CN102761098A

CN102761098A - 剩余电流保护装置及方法

Info

Publication number: CN102761098A
Application number: CN2011101085963A
Authority: CN
Inventors: 熊焘; 包章尧; 黄琦
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2031-04-28
Also published as: CN102761098B

Abstract

本发明提供了一种剩余电流保护设备。该设备包括：漏电检测器、脱扣装置以及用于在漏电检测器检测到漏电流时产生驱动信号以使得脱扣装置执行脱扣动作的控制电路。该设备还包括外部输入电路，用于响应于外部输入产生一触发信号，其中，所述控制电路响应于所述触发信号而发出所述驱动信号，而且所述外部输入电路的电源和从供电线路取电的电源之间电隔离，且所述外部输入电路与所述控制电路的信号之间也电隔离。通过这种电源和信号的双重隔离，外部输入电路可以与供电线路部分完全隔离。由此，即使元件因故障而短路，高电压也不会加在外部输入的按钮上，从而确保了操作人员的安全。

Description

剩余电流保护装置及方法

技术领域

本发明涉及一种剩余电流保护装置，尤其涉及一种具有外部触发功能的剩余电流保护装置。

背景技术

在低压电网中，当操作人员接触电气装置的带电部分时会产生漏电流，该漏电流容易造成人身电击伤亡事故。或者，当低压电网中电气装置绝缘不良时，火线与零线之间也会存在漏电流，该漏电流容易引起线路短路，进而引起火灾。发生上述两种情况时，均需要切断供电电源以确保安全。

在低压电网中，安装具有漏电保护功能的设备是防止人身电击伤亡、电气火灾及电器设备损坏的有效防护措施。这种设备一般称为剩余电流保护装置(Residual CurrentDevice，RCD)。RCD检测低压电网中是否存在漏电流。一旦RCD检测到供电线路上出现漏电流，其使得RCD中的脱扣机构执行脱扣动作，这一脱扣动作进而致使该供电线路上的断路器切断该线路。

在实际应用中，除了上述常规的漏电保护外，RCD还需要提供外部触发功能。也就是说，RCD提供一个外部输入端，操作人员在必要时可以利用该外部输入端手动地触发RCD执行脱扣动作，而不考虑是否出现了漏电状况，并由此人工断开供电线路。例如，在发生诸如意外的电气装置故障的情况下，为了避免进一步的危险，操作人员可在尚未发生任何漏电的情况下立即手动触发RCD断开供电线路。此外，这一外部触发功能还可帮助用户远程测试脱扣机构和断路器是否能够正常工作。

RCD的这种外部触发功能一般采用简单的电路来实现。图1示例性地给出了一个最简单的例子。如图1所示，外部输入电路140包括串联在电源和地之间的电阻R0和外部触发按钮B1。电阻R0上的电压由RCD中的一个控制电路MCU1监测，RCD其他部分未示出。这里，按钮B1充当一个开关元件，其断开时电阻R0上电压为低。当按钮B1被按下时，开关闭合，导致其所在的串联支路导通，由此电阻上的电压为高，即形成有效的外部触发信号。这时，RCD响应于该有效的外部触发信号而促使其中的脱扣机构执行脱扣动作。

在图1所示的设计中，外部输入电路是直接从供电线路取电。这样设计的一个潜在危险是：如果给外部输入电路提供电源的元件出现故障，例如被击穿，则供电线路上的大电流将直接加到触发按钮B1上。如果用户触摸这种带电的按钮，则会发生电击事故。

因此，现有的具有外部触发功能的RCD尚不能满足安全的需要，从而需要一种新型的具有外部触发功能的RCD来避免发生不必要的人身电击伤害。

发明内容

本发明旨在提供一种具有外部触发功能的剩余电流保护装置。这种剩余电流保护装置可以在不考虑是否出现漏电流的情况下安全地从外部强制触发，而不会对保护操作人员造成任何电击伤害。

