CN105765813B - 触电保护三相漏电断路器 - Google Patents

触电保护三相漏电断路器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种触电保护三相漏电断路器，作为第一种情况，检测漏电流，如果该漏电流超过容许值，断路机构运作并切断电路，作为第二种情况，电源的每半个周期检测漏电流，在半个周期前和后检测到的两个漏电流的矢量相减(减法)，算出漏电流改变量，如果该漏电流改变量超过容许值，断路机构运作并切断电路。前者是对平常慢慢增加的漏电流给予保护，漏电流容许值为数百mA，后者是人体触电导致漏电流突然变化时，为了人体触电保护，漏电流容许值为数十mA。因此，本发明的漏电断路器在三相电路中进行人体触电保护，对于平常漏电流的变化，其运作中不会误操作。

Description

触电保护三相漏电断路器
技术领域
本发明涉及一种触电保护三相漏电断路器，尤其涉及一种不仅对三相电路中因大地静电容量或大地绝缘电阻的改变所致的平常发生的漏电给予保护，而且对人体触电时发生的漏电也能给予保护的三相漏电断路器。
背景技术
目前市售的三相漏电断路器的感度电流大部分是数百mA。例如，三相漏电断路器的感度电流为150mA时，如果三相零相变流器(ZCT)检测到的漏电流超过150mA，漏电断路器就会运作。例如，在三相电路中流动的漏电流通常是90mA，此时人体触电，30mA的触电电流突然流到大地，使得零相变流器(ZCT)检测到120mA的漏电流时，即使人体流过危险的触电电流，也因为零相变流器(ZCT)检测到的漏电流不及漏电断路器的感度电流150mA，导致漏电断路器不运作。即现在的大部分三相漏电断路器无法对人体触电给予保护。
发明内容
本发明的目的是提供一种三相漏电断路器，不仅对三相电路中因大地静电容量或大地绝缘电阻的改变所致的平常发生的漏电给予保护，而且对人体触电时发生的漏电也能给予保护。
为了达成上述目的，本发明提供一种方法，基于平常的漏电流是慢慢改变而人体触电时的漏电流是突然改变的这一点，可以根据零相变流器检测到的漏电流计算出突然改变的漏电流，即人体触电时的漏电流。
该方法以较短的时间间隔通过零相变流器连续检测漏电流，实时计算当前的漏电流和之前的漏电流之间的矢量差(相减)，从而计算出突然改变的漏电流，即人体触电时的漏电流。
本发明提供的三相漏电断路器中，零相变流器(ZCT)检测到的漏电流超过基准值，例如，超过150mA，或者突然改变的漏电流超过30mA时，会切断电路，因此，不仅在平常漏电时给予保护，人体触电时也能给予保护。
根据本发明的一个特征，本发明的三相漏电断路器包括：用于切断三相电源的接点；零相变流器；从该零相变流器检测漏电流的漏电流检测部；漏电流容许值设定部；比较该漏电流检测部检测到的漏电流检测值和该漏电流容许值设定部设定的漏电流容许值的第一比较器；在三相电源的每半个周期检测该漏电流，把半个周期前和后检测到的两个漏电流的矢量值相减，计算出半个周期内变化的漏电流改变量的漏电流改变量计算部；漏电流改变量容许值设定部；比较该漏电流改变量计算部算出的漏电流改变量计算值和该漏电流改变量容许值设定部设定的漏电流改变量容许值的第二比较器；该漏电流检测值超过该漏电流容许值或者该漏电流改变量计算值超过该漏电流改变量容许值时，操作该接点变成开路的断路机构。
根据本发明的另一个特征，该三相漏电断路器进一步包括检测基准电压的基准电压检测部，该漏电流改变量计算部包括：在该基准电压的每半个周期计算漏电流的平行分量和垂直分量的平行分量及垂直分量计算部；存储该平行分量和该垂直分量各自的半个周期前后的计算结果的半个周期前的计算结果存储部及半个周期后的计算结果存储部；计算该半个周期前的计算结果和该半个周期后的计算结果的差异的漏电流相减部，把该三相电源的半个周期前和后检测到的两个漏电流各自分解为对该基准电压的平行分量和垂直分量，从而计算出漏电流改变量。
