CN103545786A - 一种漏电流保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种漏电流保护装置，包括漏电流隔离采样单元、保护地连通性检测单元、全波整流放大单元、信号输出单元以及继电器控制单元；其中，漏电流隔离采样单元采集外部负载产生的漏电流信号，并传送至全波整流放大单元进行整流放大，全波整流放大单元将经过整流放大后的漏电流信号传送至信号输出单元和继电器控制单元；保护地连通性检测单元连接继电器控制单元，继电器控制单元中的处理器发出主动漏电流启动信号，主动漏电流启动信号控制光耦导通，产生主动漏电流，主动漏电流经漏电流隔离采样单元、全波整流放大单元以及信号输出单元传送至继电器控制单元中的处理器，处理器根据主动漏电流，检测保护地是否连接以及交流输入相序是否错接。

Description

一种漏电流保护装置

技术领域

本发明属于电力电子领域，涉及一种漏电流保护装置，具体的讲是一种保护地连通性检测和漏电流检测装置。

背景技术

各种电器产品已广泛进入用户家庭，像家用电热水器等也早已被用户所熟悉和接受，正被普遍使用。漏电保护作为电热水器、冰箱等的必备功能为用户带来了一定的安全保障，然而，每年仍旧有部分用户被漏电所伤，究其原因，并不是因为漏电保护功能不起作用，而是因为用电环境不可靠，即保护性地没有连接或接地不可靠。若电气设备出现漏电，在没有可靠接地时，会发生人员触电事故。

漏电流检测通常由零序电流互感器、集成漏电流检测IC、继电器驱动电路和电磁继电器组成。漏电流通过零序电流互感器后变成微弱的隔离电信号，其大小与漏电流成正比，将隔离的电信号送入集成漏电检测IC，当漏电信号幅值超过设定的阈值时，集成漏电检测IC驱动电磁继电器线圈，从而断开交流输入电源和用电设备。

发明内容

现有的漏电检测电路只有硬件保护，当检测电路出现故障时，不能自诊断，保护失效。此外，该种漏电检测电路没有保护地连通性检测，也没用相序错误连接检测，存在触电隐患。

为了解决上述问题，本发明实施例提出一种漏电流保护装置，包括漏电流隔离采样单元、保护地连通性检测单元、全波整流放大单元、信号输出单元以及继电器控制单元；其中，所述漏电流隔离采样单元用于采集外部负载产生的漏电流信号，并传送至所述全波整流放大单元进行整流放大，所述全波整流放大单元将经过整流放大后的漏电流信号传送至所述信号输出单元和所述继电器控制单元；所述信号输出单元将所述漏电流与硬件保护阈值进行比较，如果超过所述硬件保护阈值，则控制所述继电器控制单元输出保护信号，控制继电器动作，将所述外部负载从交流输入电源断开；所述继电器控制单元包括处理器，根据所述漏电流信号计算所述漏电流的大小，并与所述处理器设置的软件保护阈值进行比较，如果超过所述软件保护阈值，则控制所述继电器控制单元输出保护信号，控制继电器动作，将所述外部负载从交流输入电源断开；所述保护地连通性检测单元连接所述继电器控制单元，所述继电器控制单元中的处理器发出主动漏电流启动信号，所述主动漏电流启动信号控制光耦导通，从而连通输入交流相线和保护性地线并产生主动漏电流，所述主动漏电流经所述漏电流隔离采样单元、全波整流放大单元以及信号输出单元传送至所述继电器控制单元中的处理器，所述处理器根据所述主动漏电流，检测保护地是否连接以及交流输入相序是否错接。

进一步地，在一实施例中，所述漏电流隔离采样单元包括零序电流互感器、保护二极管以及滤波电容；其中，所述零序电流互感器将所述漏电流信号变为与所述漏电流大小成正比的隔离电信号，所述保护二极管用于钳位大的漏电流在精密运算放大器输入端口产生过高电压，保护所述精密运算放大器不被过高的漏电流损坏，所述滤波电容用于滤除所述漏电流信号波形上叠加的高频干扰信号。