为实现上述目的，本发明提出的剩余电流保护设备，包括：漏电检测器，用于检测供电线路上的漏电流；控制电路，用于在所述漏电检测器检测到漏电流时发出驱动信号；脱扣装置，响应于所述驱动信号执行脱扣动作；外部输入电路，用于响应于外部输入产生一触发信号，其中，所述控制电路响应于所述触发信号而发出所述驱动信号，而且所述外部输入电路的电源和从供电线路取电的电源之间电隔离，且所述外部输入电路与所述控制电路的信号之间也电隔离。通过这种电源和信号的双重隔离可以较为有效地防止供电线路上的大电流直接加到外部输入电路的触发按钮上，从而确保了操作人员的安全。

在优选的实施例中，所述电源之间的电隔离可以使用隔离变压器、隔离式AC-DC转换模块、隔离式DC-DC转换模块、或者隔离式AC-DC和DC-DC转换模块的组合实现。所述信号之间的电隔离可以使用隔离变压器、继电器、光耦、或磁耦实现。

在另一个优选的实施例中，所述外部输入电路的电源源自所述控制电路的电源且与之电隔离。这样，由于外部输入电路的电源可以从控制电路的低压电源获得，因而省去为外部电路单独设计滤波、分压、稳压电路，而只需要实现隔离式的DC-DC转换即可。因此，这一方式特别适合低成本要求的设备。

在又一个优选的实施例中，所述外部输入电路的电源仅在所述控制电路发出的一个使能信号有效时才提供电能。即，在使能信号信号无效时，外部输入电路的电源也无效，这可以进一步防止用户触电的发生。

此外，根据本发明又一个方面，本发明还提出了具有外部输入控制的剩余电流保护方法。该方法包括：检测供电线路上的漏电流；在检测到漏电流时发出驱动信号，以驱动一脱扣装置执行脱扣动作；响应于外部输入产生一触发信号；以及响应于所述触发信号而发出所述驱动信号，而不考虑是否检测到漏电流，其中，所述用于产生所述触发信号的电源与从供电线路取电的电源之间电隔离，且所述触发信号以电隔离方式传递给用于产生所述驱动信号的电路。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1示出现有的一种简单的具有外部触发功能的RCD的示意图；

图2示出现有技术中一种较为复杂的具有外部触发功能的RCD的示意图；

图3示例性地示出根据本发明一个实施例的具有外部触发功能的RCD的原理图；

图4示例性地示出根据本发明另一个实施例的具有外部触发功能的RCD的原理图；

图5示例性地示出根据本发明又一个实施例的具有外部触发功能的RCD的原理图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

图2示出了现有的一种具有外部触发功能的RCD示意图。如图2所示，该RCD 200包括漏电检测器210(例如，零序电流互感器ZCT(Zero order current transformer)、控制电路220(如微控制器MCU，或例如三菱出产的控制芯片等)，包括脱扣线圈231和可控硅235的脱扣装置230，以及外部输入电路240。

在图2中，漏电检测器210检测线路中火线L与零线N上是否存在漏电流。漏电检测器210将检测到的漏电流信号送入控制电路220(管脚1和2)进行判断。如果控制电路220经判断确认出现了漏电现象，则控制电路220的管脚7输出一个驱动信号给可控硅235。可控硅235响应于该驱动信号而导通，从而促使脱扣线圈231因突然获得一个大电流而执行脱扣动作。

在图2所示的RCD 200中，外部输入电路240向控制电路220提供一个外部触发信号Vt，以使得该控制电路在不考虑是否出现漏电现象的情况下从管脚7发出驱动脱扣线圈动作的驱动信号。具体而言，如图2所示，外部输入电路240的电源部分241由整流滤波后的线路电压V供电。电源部分241包括串联的MOS场效应管M1、稳压二极管D5以及大电阻R1(如1000KΩ)。当M1导通时，稳压二极管D5的阴极上(点A)可获得一个稳定的电压Va。电压Va用作电源加在外部输入电路240的输入部分243上。如图2所示，该输入部分243是包括两个电阻R2和R3以及一个外部触发按钮245的串联支路。电阻R3上的电压Vt由控制电路220的管脚6监测。当外部触发按钮245断开时，Vt为低。相反，当外部触发按钮245被按下时，输入部分243导通，R3上电压Vt为高。控制电路220一旦监测到Vt为高，则立即从管脚7发出驱动信号，从而促使可控硅导通、脱扣线圈脱扣。

