一方面，提供了一种接地故障断路器GFCI寿命终止检测保护电路，包括：
方波信号生成单元，在交流电半周期期间生成模拟接地故障的方波信号；
脱扣部分状态生成和脱扣部分电流通路单元，在所述模拟接地故障的方波信号期间，生成与接地故障断路器GFCI的脱扣部分状态相对应的状态信号；
故障显示单元，接收所述脱扣部分状态生成和脱扣部分电流通路单元生成的状态信号，并根据所述状态信号发出故障显示信号。
其中，所述脱扣部分状态生成和脱扣部分电流通路单元包括具有两个电流回路不对称的桥式整流电路，其中
第一电流回路从交流电的火线或零线经由第一整流二极管、接地故障断路器GFCI的脱扣部分、第一和第二电阻、第三整流二极管至零线或火线；
第二电流回路从交流电的零线或火线经由第二整流二极管、接地故障断路器GFCI的脱扣部分、第四整流二极管至火线或零线；
其中如果接地故障断路器GFCI的脱扣部分正常，则在方波信号生成单元生成模拟接地故障的方波信号的同时，在所述第一电流回路的第一电阻两端生成反映脱扣部分正常状态的电压降。
其中，所述报警单元包括一个多谐振荡器，并且所述第一电流回路的第一电阻连接在多谐振荡器中的任一个晶体管的发射极与基极之间；
其中，当所述第一电阻的电压降为反映脱扣部分正常状态的电压时，迫使多谐振荡器停振。
其中，如果接地故障断路器GFCI的脱扣部分不正常而导致断路，则在方波信号生成单元生成模拟接地故障的方波信号的同时，致使所述第一电流回路断路，由此在第一电阻两端生成反映脱扣部分不正常状态的电压降。
其中，所述报警单元包括一个多谐振荡器，并且所述第一电流回路的第一电阻连接在多谐振荡器中的任一个晶体管的发射极与基极之间；
其中，第一电阻上反映脱扣部分不正常状态的电压降是第一电流回路电流为零时在第一电阻上的电压降，该电压降使多谐振荡器振荡，从而发出报警信号。
其中，所述脱扣部分包括一个脱扣线圈和与之串连的可控硅；所述所述第一电流回路的第一和第二电阻的阻值被设置为，使得流经脱扣线圈的电流不能产生脱扣动作。
其中，所述方波信号生成单元包括：
第五整流二极管，其阳极连接交流电源的火线或零线，其阴极经由第三电阻连接晶体管的集电极，并经由第四电阻连接稳压二极管的阴极；
一个所述晶体管，其基极连接所述稳压二极管的阳极，其发射极连接穿过检测感应线圈磁环的交流电的零线或火线，所述发射极还经由第五电阻连接所述稳压二极管的阴极；
其中，只有当交流电经由第五整流二极管加到稳压二极管阴极与晶体管发射极之间的正电压，大于所述稳压二极管的稳定电压时，所述晶体管才导通，由此产生方波信号。
根据本发明的第二方面，提供了一种接地故障断路器GFCI寿命终止检测保护电路，包括：
方波信号生成单元，在交流电半周期期间生成模拟接地故障的方波信号；
脱扣部分状态生成电路，在所述模拟接地故障的方波信号期间，生成与流经接地故障断路器GFCI的脱扣部分的电流相应的状态信号；
脱扣部分电流回路，在发生真实接地故障期间，使流经所述脱扣部分的电流能够使脱扣部分的脱扣线圈发生脱扣动作；
故障显示单元，接收所述脱扣部分状态生成电路的状态信号，并根据所述状态信号发出故障显示信号。
其中，所述所述脱扣部分状态生成电路中设有限流电阻，该限流电阻的阻值被设置为，使得流经脱扣线圈的电流不能使脱扣线圈产生脱扣动作。
根据本发明的第三方面，提供了一种接地故障断路器GFCI寿命终止检测保护方法，包括以下步骤：
从输入的交流电生成模拟接地故障的方波信号；
在所述模拟接地故障的方波信号期间，生成与接地故障断路器GFCI的脱扣部分状态相对应的状态信号；
