CN2043021U - 矢量差型触电保护器 - Google Patents

Abstract

本实用新型矢量差型触电保护器。适用于低压配电网中发生人、畜触电以及线路设备漏电时进行保护。主要由交流接触器，零序电流互感器、触电保护器控制电子元件，以及一整套控制线路、外壳、面板组成。该触电保护器解决了低压电网中的漏电保护和矢量差触电保护问题。它具有触电灵敏度高，并且与线路的漏电大小无关，确保人、畜和设备安全，具有自动重合闸功能，提高了投运率，减少了维护电工的工作量。

Description

本发明矢量差型触电保护器，适用于低压配电网中发生人、畜触电以及线路设备漏电时进行保护。属漏电电流动作保护器。

目前国内外普遍采用的漏电保护器以漏电电流（通过漏电保护器主回路电流的矢量和）的大小作为动作依据，在低压配电网中发生触电时，漏电电流实际上有两部分组成（见附图3）其中之一为三相不平衡漏电流（I^’ _△），其二为人体触电电流（I_CD），当合成电流（I_△）大于漏电保护器的额定漏电动作电流（I_△n）时，保护器动作，切断电源。理论和实践证明，由于I^’ _△的存在。在人、畜触电时，漏电动作电流（I_△n）和使保护器动作而通过人体的触电动作电流（I_CDQ）是不相对应的，其关系式表达如下：

$I_{\mathrm{CDQ}}=\sqrt{I_{\mathrm{\Δn}}^2-{\left(I_{\mathrm{\Δ}}^{\′}\sin \mathrm{\α}\right)}^2-I_{\mathrm{\Δ}}^{\′}\cos \mathrm{\α}}$

由上式不相对应的关系可知，触电电流I_CD必须大于I_CDQ，漏电保护器才动作。而在较多场合，尽管通过人体触电电流（I_CD）大于I_△n，但小于I_CDQ保护器不会动作，即存在不灵敏动作死区或不灵敏动作相。特别在低压触电网中，由于I_△偏大，这时为了提高投运率保证供电。I_△n必须大于I^’ _△，这样人身触电动作电流必然增大，不灵敏动作死区范围也扩大，触电保护的成功率将下降，保护器的投运率和触电保护的成功率是漏电保护器不易克服的一个矛盾。

本发明的目的是提供一种新颖的矢量差型触电保护器，解决了低压电网中的漏电保护和矢量差触电保护问题，它具有触电灵敏度高，并且和线路的漏电大小无关，确保人、畜和设备安全，具有自动重合闸功能，提高了投运率，减少了维护电工的工作量。

矢量差型触电保护器主要结构由交流接触器CJ。另序电流互感器CT，矢量差型触电保护器电子元件线路部分及安装元件的外壳、面板等，属组合式保护器。触电保护器面板上装有漏电动作指示发光二极管F₁、工作指示灯F₂，电源开关K，试验按钮T，触电保护器外壳下端具有电源进线端3、4，输出控制端1、2，外壳上端具有触电信号输入端1’、2’试验信号的输入端4’、5’。交流接触器连接在电源电路中，它受触电保护器控制，以对被保护的主回路进行控制，另序电流互感器CT穿入被保护线路中，被保护线路中的漏电电流和触电电流经它在次级反映出来（USr）。触电保护器外壳内装有矢量差型触电保护器电子元件组装成的线路板，触电保护器控制线路主要由电源部分、信号干扰及放大电路、漏电保护的测量与比较电路、矢量差触电保护测量与比较电路、输出控制及自动重合闸部分、一次送电控制电路、触电试验部分构成。

电源部分有：辅助电源的降压变压器B，初级接至主回路的电源侧，次级连接有电源开关K，桥式整流器D₁～D₄，三端式集成稳压块SW，滤波电容C₁、C₂、C₃、C₄、C₅，分压电阻R₁、R₂，由电阻R₃、R₄运算放大器S₁组成采用运算放大器的1／2电压分压器。

信号抗干扰及放大电路有：滤除高频干扰的电阻R₅，电容C₆由电阻R₆、R₇、R₈、R₉，电容C₇、C₈、C₉、C₁₀，运算放大器S₂构成的滤除高次谐波的有源滤波器，电阻R₁₅R₁₆R₁₇，运算放大器S₃构成的放大信号的线性放大器。

漏电保护测量与比较电路有：半波整流二极管D₅、由电容C₁₅C₁₆与电阻R₁₈、R₁₉构成的л型滤波电路，由电阻R₂₅可调电阻W₁构成比较电压的分压调节器，漏电测量、比较运算放大器S₄，漏电动作指示灯F₁，W₁用来整定额定漏电动作电流值。