在图2所示的外部输入电路240中，还优选地设计了外部输入使能电路。如图所示，控制电路220的管脚5连接到M1的栅极。这样，仅当控制电路220的管脚5输出有效的使能信号，即高电平时，M1才导通，外部输入电路240得电工作，否则外部输入无效。

由图2可见，外部输入电路240的电源部分直接从供电线路L上得电。在这种情况下，如果M1出现故障，如被击穿，则M1相当于被短路(如图2中的线L1所示)。这时，供电线路上的高压(大电流)将直接加在输入部分243上(如图1中线L2所示)，从而很容易使得触碰该触发按钮245的人员因电击而伤亡。

为了避免图2所示电路的危险，本发明提出了一种新型的具有外部触发功能的RCD。图3示例性地示出了根据本发明的RCD 300的原理图。图3所示的RCD 300除了外部输入电路340之外的其他电路与图2相同，因而简便起见相同的元件和电路不再赘述。但是，本领域技术人员应该理解，本发明提出的RCD的除外部输入电路340之外的其他部分也可以具有不同于图2所示的其他结构，例如脱扣装置130可以采用例如继电器或三极管来驱动脱扣线圈等其他机制。

与图2不同，图3中的外部输入电路340的电源部分341不再直接从供电线路上取电，而是以电隔离方式从RCD中的某个电源(例如从供电线路得电的电源)获得电力。同时，输入部分343也以信号隔离方式(344)连接到控制电路220。通过这种电源和信号的双重隔离，外部输入电路340可以与供电线路部分完全隔离。由此，即使图3所示的RCD中的元件因故障而短路，高电压也不会加在外部输入按钮245上，从而确保了操作人员的安全。

图3中所示的电源的隔离和信号的隔离可以采用多种方式来实现。比如，电源隔离可以采用隔离变压器来实现，也可以采用隔离式的AC-DC转换模块、DC-DC转换模块、或AC-DC和DC-DC转换模块的组合来实现。同样地，信号隔离也可以采用隔离变压器、继电器、光耦、或磁耦等装置来实现。图4和图5分别示出了两个具体的外部输入电路的例子。

图4示出了根据本发明一个实施例的具有外部触发功能的RCD 400的例子。在图4中，RCD 400的外部输入电路440包括电源部分441、输入部分443以及作为信号隔离装置的光耦444。其中，电源部分441为一个隔离变压器T1，其原级连接到整流后的供电线路电压，次级经进一步整流后为输入部分443提供稳定的低电压，例如5V。隔离变压器T1中的原级和次级之间电隔离，换言之，原级和次级之间是电绝缘的。由此，T1原级侧来自供电线路的电流不会流到外部输入电路部分。此外，在图4所示的外部输入电路中采用光耦444来实现输入部分443与控制电路220之间的信号隔离。如果触发按钮245闭合，则输入部分的支路导通，光耦444中的电光二极管得电发光，即将电信号转换为光信号。该光信号激发光耦中光敏三极管导通，从而将控制电路220的监测管脚6的电平从高拉到低。控制电路220监测到这个低有效的触发信号后，产生驱动信号，以使得脱扣装置执行脱扣动作。控制电路220与外部输入电路440之间通过光耦实现了电隔离。由此，即使RCD的其他部分因元件故障而出现大电流，这个大电流也不会经由信号通路流到按钮245处，从而避免操作人员受到电击。