接收所述状态信号，并根据所述状态信号发出故障显示信号。
其中，利用具有两个电流回路不对称的桥式整流电路生成所述状态信号，其中：
第一电流回路从交流电的火线或零线经由第一整流二极管、接地故障断路器GFCI的脱扣部分、第一和第二电阻、第三整流二极管至零线或火线；
第二电流回路从交流电的零线或火线经由其第二整流二极管、接地故障断路器GFCI的脱扣部分、第四整流二极管至火线或零线；
其中如果接地故障断路器GFCI的脱扣部分正常，则在生成模拟接地故障的方波信号的同时，在第一电流回路的第一电阻两端生成反映脱扣部分正常状态的电压降；
其中如果接地故障断路器GFCI的脱扣部分不正常而导致断路，则在生成模拟接地故障的方波信号的同时，在第一电流回路的第一电阻两端生成反映脱扣部分不正常状态的电压降。
其中，反映脱扣部分状态的电压降加到多谐振荡器中任一个晶体管的发射极与基极之间，
如果脱扣部分正常，则反映脱扣部分正常状态的电压降迫使多谐振荡器停振，以及
如果脱扣部分不正常，则反映脱扣部分不正常状态的电压降使多谐振荡器振荡，从而发出报警信号。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明的GFCI寿命终止检测电路；
图2是本发明的GFCI寿命终止检测电路波形图；
图3显示了本发明可以使用的摸拟故障生成单元的四种结构。
具体实施方式
参见图1，本发明的接地故障断路器GFCI寿命终止检测保护电路包括：
由整流二极管D7、晶体管Q1、电阻R1-R3和稳压二极管D6组成的方波信号生成单元，在交流电半周期期间生成模拟接地故障的方波信号；
由整流二极管D1至D4和电阻R5和R6构成的脱扣部分状态生成和脱扣部分电流通路单元，在所述模拟接地故障的方波信号期间，生成与接地故障断路器GFCI的脱扣部分状态相对应的状态信号；
由晶体管Q2、Q3、电容C2、C3、电阻R9-R11、发光二极管D8构成的故障显示单元，接收所述脱扣部分状态生成和脱扣部分电流通路单元生成的状态信号，并根据所述状态信号发出故障显示信号。
所述脱扣部分包括脱扣线圈J和与之串连的可控硅VD1。
所述脱扣部分状态生成和脱扣部分电流通路单元包括具有两个电流回路不对称的桥式整流电路，其中
第一电流回路从交流电的火线或零线经由第一整流二极管D1、接地故障断路器GFCI的脱扣部分(即脱扣线圈J和可控硅VD1)、第一电阻R5和第二电阻R6、第三整流二极管D3至零线或火线；
第二电流回路从交流电的零线或火线经由第二整流二极管D2、接地故障断路器GFCI的脱扣部分(即脱扣线圈J和可控硅VD1)、第四整流二极管D4至火线或零线；
其中如果接地故障断路器GFCI的脱扣部分(即脱扣线圈J和可控硅VD1)正常，则在方波信号生成单元生成模拟接地故障的方波信号的同时，在所述第一电流回路的第一电阻R5两端生成反映脱扣部分正常状态的电压降，也就是在图1所示的电阻R5两端生成左正右负的电压降。
所述报警单元包括一个多谐振荡器(由晶体管Q2、Q3、电容C2、C3和电阻R9-R11组成)和一个发光二极管D8，并且所述第一电流回路的第一电阻R5连接在多谐振荡器中的任一个晶体管如Q2的发射极与基极之间；
当所述第一电阻R5的电压降为反映脱扣部分正常状态的电压时，第一电阻R5两端的左正右负的电压使晶体管Q2截止，降迫使多谐振荡器停振。