根据本发明的另一个特征，该基准电压检测部从该三相电源选择任意的线间电压，在三相电源的每半个周期(T/2)内反复发生该半个周期的第一T/4的第一方波电压和该半个周期的第二T/4的第二方波电压，该平行分量及垂直分量计算部包括：通过该第一方波电压动作的第一开关；通过该第二方波电压动作的第二开关；该第一开关动作时，把漏电流的瞬时值在该第一T/4积分，从而算出第一积分值的第一积分仪；该第二开关动作时，在该第二T/4算出第二积分值的第二积分仪；把该第一积分值和该第二积分值相加算出平行分量的加法器；从该第一积分值减去该第二积分值算出垂直分量的减法器，从而计算该两个漏电流对基准电压的平行分量和垂直分量。
根据本发明的另一个特征，该漏电流容许值设定部的漏电流容许值是50mA至500mA，该漏电流改变量容许值设定部的漏电流改变量容许值是15mA至30mA。
发明效果
本发明的漏电断路器适用于三相电路时，可以有效预防三相电路中发生人体触电事故导致的负伤或死亡。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1表示三相电路中的平常的漏电流1g和人体触电时的漏电流1s的路径。
图2表示把时间t1对应的漏电流I(t1)和时间t2对应的漏电流I(t2)分成对基准电压V的平行分量和垂直分量。
图3表示漏电流的瞬时值i(t)和基准电压的瞬时值v(t)，漏电流的位相要比基准电压的位相靠前θ。
图4是本发明的实施例提供的触电保护三相漏电断路器的内部结构概略图。
图5表示基准电压检测部的输出和漏电流的平行分量及垂直分量计算部之间的联系关系。
图6是图4中的漏电流改变量(ΔI)计算部8的具体内部结构示意图。
主要组件符号说明
1 零相变流器(ZCT)
2 漏电流检测部
3 漏电流容许值设定部
4 第一比较器
5 断路机构
6 接点
7 基准电压检测部
8 漏电流改变量计算部
9 漏电流改变量容许值设定部
10 第二比较器
11 漏电流的平行分量及垂直分量计算部
12 半个周期前的计算结果存储部
13 半个周期后的计算结果存储部
14 漏电流相减部
具体实施方式
图1表示在三相电路中发生的漏电流的路径。平常在a相、b相、c相中，根据各相的大地静电容量和大地绝缘电阻，漏电流Ia、Ib、Ic流到大地。因此，流到大地的漏电流Ig(Ig＝Ia+Ib+Ic)是各相漏电流Ia、Ib、Ic的矢量相加的漏电流。三相零相变流器(ZCT)检测到的漏电流I就是漏电流Ig。即I＝Ig。
如图1所示，如果在a相突然发生人体触电，就会有触电电流Is从a相流到大地。因此，零相变流器(ZCT)检测到的漏电流I就是平常流过的漏电流Ig和突然发生的触电电流Is的矢量相加的漏电流。即I＝Ig+Is。
虽然电路中平常流过的漏电流取决于电路的大地静电容量和大地绝缘电阻，但是该漏电流受电路周围的温度、湿度、尘埃等的影像而改变，特别是绝缘材料的老化(AgingEffect)所致的绝缘电阻的劣化，使得漏电流慢慢增加。与此相反，发生人体触电事故时触电电流会突然增加。
本发明提供一种基于平常的漏电流是慢慢增加而触电所致的漏电流是突然增加的这一点来实时计算人体触电所致的漏电流的方法。根据现在的韩国产业规格(KS)，为了人体触电保护，断路时间要在30ms以内，因此，计算人体触电所致的漏电流的时间必须在10～20ms以内。
在本发明中，电源的每半个周期(如果是60Hz交流电源，约8.3ms)，零相变流器(ZCT)就会检测漏电流，从当前检测到的漏电流的矢量中减去(减法)半个周期前检测到的漏电流的矢量，可以计算出这半个周期内的漏电流改变量。图1中，触电事故之前的漏电流为I(t1)，触电事故之后的漏电流为I(t2)，I(t1)＝Ig，I(t2)＝Ig+Is，因此，可以通过公式Is＝I(t2)－I(t1)来算出触电所致的漏电流Is。
因此，需要在电源的每半个周期计算出漏电流改变量所对应的矢量的技术。