矢量差触电保护测量比较电路为：由电阻R₁₀、R₁₁、R₁₂R₁₃，电容C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄和运算放大器S₅构成选取触电信号的有源滤波器，由电阻R₁₄、R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄，整流二极管D₆、D₇电容C₁₇、运算放大器，S₆、S₇构成的将触电信号变为脉冲信号的全波整流电路，由电容C₁₈、电阻R₂₆、R₂₇构成脉冲耦合电路，由电阻R₂₈、可调电阻W₂构成的比较电压调节器，触电电流的测量、比较放大器S₈组成。比较电压调节器用于整定触电动作值。

输出控制及自动重合闸部分，二极管D₈、电阻R₂₉为漏电控制输入端，二极管D₉、电阻R₃₂、R₃₆为触电控制输入端，由电阻R₃₄、R₃₅，电容C₂₀，二极管D₁₀构成重合闸时间控制电路，控制三极管BG₁、BG₂，控制三极管集电极电阻R₃₇输出控制继电器线圈J₁，其接点控制交流接触器CJ，工作指示灯F₂。

一次送电控制电路：由电阻R₃₀，电容C₁₉、电阻R₃₁构成时间控制电路和短路三极管BG₃，二极管D₁₁构成该电路。防止合上电源开关K送电时出现的立即跳闸现象。

触电试验部分由试验按钮T、试验电阻R₃₉构成。

矢量差型触电保护器包括漏电保护和矢量差触电保护两部分。人体触电是突然发生的，触电电流即为触电前后漏电流的矢量差I_△－I^’ _△＝I_CD（附图3），现选用专门的矢量差测试电路，直接测得触电电流（I_CD），因为是突变量，所以测得的是个变化量（具有脉冲性质），它与触电前漏电流的大小和相角无关，当变化量（I_CD）大于额定触电动作电流（△I_n）时，触保器动作切断电源，从而保护人身安全。因所测变化量即反映I_CD。与I^’ _△无关，所以三相触电灵敏度一致，不存在不灵敏动作死区或不灵敏相，对于线路绝缘或其它原因引起的稳定或缓慢变化的漏电流仍用漏电保护办法进行保护，但这时主要考虑保护设备安全，所以额定漏电动作值（I_△n）可增大，从而确保了投运率。为了减少维护电工的工作量和提高投运率，触电保护还设置了自动重合闸功能，当人身触电，保护器动作切断电源后，考虑触电者有可能立即主动或被动脱离电源，所以经30秒左右自动合闸，恢复正常供电。若30秒内触电者未脱离电源，则自动重合后漏电保护随即动作，永久切断电源以保证触电者安全。待电工恢复供电。总之，利用矢量差触电保护提高灵敏度（△I_n），确保人身安全，利用降低漏电保护的灵敏度（如I_△n＞100毫安），以确保正常供电，提高了提运率。在一定场合，采用矢量差型触保器一级保护可达到漏电保护器二级保护的作用，从而取得经济效益。

以下将结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1是矢量差型触电保护器电气原理图。

图2是矢量差型触电保护器安装接线图。

图3是漏电和触电电流的矢量图。

参照图1、图2矢量差型触电保护器主要结构由触电保护器外壳面板，交流接触器CJ，另序电流互感器CT，以及矢量差型触电保护器电子元件线路部分构成。图中CJ为普通交流接触器，它受触电保护器控制，以对被保护的主回路进行控制，CT为穿入被保护线路的漏电电流和触电电流经它在次级反映出来，（USr）；其余电路为矢量差型触保器的全部电路。B为辅助电源的降压变压器，初级接至主回路的电源侧，合上电源开关K，接通次级低压电源，触保器即投入运行，经K和桥式整流电路（D₁～D₄）得到辅助直流电压，C₁、C₄为滤波电容，经三端式集成稳压块SW，输出得到稳定的直流电源，供给运算放大器S₁和其它电路使用，C₃为滤波电容，经过稳压可使主回路电压在＋10％～－15％范围内变化时，确保触保器的测量电路和其它控制电路能精确地工作，因运算放大器需要双电源才能工作，所以利用R₁，R₂把直流电压分成上下各半。经过R₃、R₄和S₁，使S₁输出端的电位始终与R₁，R₂连接点的电位一致，从而把单电源变为±相等的双电源，供所有运算放大器正常工作，C₄，C₅为双电源进一步滤波，以上为辅助电源部分。合上电源开关K正常投运时，晶体三极管BG₁处于截止状态，BG₂经R₃₇得到基流饱和导通，继电器J吸动，发光二极管F₂亮（工作指示），继电器J的常开接点闭合，控制交流接触器吸合，接通主回路供电。