如果接地故障断路器GFCI的脱扣部分不正常(如可控硅VD1损坏)而导致断路，则在方波信号生成单元生成模拟接地故障的方波信号的同时，致使所述第一电流回路断路，由此在第一电阻R5两端生成反映脱扣部分不正常状态的电压降。该电压降是第一电流回路中电流为零时第一电阻R5两端的电压降，如果不考虑多谐振荡器的影响，第一电阻R5两端的电压降为零。实际上，由于R5的电阻值相当大，基本上不对多谐振荡器造成影响，使得多谐振荡器振荡，从而发出报警信号。
其中，所述方波信号生成单元包括：
第五整流二极管D7，其阳极连接交流电源的火线或零线(A)点，其阴极经由第三电阻R1连接晶体管Q1的集电极，并经由第四电阻R2连接稳压二极管D6的阴极；
一个所述晶体管Q1，其基极连接所述稳压二极管D6的阳极，其发射极连接穿过检测感应线圈磁环N1、N2的交流电的零线或火线B点，所述发射极还经由第五电阻R3连接所述稳压二极管D6的阴极；
其中，只有当交流电经由第五整流二极管D7加到稳压二极管D6阴极与晶体管Q1发射极之间的正电压，大于所述稳压二极管D6的稳定电压时，所述晶体管Q1才导通，由此产生方波信号。
另一方面，本发明的接地故障断路器GFCI寿命终止检测保护电路还可以概括为包括：
由整流二极管D7、晶体管Q1、电阻R1-R3和稳压二极管D6组成的方波信号生成单元，在交流电半周期期间生成模拟接地故障的方波信号；
由二极管D1、脱扣线圈J、可控硅VD1、电阻R5、R6和二极管D3组成的脱扣部分状态生成电路，在所述模拟接地故障的方波信号期间，在电阻R5上生成与流经接地故障断路器GFCI的脱扣部分的电流相应的状态信号；
由二极管D2、脱扣线圈J、可控硅VD1、二极管D4组成的脱扣部分电流回路，在发生真实接地故障期间，使流经所述脱扣部分的电流能够使脱扣部分的脱扣线圈J发生脱扣动作；
由晶体管Q2、Q3、电容C2、C3、电阻R9-R11、发光二极管D8构成的故障显示单元，接收所述脱扣部分状态生成电路的状态信号，并根据所述状态信号发出故障显示信号。
其中，在所述所述脱扣部分状态生成电路中设有限流电阻R5和R6，该限流电阻R5、R6的阻值被设置为，使得流经脱扣线圈J的电流不能使脱扣线圈J产生脱扣动作。
根据上述原理，本发明还提供了一种接地故障断路器GFCI寿命终止检测保护方法，包括以下步骤：
从输入的交流电生成模拟接地故障的方波信号；
在所述模拟接地故障的方波信号期间，生成与接地故障断路器GFCI的脱扣部分状态相对应的状态信号；
接收所述状态信号，并根据所述状态信号发出故障显示信号。
其中利用具有两个电流回路不对称的桥式整流电路生成所述状态信号，其中
第一电流回路从交流电的火线或零线经由第一整流二极管D1、接地故障断路器GFCI的脱扣部分(脱扣线圈J和可控硅VD1)、第一电阻R5和第二电阻R6、第三整流二极管D3至零线或火线；
第二电流回路从交流电的零线或火线经由其第二整流二极管D2、接地故障断路器GFCI的脱扣部分(脱扣线圈J和可控硅VD1)、第四整流二极管D4至火线或零线；
其中如果接地故障断路器GFCI的脱扣部分正常，则在生成模拟接地故障的方波信号的同时，在第一电流回路的第一电阻两端R5生成反映脱扣部分正常状态的电压降；
其中如果接地故障断路器GFCI的脱扣部分不正常而导致断路，则在生成模拟接地故障的方波信号的同时，则在第一电流回路的第一电阻R5两端生成反映脱扣部分不正常状态的电压降。
其中反映脱扣部分状态的电压降加到多谐振荡器中任一个晶体管如Q2的发射极与基极之间，
如果脱扣部分正常，则反映脱扣部分正常状态的电压降迫使多谐振荡器停振，以及
如果脱扣部分不正常，则反映脱扣部分不正常状态的电压降使多谐振荡器振荡，从而发出报警信号。
下面参照图1至图3对本发明进行详细说明。