在本发明中，电源的半个周期(T/2)前后的漏电流的矢量相减(减法)后计算出这半个周期内的漏电流改变量。即时间t1对应的漏电流为I(t1)、时间t2(t2＝t1+T/2)对应的漏电流I(t2)时，漏电流I(t2)与漏电流I(t1)的矢量相减(减法)，就可以算出半个周期内的漏电流改变量ΔI。
如图2所示，三相电源的线间电压，例如，把a相和b相之间的线间电压V作为基准电压，先计算漏电流I(t1)和I(t2)对基准电压V的平行分量(x)和垂直分量(y)。
I(t1)＝I(t1)x+I(t1)y---(1)
I(t2)＝I(t2)x+I(t2)y---(2)
接下来，计算该两个漏电流的平行分量的差ΔIx和垂直分量的差ΔIy。
ΔIx＝I(t2)x－I(t1)x---(3)
ΔIy＝I(t2)y－I(t1)y---(4)
因此，两个漏电流之间的差ΔI可以通过下述公式来计算。
ΔI＝sqrt{ΔIx*ΔIx+ΔIy*ΔIy}---(5)
本发明中解决课题的核心手段是把漏电流I迅速分成对基准电压V的平行分量和垂直分量。在本发明中，把漏电流I在基准电压V的半个周期积分，从而算出平行分量(x)和垂直分量(y)。即利用积分算法。
第一，把漏电流I分成对基准电压V的平行分量Ix和垂直分量Iy的方法
图3表示漏电流I的瞬时值i(t)和基准电压V的瞬时值v(t)，i(t)的位相要比v(t)的位相靠前θ。
在这里，ω＝2πf，f是电源的频率。
利用公式(7)求解时，
在这里，
Ix＝I cosθ，Iy＝I sinθ---(9)
在公式(8)中，i(t)的0到π/2的积分所得值为A，π/2到π的积分所得值为B时，
计算这个就是
从公式(11)可以推出
因此，把漏电流I的瞬时值i(t)实时积分求出A和B时，在电源的每半个周期，可以通过公式(12)求出漏电流I的平行分量Ix和垂直分量Iy。
第二，漏电断路器的结构
图4表示本发明漏电断路器的结构。漏电断路器在两种情况下运作。
第一种情况，平常的漏电流I的值超过漏电流I容许值时漏电断路器运作，这是现在的漏电断路器所具有的功能。为了执行该功能，漏电断路器包括通常使用的零相变流器1、漏电流检测部2、漏电流I容许值设定部3、第一比较器4、断路机构5、接点6。第一比较器4比较漏电流检测部2检测到的漏电流I检测值和漏电流I容许值设定部3设定的漏电流容许值，例如150mA，检测到的漏电流I检测值超过设定的漏电流容许值时，断路机构5运作，操作该接点6使电路变成开路(off)。
第二种情况，人体触电时漏电流I瞬间改变。漏电流改变量ΔI的值超过漏电流改变量ΔI的容许值时，漏电断路器运作，这是本发明揭示的的功能。为了执行该功能，漏电断路器进一步包括基准电压检测部7、漏电流改变量ΔI计算部8、漏电流改变量ΔI容许值设定部9、第二比较器10。第二比较器10比较漏电流改变量ΔI计算部8算出的漏电流改变量ΔI的值和漏电流改变量ΔI容许值设定部9设定的容许值，例如30mA，算出的漏电流改变量ΔI的值超过设定的容许值时，断路机构5动作，操作该接点6使电路变成开路(off)。
如图5所示，基准电压检测部7从三相电源选择任意的线间电压，电源的每半个周期(T/2)内反复发生t＝0(θ＝0)到t＝T/4(θ＝π/2)的方波电压a和t＝T/4(θ＝π/2)到t＝T/2(θ＝π)的方波电压b。
漏电流改变量ΔI计算部8计算电源的半个周期内的漏电流I的改变量，如图6所示，由漏电流的平行分量(x)及垂直分量(y)计算部11、半个周期前的计算结果存储部12、半个周期后的计算结果存储部13、漏电流相减部14构成。
如图5所示，漏电流的平行分量(x)及垂直分量(y)计算部11由通过方波电压a动作的开关Sa、通过方波电压b动作的开关Sb、积分仪A、积分仪B、加法器及减法器构成。开关Sa动作(on)时，参照公式(10)，积分仪A算出i(t)的t＝0(θ＝0)到t＝T/4(θ＝π/2)的积分所得值A，开关Sb动作(on)时，参照公式(10)，积分仪B算出i(t)的t＝T/4(θ＝π/2)到t＝T/2(θ＝π)的积分所得值B。参照公式(12)，通过加法器将A和B相加得出漏电流的平行分量Ix，通过减法器将A和B相减得出漏电流的垂直分量Iy。