进一步地，在一实施例中，所述全波整流放大单元包括信号整流及放大用电阻、信号整流及放大用二极管以及信号整流及放大用运算放大器；所述信号整流及放大用电阻、信号整流及放大用二极管以及信号整流及放大用运算放大器用于对所述漏电流信号进行整流放大。

进一步地，在一实施例中，所述保护地连通性检测单元包括主动漏电流调节电阻以及隔离光耦；其中，所述隔离光耦用于对输入交流电源和控制电路进行隔离，使强电和弱电分开；所述主动漏电流调节电阻用于调节所述主动漏电流的大小。

进一步地，在一实施例中，所述信号输出单元包括RC滤波器、硬件保护阈值分压电阻以及比较器；其中，所述RC滤波器用于滤除经过所述全波整流放大单元整流放大后的漏电流信号上的高频干扰信号，所述硬件保护阈值分压电阻用于提供硬件保护阈值电平，调整所述硬件保护阈值分压电阻的阻值可改变所述硬件保护阈值电平，所述比较器用于比较全波整流放大单元整流放大后的漏电流信号和所述硬件保护阈值电平，当所述全波整流放大单元整流放大后的漏电流信号超过所述硬件保护阈值电平时，所述比较器输出电平翻转，输出硬件保护信号，经锁存后控制所述继电器动作。

进一步地，在一实施例中，所述继电器控制单元包括硬件保护输出信号锁存器、继电器驱动电路以及所述处理器；其中，所述锁存器用于将所述比较器输出的硬件保护信号进行锁存，以维持硬件保护状态不变，所述继电器驱动电路用于驱动所述继电器，让继电器执行保护指令，以将负载从交流电源切除。

进一步地，在一实施例中，所述继电器控制单元中的处理器为一单片机。

本发明实施例的漏电流保护装置，可实现漏电流的隔离采样，并通过精密全波整流放大电路，精确地检测漏电流的大小；可通过设定不同的软件保护阈值和硬件保护阈值，实现分级保护，达到双重保护功能；并且，利用漏电流检测功能回路，通过主动漏电流发生电路，实现保护地连通性检测，确保保护地可靠连接。因此，本发明的漏电流保护装置综合保护地连通性检测和漏电流检测功能，通过软件即可判断交流输入电源相序是否错接，并且没有增加硬件及成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的漏电流保护装置的结构示意图；

图2为本发明的漏电流保护装置的一具体实施例的结构示意图；

图3为本发明实施例的漏电流保护装置在检测过程中的波形图。

具体实施方式

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。

本发明提供一种保护地连通性检测和漏电流保护装置，除可精确检测漏电流大小外，还具有保护地连通性检测，以及交流输入相序错接功能，同时具有软件和硬件双重保护，检测电路故障自诊断等功能。

图1为本发明实施例的漏电流保护装置的结构示意图。如图所示，本实施例的漏电流保护装置包括：漏电流隔离采样单元101、保护地连通性检测单元102、全波整流放大单元103、信号输出单元104以及继电器控制单元105。

其中，所述漏电流隔离采样单元101用于采集外部负载产生的漏电流信号，并传送至所述全波整流放大单元103进行整流放大，所述全波整流放大单元103将经过整流放大后的漏电流信号传送至所述信号输出单元104和所述继电器控制单元105。

所述信号输出单元104将所述漏电流与硬件保护阈值进行比较，如果超过所述硬件保护阈值，则控制所述继电器控制单元105输出保护信号，控制继电器动作，将所述外部负载从交流输入电源断开。

所述继电器控制单元包括处理器，根据所述漏电流信号计算所述漏电流的大小，并与所述处理器设置的软件保护阈值进行比较，如果超过所述软件保护阈值，则控制所述继电器控制单元输出保护信号，控制继电器动作，将所述外部负载从交流输入电源断开。