在图1中，二极管D1～D4构成一全波桥式整流电路，特别注意的是在二极管D3和D4之间串接电阻R5和R6。同时二极管D1，D4和脱扣线圈J相连，脱扣线圈加一端与可控硅VD1相连。
二极管D7、晶体管Q1、稳压器D6、电阻R1、R2、R3构成一个方波故障电流电路，其原理如下：二极管D7处正交流电压时，当电压上升到较大值时在R2和R3分压后，R3电压降大于稳压二极管稳定电压时，稳压管导通，晶体管Q1导通，此交流电压下降时同理晶体管Q1截止，这样就形成了一个方波故障电流，其波形图如图2所示。在图2中，上图是电源电压波形图；中图是图1中(C)点的电压波形；下图是方波故障电流电路生成的电流波形。
下面说明寿命终止检测过程：
当图1的(A)点处于正电压时，就会产生方波故障电流，此故障电流经检测磁环N1，GFCI内部IC放大使GFCI输出触发信号，使可控硅VD1导通，此时主回路电流经二极管D1，脱扣线圈J，可控硅VD1，电阻R5，R6和二极管D3到B，此时因在脱扣线圈回路中，串接电阻R5和R6，脱扣线圈J1的电流为mA级，不会使脱扣器动作，同时也保护可控硅。当检测磁环N1，GFCI内部IC，脱扣线圈J1，可控硅VD1正常时，此电流经R6和R5分压后在R5上产生的负信号，由晶体管Q2和Q3组成多谐振荡器的Q2截止，发光二极管D8熄灭。当GFCI有故障时，R5不会有信号，多谐振荡器工作，发光二极管约每秒一次闪动。
当如图1所示，当电源(B)点为正电压时，当此时有故障电流时，可控硅VD1导通，此时主回路电流方向为D2→J→VD1→D4，因此时在回路中没有串接限流电阻，GFCI正常工作，即可控硅导通，脱扣线圈J通电，产生脱扣动作。
产生摸拟故障电流的有多种电路结构，图3给出另四种不同电路结构。
信号指示灯也有多种方式，例如若不需要信号灯闪动时可以只用晶体管Q2，因为正常时Q2处于截止状态，可节省能源。

Claims (12)

1.一种接地故障断路器GFCI寿命终止检测保护电路，包括：
方波信号生成单元，在交流电半周期期间生成模拟接地故障的方波信号；
脱扣部分状态生成和脱扣部分电流通路单元，在所述模拟接地故障的方波信号期间，生成与接地故障断路器GFCI的脱扣部分状态相对应的状态信号；
故障显示单元，接收所述脱扣部分状态生成和脱扣部分电流通路单元生成的状态信号，并根据所述状态信号发出故障显示信号。
2.根据权利要求1所述的寿命终止检测保护电路，其中所述脱扣部分状态生成和脱扣部分电流通路单元包括具有两个电流回路不对称的桥式整流电路，其中
第一电流回路从交流电的火线或零线经由第一整流二极管、接地故障断路器GFCI的脱扣部分、第一和第二电阻、第三整流二极管至零线或火线；
第二电流回路从交流电的零线或火线经由第二整流二极管、接地故障断路器GFCI的脱扣部分、第四整流二极管至火线或零线；
其中如果接地故障断路器GFCI的脱扣部分正常，则在方波信号生成单元生成模拟接地故障的方波信号的同时，在所述第一电流回路的第一电阻两端生成反映脱扣部分正常状态的电压降。
3.根据权利要求2所述的寿命终止检测保护电路，其中所述报警单元包括一个多谐振荡器，并且所述第一电流回路的第一电阻连接在多谐振荡器中的任一个晶体管的发射极与基极之间；
其中，当所述第一电阻的电压降为反映脱扣部分正常状态的电压时，迫使多谐振荡器停振。
4.根据权利要求2所述的寿命终止检测保护电路，其中如果接地故障断路器GFCI的脱扣部分不正常而导致断路，则在方波信号生成单元生成模拟接地故障的方波信号的同时，致使所述第一电流回路断路，由此在第一电阻两端生成反映脱扣部分不正常状态的电压降。