图5示出了根据本发明另一个实施例的具有外部触发功能的RCD 500的例子。在图5中，外部输入电路540的电源部分541通过隔离式的DC-DC转换器从控制电路220的直流电源Vcc(5V)处获得电力。直流电源Vcc可以原有为控制电路供电的整流后的低压电源。这里，隔离式的DC-DC转换器例如可以是ADI公司提供的AduM600型转换器，或其他类似的隔离式DC-DC转换器。此外，图5中使用了继电器544作为输入部分543和控制电路220之间的信号隔离装置。如图5所示，如果触发按钮245闭合，则输入部分的支路导通，继电器544得电动作，使得开关K1导通。从而，控制电路220因其管脚6获得一个高电平而发出驱动信号来触发脱扣装置执行脱扣操作。

优选地，在图5所示的例子中，与图2类似地，控制电路220还可提供一个外部输入使能信号。该信号可如图2所示从控制电路220的管脚5发出。当使能信号有效时(如高电平)，外部输入电路的电源才给电。相反，若使能信号无效则即使用户按下外部触发按钮也无法触发RCD。

本领域技术人员可以理解的是，图4和图5中的电源隔离装置和信号隔离装置还可以具有多种其它的结构。例如，外部输入电路的电源部分还可以通过隔离式的AC-DC转换器来实现，或者通过先AC-DC再DC-DC转换的方式来实现。这一点对于本领域技术人员而言是显而易见的。同样的，信号隔离装置也可以采用例如磁耦等转换装置来实现电隔离。另外，虽然图4和图5示出的外部输入电路的输入部分基本相同，但是本领域技术人员可以理解的是，该输入部分也可以采用本领域所熟知的其他电路结构来实现，比如采用包括并联电阻的支路作为输入部分等等。

如上所述，采用如图3-5所述的RCD，由于采用了电源隔离和信号隔离的双重隔离方式将外部输入电路与RCD的其他电路隔离开来，因而即使RCD中出现元件故障，高压或大电流也不会加到外部触发按钮处，从而确保操作人员免受电击伤害。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种剩余电流保护设备(300)，包括：

漏电检测器(210)，用于检测供电线路上的漏电流；

控制电路(220)，用于在所述漏电检测器(210)检测到漏电流时发出驱动信号；

脱扣装置(230)，响应于所述驱动信号执行脱扣动作；

外部输入电路(340，440，540)，用于响应于外部输入产生一触发信号，

其中，所述控制电路(220)还进一步响应于所述触发信号而发出所述驱动信号，而且

所述外部输入电路(340，440，540)的电源和从供电线路取电的电源之间电隔离，且所述外部输入电路(340，440，540)与所述控制电路(220)的信号之间也电隔离。

2.如权利要求1所述的剩余电流保护设备，其中所述电源之间的电隔离使用隔离式AC-DC和DC-DC转换模块的组合、隔离变压器、隔离式AC-DC转换模块，或者隔离式DC-DC转换模块实现。

3.如权利要求2所述的剩余电流保护设备，其中，所述外部输入电路(540)的电源源自所述控制电路(220)的电源且与之电隔离。

4.如权利要求1-3中任意之一所述的剩余电流保护装置，其中所述信号之间的电隔离使用隔离变压器、继电器、光耦、或磁耦实现。

5.如权利要求4所述的剩余电流保护设备，其中，所述外部输入电路(440)还包括光耦，且所述触发信号经由光耦传送给所述控制电路(220)。

6.如权利要求5所述的剩余电流保护设备，其中，所述外部输入电路(540)的电源仅在所述控制电路发出的一个使能信号有效时才提供电能。

7.一种用于具有外部输入控制的剩余电流保护方法，包括：

检测供电线路上的漏电流；

在检测到漏电流时发出驱动信号，以驱动一脱扣装置执行脱扣动作；

该方法还包括：

响应于外部输入产生一触发信号；以及

响应于所述触发信号而发出所述驱动信号，

其中，所述用于产生所述触发信号的电源与从供电线路取电的电源之间电隔离，且所述触发信号以电隔离方式传递给用于产生所述驱动信号的电路。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述电源之间的隔离通过隔离变压器、隔离式的AC-DC转换模块、DC-DC转换模块、或者隔离式的AC-DC和DC-DC转换模块来实现。

9.如权利要求7中所述的方法，其中所述触发信号通过隔离变压器、继电器、光耦、或磁耦传递。