所述保护地连通性检测单元102连接所述继电器控制单元105，所述继电器控制单元中的处理器发出主动漏电流启动信号，所述主动漏电流启动信号控制光耦导通，从而连通输入交流相线和保护性地线并产生主动漏电流，所述主动漏电流经所述漏电流隔离采样单元101、全波整流放大单元103以及信号输出单元104传送至所述继电器控制单元105中的处理器，所述处理器根据所述主动漏电流，检测保护地是否连接以及交流输入相序是否错接。

图2为本发明的漏电流保护装置的一具体实施例的结构示意图。如图所示，图1中所示的漏电流隔离采样单元101包括零序电流互感器120、保护二极管121、123以及滤波电容124。其中，所述零序电流互感器120将所述漏电流信号变为与所述漏电流大小成正比的隔离电信号，所述保护二极管121、123用于钳位大的漏电流在精密运算放大器输入端口产生过高电压，保护所述精密运算放大器不被过高的漏电流损坏，所述滤波电容124用于滤除所述漏电流信号波形上叠加的高频干扰信号。

在本实施例中，图1中的全波整流放大单元103包括信号整流及放大用电阻126、130、127、134，信号整流及放大用二极管132、133、135、137以及信号整流及放大用运算放大器131、136；所述信号整流及放大用电阻126、130、127、134，信号整流及放大用二极管132、133、135、137以及信号整流及放大用运算放大器131、136用于对所述漏电流信号进行整流放大。

在本实施例中，图1中的保护地连通性检测单元102包括主动漏电流调节电阻128以及隔离光耦129；其中，所述隔离光耦129用于对输入交流电源和控制电路进行隔离，使强电和弱电分开；所述主动漏电流调节电阻128用于调节所述主动漏电流的大小。

在本实施例中，图1中的信号输出单元104包括RC滤波器141、142，硬件保护阈值分压电阻138、139以及比较器140。其中，所述RC滤波器141、142用于滤除经过所述全波整流放大单元103整流放大后的漏电流信号上的高频干扰信号，所述硬件保护阈值分压电阻138、139用于提供硬件保护阈值电平，调整所述硬件保护阈值分压电阻的阻值可改变硬件保护阈值电平，所述比较器140用于比较全波整流放大单元103整流放大后的漏电流信号和所述硬件保护阈值电平，当所述全波整流放大单元103整流放大后的漏电流信号超过所述硬件保护阈值电平时，所述比较器140输出电平翻转，输出硬件保护信号，经锁存后控制所述继电器动作。

在本实施例中，图1中的继电器控制单元包括硬件保护输出信号锁存器143、继电器驱动电路144以及所述处理器145。其中，所述锁存器143用于将所述比较器140输出的硬件保护信号进行锁存，以维持硬件保护状态不变，只有当漏电流故障排除后，控制重新上电或MCU输出解锁指令后方能解除硬件保护信号锁存状态。所述继电器驱动电路144用于驱动所述继电器，让继电器执行保护指令，以将负载从交流电源切除。

在本实施例中，所述继电器控制单元中的处理器145可为一单片机或者为微控制器MCU。

使用图1和图2的漏电流保护装置可进行漏电流的检测和保护地连通性的检测，并参看图2，其具体实施如下：

1、漏电流检测：

通过漏电流隔离采样单元101，将采集到的正弦漏电流信号送入全波整流放大单元103后，输出整流放大后的正弦波信号。该信号分两路，一路送往处理器145通过软件采样处理，实时计算漏电流大小，并与软件设定的保护阈值进行比较以判断漏电流是否超过限值。另一路与硬件保护阈值相比较以判断是否超过硬件设定限值。当漏电流超过软件设定的阈值或硬件设定的阈值时，处理器或硬件将输出保护信号，送到继电器驱动电路以推动继电器动作，从而将负载从交流输入电源断开。漏电流的检测计算如下：

输入条件：

实际漏电流，Ileak；

零序电流互感器匝比，1：n；

全波整流放大电阻，R1=R7=Ra，R8=Rb，R2=R7+R8=Ra+Rb;

则处理器检测到的漏电流Ileak_s：

Ileak_s=(Ileak/n)*(1+Rb/Ra)