5.根据权利要求4所述的寿命终止检测保护电路，其中所述报警单元包括一个多谐振荡器，并且所述第一电流回路的第一电阻连接在多谐振荡器中的任一个晶体管的发射极与基极之间；
其中，第一电阻上反映脱扣部分不正常状态的电压降是第一电流回路电流为零时在第一电阻上的电压降，该电压降使多谐振荡器振荡，从而发出报警信号。
6.根据上述任一项权利要求所述的寿命终止检测保护电路，其中
所述脱扣部分包括一个脱扣线圈和与之串连的可控硅；
所述所述第一电流回路的第一和第二电阻的阻值被设置为，使得流经脱扣线圈的电流不能产生脱扣动作。
7.根据权利要求1所述的寿命终止检测保护电路，其中所述方波信号生成单元包括：
第五整流二极管，其阳极连接交流电源的火线或零线，其阴极经由第三电阻连接晶体管的集电极，并经由第四电阻连接稳压二极管的阴极；
一个所述晶体管，其基极连接所述稳压二极管的阳极，其发射极连接穿过检测感应线圈磁环的交流电的零线或火线，所述发射极还经由第五电阻连接所述稳压二极管的阴极；
其中，只有当交流电经由第五整流二极管加到稳压二极管阴极与晶体管发射极之间的正电压，大于所述稳压二极管的稳定电压时，所述晶体管才导通，由此产生方波信号。
8.一种接地故障断路器GFCI寿命终止检测保护方法，包括以下步骤：
从输入的交流电生成模拟接地故障的方波信号；
在所述模拟接地故障的方波信号期间，生成与接地故障断路器GFCI的脱扣部分状态相对应的状态信号；
接收所述状态信号，并根据所述状态信号发出故障显示信号。
9.根据权利要求8所述的寿命终止检测保护方法，其中利用具有两个电流回路不对称的桥式整流电路生成所述状态信号，其中
第一电流回路从交流电的火线或零线经由第一整流二极管、接地故障断路器GFCI的脱扣部分、第一和第二电阻、第三整流二极管至零线或火线；
第二电流回路从交流电的零线或火线经由其第二整流二极管、接地故障断路器GFCI的脱扣部分、第四整流二极管至火线或零线；
其中如果接地故障断路器GFCI的脱扣部分正常，则在生成模拟接地故障的方波信号的同时，在第一电流回路的第一电阻两端生成反映脱扣部分正常状态的电压降；
其中如果接地故障断路器GFCI的脱扣部分不正常而导致断路，则在生成模拟接地故障的方波信号的同时，在第一电流回路的第一电阻两端生成反映脱扣部分不正常状态的电压降。
10.根据权利要求10所述的寿命终止检测保护方法，其中反映脱扣部分状态的电压降加到多谐振荡器中任一个晶体管的发射极与基极之间，
如果脱扣部分正常，则反映脱扣部分正常状态的电压降迫使多谐振荡器停振，以及
如果脱扣部分不正常，则反映脱扣部分不正常状态的电压降使多谐振荡器振荡，从而发出报警信号。
11.一种接地故障断路器GFCI寿命终止检测保护电路，包括：
方波信号生成单元，在交流电半周期期间生成模拟接地故障的方波信号；
脱扣部分状态生成电路，在所述模拟接地故障的方波信号期间，生成与流经接地故障断路器GFCI的脱扣部分的电流相应的状态信号；
脱扣部分电流回路，在发生真实接地故障期间，使流经所述脱扣部分的电流能够使脱扣部分的脱扣线圈发生脱扣动作；
故障显示单元，接收所述脱扣部分状态生成电路的状态信号，并根据所述状态信号发出故障显示信号。
12.根据权利要求11所述的寿命终止检测保护电路，其中所述所述脱扣部分状态生成电路中设有限流电阻，该限流电阻的阻值被设置为，使得流经脱扣线圈的电流不能使脱扣线圈产生脱扣动作。
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