半个周期前的计算结果存储部12存储当前时间(t2)的半个周期前(t1)的计算结果，半个周期后的计算结果存储部13存储当前时间(t2)的计算结果。即半个周期前的计算结果存储部12存储漏电流I(t1)的平行分量I(t1)x和垂直分量I(t1)y，半个周期后的计算结果存储部13存储漏电流I(t2)的平行分量I(t2)x和垂直分量I(t2)y。
漏电流相减部14利用公式(3)、(4)、(5)从存储在半个周期后的计算结果存储部13的当前时间(t2)的漏电流I(t2)的平行分量I(t2)x和垂直分量I(t2)y中减去存储在半个周期前的计算结果存储部12的电源的半个周期前(t1)的漏电流I(t1)的平行分量I(t1)x和垂直分量I(t1)y，计算半个周期(t2－t1)内的漏电流改变量ΔI。该漏电流改变量ΔI就是突然改变的漏电流，发生普通触电所致的漏电流Is时，出现漏电流改变量ΔI。
到目前为止，三相电路中发生人体触电事故时几乎没有保护，但是本发明的漏电断路器适用于三相电路时，可以有效预防三相电路中发生人体触电事故导致的负伤或死亡。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同改变的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同改变与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种三相漏电断路器，其包括：
一接点，用于切断三相电源；
一三相零相变流器；
一漏电流检测部，从该三相零相变流器检测漏电流；
一漏电流容许值设定部；
一基准电压检测部，从该三相电源选择任意的线间电压作为基准电压；
一第一比较器，比较该漏电流检测部检测到的漏电流检测值和该漏电流容许值设定部设定的漏电流容许值；
一漏电流改变量计算部，在该基准电压的每半个周期检测该漏电流，把半个周期前和后检测到的两个漏电流的矢量值相减，计算出半个周期内变化的漏电流改变量；
一第二比较器，比较该漏电流改变量计算部算出的漏电流改变量计算值和一漏电流改变量容许值设定部设定的漏电流改变量容许值；以及
一断路机构，该漏电流检测值超过该漏电流容许值或者该漏电流改变量计算值超过该漏电流改变量容许值时，操作该接点变成开路；
该漏电流改变量计算部包括：一平行分量及垂直分量计算部，在该基准电压的每半个周期计算漏电流的平行分量和垂直分量；一半个周期前的计算结果存储部及一半个周期后的计算结果存储部，存储该平行分量和该垂直分量各自的半个周期前后的计算结果；一漏电流相减部，计算该半个周期前的计算结果和该半个周期后的计算结果的差异，把该基准电压的半个周期前和后检测到的两个漏电流各自分解为对该基准电压的平行分量和垂直分量，从而计算出漏电流改变量；
其中，该基准电压检测部在该基准电压的每半个周期(T/2)内反复发生该半个周期的第一T/4的第一方波电压和该半个周期的第二T/4的第二方波电压。
2.如权利要求1所述的三相漏电断路器，其特征在于，该平行分量及垂直分量计算部包括：一第一开关，通过该第一方波电压动作；一第二开关，通过该第二方波电压动作；一第一积分仪，该第一开关动作时，把漏电流的瞬时值在该第一T/4积分，算出第一积分值；一第二积分仪，该第二开关动作时，在该第二T/4算出第二积分值；一加法器，把该第一积分值和该第二积分值相加算出平行分量；一减法器，从该第一积分值减去该第二积分值算出垂直分量，从而计算该两个漏电流对基准电压的平行分量和垂直分量。
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