由此，可以精确检测到实际漏电流的大小，也可以很方便的改变电阻值的大小以调整放大倍数。

2、保护地连通性检测：

保护地连通性检测单元102也是主动漏电流产生单元。进行保护地连通性检测时，处理器145输出低电平，隔离光耦129导通。当输入交流电相线L和零线N正确连接时，交流输入通过主动漏电流调节电阻128和隔离光耦129产生主动漏电流，其大小为：

Ileak≈Uin/R11（隔离光耦上的压降可忽略不计），其中，Uin为交流电相线L和零线N之间的电压，也就是电网电压。

隔离光耦129用于对输入交流电源和控制电路进行隔离，使强电和弱电分开，确保人触摸到控制电路时不会发生触电。所述隔离光耦129相当于一个双向开关，可以通过处理器145控制导通和关断。

接地线PE和零线N线是等电位的，当处理器145控制隔离光耦129导通时，如果交流电相线L和零线N相序正确，交流电相线L和接地线PE将通过主动漏电流调节电阻R11和隔离光耦U4连通，这时将在主动漏电流调节电阻R11上产生主动漏电流，同样地，在零序电流互感器125上流过与主动漏电流调节电阻R11相同的电流。

可见，选用不同的电阻值，使主动漏电流小于或大于漏电流保护阈值，通常，为了不影响漏电流的正常检测，若不间断进行保护地连通性检测，则应使主动漏电流远小于漏电流保护阈值；若间断性进行保护地连通性检测，根据间断性的周期长短，则可更加灵活选择主动漏电流大小。产生的主动漏电流通过零序电流互感器隔离传送到全波整流放大电路等漏电流检测单元。主动漏电流通过漏电流检测功能回路后送到处理器145，通过采样计算从而可判断保护地是否正常连接。这是因为，主动漏电流等于主动漏电流调节电阻R11上流过的电流，若接地线PE未连接，当处理器发出主动漏电流检测信号后（即光耦导通），则主动漏电流调节电阻R11上无电流产生。

利用保护地连通性检测功能，如果保护地已经正确连接，当处理器145输出低电平控制隔离光耦129导通时，若处理器145不能采集到主动产生的漏电流，则交流输入相线L和零线N相序连接错误。

3、自诊断功能：

通过保护地连通性检测和漏电流检测功能单元，不能检测到主动漏电流，或检测到的主动漏电流波形畸变异常，则可判断保护地连接故障或相序错误或检测电路出现故障并发出报警信号。此处的检测电路指101漏电流隔离采样单元，102保护地连通性检测单元，103精密全波整流放大单元，104信号输出单元。通过向处理器145写入代码，定期发出主动漏电流检测指令，然后处理器145将采样到的漏电流信号进行分析对比，做出电源连接或检测电路是否有故障判断。

图3为本发明实施例的漏电流保护装置在检测过程中的波形图。如图所示，图3中的曲线201为漏电流检测输出电流信号（对应图2中的RC滤波器141、142滤波后的漏电流信号），其中曲线210为检测到的实际漏电流和主动漏电流之和，曲线211为检测到的主动漏电流，曲线213为检测到的实际漏电流，曲线214表示无实际漏电流和主动漏电流；曲线202为硬件比较强输出波形（对应图1中的比较器140输出信号），当检测到的漏电流（包括实际漏电流和主动漏电流）大于硬件保护阈值分压电阻138、139设定的硬件保护阈值时，比较器140输出低电平，进一步通过锁存器锁存后，推动继电器断开负载和交流输入电源。

本发明实施例的漏电流保护装置，可实现漏电流的隔离采样，并通过精密全波整流放大电路，精确地检测漏电流的大小；可通过设定不同的软件保护阈值和硬件保护阈值，实现分级保护，达到双重保护功能；并且，利用漏电流检测功能回路，通过主动漏电流发生电路，实现保护地连通性检测，确保保护地可靠连接。因此，本发明的漏电流保护装置综合保护地连通性检测和漏电流检测功能，通过软件即可判断交流输入电源相序是否错接，并且没有增加硬件及成本。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种漏电流保护装置，其特征在于，包括漏电流隔离采样单元、保护地连通性检测单元、全波整流放大单元、信号输出单元以及继电器控制单元；其中，

所述漏电流隔离采样单元用于采集外部负载产生的漏电流信号，并传送至所述全波整流放大单元进行整流放大，所述全波整流放大单元将经过整流放大后的漏电流信号传送至所述信号输出单元和所述继电器控制单元；

所述信号输出单元将所述漏电流与硬件保护阈值进行比较，如果超过所述硬件保护阈值，则控制所述继电器控制单元输出保护信号，控制继电器动作，将所述外部负载从交流输入电源断开；

所述继电器控制单元包括处理器，根据所述漏电流信号计算所述漏电流的大小，并与所述处理器设置的软件保护阈值进行比较，如果超过所述软件保护阈值，则控制所述继电器控制单元输出保护信号，控制继电器动作，将所述外部负载从交流输入电源断开；

所述保护地连通性检测单元连接所述继电器控制单元，所述继电器控制单元中的处理器发出主动漏电流启动信号，所述主动漏电流启动信号控制光耦导通，从而连通输入交流相线和保护性地线并产生主动漏电流，所述主动漏电流经所述漏电流隔离采样单元、全波整流放大单元以及信号输出单元传送至所述继电器控制单元中的处理器，所述处理器根据所述主动漏电流，检测保护地是否连接以及交流输入相序是否错接。

2.根据权利要求1所述的漏电流保护装置，其特征在于，所述漏电流隔离采样单元包括零序电流互感器、保护二极管以及滤波电容；

其中，所述零序电流互感器将所述漏电流信号变为与所述漏电流大小成正比的隔离电信号，所述保护二极管用于钳位大的漏电流在精密运算放大器输入端口产生过高电压，保护所述精密运算放大器不被过高的漏电流损坏，所述滤波电容用于滤除所述漏电流信号波形上叠加的高频干扰信号。

3.根据权利要求1所述的漏电流保护装置，其特征在于，所述全波整流放大单元包括信号整流及放大用电阻、信号整流及放大用二极管以及信号整流及放大用运算放大器；

所述信号整流及放大用电阻、信号整流及放大用二极管以及信号整流及放大用运算放大器用于对所述漏电流信号进行整流放大。

4.根据权利要求1所述的漏电流保护装置，其特征在于，所述保护地连通性检测单元包括主动漏电流调节电阻以及隔离光耦；

其中，所述隔离光耦用于对输入交流电源和控制电路进行隔离，使强电和弱电分开；

所述主动漏电流调节电阻用于调节所述主动漏电流的大小。

5.根据权利要求1所述的漏电流保护装置，其特征在于，所述信号输出单元包括RC滤波器、硬件保护阈值分压电阻以及比较器；

其中，所述RC滤波器用于滤除经过所述全波整流放大单元整流放大后的漏电流信号上的高频干扰信号，所述硬件保护阈值分压电阻用于提供硬件保护阈值电平，调整所述硬件保护阈值分压电阻的阻值可改变所述硬件保护阈值电平，所述比较器用于比较全波整流放大单元整流放大后的漏电流信号和所述硬件保护阈值电平，当所述全波整流放大单元整流放大后的漏电流信号超过所述硬件保护阈值电平时，所述比较器输出电平翻转，输出硬件保护信号，经锁存后控制所述继电器动作。

6.根据权利要求5所述的漏电流保护装置，其特征在于，所述继电器控制单元包括硬件保护输出信号锁存器、继电器驱动电路以及所述处理器；

其中，所述锁存器用于将所述比较器输出的硬件保护信号进行锁存，以维持硬件保护状态不变，所述继电器驱动电路用于驱动所述继电器，让继电器执行保护指令，以将负载从交流电源切除。

7.根据权利要求6所述的漏电流保护装置，其特征在于，所述继电器控制单元中的处理器为一单片机。

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