测量、比较电路和保护动作过程：CJ工作投入工作后，CT的输出USr反映被保护线路的漏电流（I_△），USr经R₅、C₆滤除高频干扰后送至由R₆、R₇、R₈、R₉、C₇、C₈、C₉、C₁₀和运算放大器S₂组成的有源滤波器，它的作用是滤除高次谐波，这样可达到提高测量精度和抗干扰性能的目的，R₁₅、R₁₆、R₁₇和S₃组成反相放大器，放大倍数由 (R)/(R)¹⁶ ₁₅确定，它的作用是放大漏电信号，它的输出大小和动态范围要确保与漏电电流有线性关系，在允许出现的最大漏电流时放大器不出现饱和或截止。经S₃放大的信号分两路输出；一路为漏电保护，另一路为矢量差触电保护，漏电保护由半导体二极管D₅将漏电流信号进行半波整流，经R₁₈、R₁₉，C₁₅、C₁₆获得较平滑的直流，通过R₂₀接至由S₄组成的自锁式比较电路，S₄“－”端接至W₁，通过W₁调整漏电保护的额定漏电动作值（I_△n），正常运行时，S₄“－”端电位高于漏电流信号输入端“＋”端的电位，所以S₄输出低电位。当被保护电路中漏电流由于某种原因缓慢增加并达到或大于I_△n时，经D₅送入S₄“＋”端电压将高于“－”端比较电压值，S₄输出由低电位变为高电位，同时经F₁发光二极管反馈，不再受D₅输出的影响，始终保持S₄输出高电位，达到自锁，同时F₁发亮，表示触保器漏电保护动作，S₄输出的高电位D₈、R₂₉为BG₁提供其BG₁饱和导通，使BG₂截止，工作指示灯F₂灭，J释放，交流接触器CJ随之释放，切断主回路供电，达到漏电保护目的，此后为了恢复供电必须由维护电工先将触保器电源开关K打开，在排除线路故障后重新合上K，如故障消除则F₂发亮，J动作，CJ吸合恢复供电，以上为漏电保护的测量电路和工作过程。

矢量差触电保护电路和工作过程，USr经S₂、S₃放大后，另一路送入由R₁₀、R₁₁、R₁₂、R₁₃、C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄和S₅组成的有源滤波器，正常运行时，对于稳定和缓慢变化的漏电流，尽管S₃有输入信号，经有源滤波器S₅的输出则几乎为另。当被保护线路发生触电时，触电电流I_CD为突变量，USr随即反映，经放大后由S₅组成的有源滤波器即有与I_CD对应的工频分量输出，此输出经由S₆、S₇及有关电路（R₁₄、R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄、D₆、D₇、D₁₇）组成的全波整流电路得到一个负脉冲，此脉冲持续时间在30毫秒左右，最大幅值与触电电流大小相对应。负脉冲经C₁₈、R₂₇至比较器S₈的“－”端，S₈“＋”端输入为比较电压，调整W₂即可改变额定触电动作电流（△I_n）当触电电流引起的负脉冲的绝对值大于S₈“＋”端比较电压的绝对值时，比较器S₈的输出由低电位变成高电位（即送出一正脉冲），正脉冲经D₉、R₃₂、R₃₆给BG₁提供基流，BG₁导通，BG₂截止，F₂灭，J释放，CJ失电，切断主回路电源，保护触电者。此时，正脉冲使BG₁导通的时间虽短但当BG₁导通BG₂截止后，直流稳压电源将经R₃₄、R₃₅、C₂₀、R₃₆、BG₁的be结对C₂₀充电，充电电流即可维持BG₁继续导通，BG₂截止。被保护线路保持停电，这时触电者可主动或被动的脱离电源，经30秒钟左右，C₂₀充电电流逐渐减小BG₁截止，BG₂导通，F₂发亮，J吸合，自动重合，CJ合闸恢复送电。这就是触电保护和自动重合闸的工作过程。

短路三极管BG₃的作用是保证合上电源开关K时，被保护线路立即得到供电，其过程如下，当合上K、J、CJ吸合供电时。因被保护线路总有些漏电流，CJ吸合供电产生漏电流时，USr反映为从无到有的突变量，所以刚送电时S₅有工频分量输出，经全波整流S₈即可能有正脉冲送出，但此时正脉冲不会对BG₁发生作用，因为这时K刚合上，直流电源将经R₃₀、C₁₉、BG₃的be结对C₁₉充电，充电电流使BG₃饱和导通，BG₃的Ce结之间相当于短路，把刚送电时由漏电流引起的正脉冲短路了，不会引起BG₁导通，BG₂截止，也就保证了线路漏电流在允许范围时，合上K就能一次供电成功。

参照图2矢量差触电保护器的使用安装接线图。本保护器使用在变压器中性点接地***，被保护线路的中性线不允许重复接地。

矢量差型触电保护器外壳下端电源进线端3、4接入电源B、C相，进线端1、2接在交流接触器CJ线圈用以交流接触器开、合，外壳上端接线端1’、2’接在与另序互感器CT次级的输出端，接线端4’、5’为试验信号输入端与CT输入端相连，另序电流互感器穿入被保护线路中，被保护线路中的漏电电流和触电电流经它在次级反映出来（USr）。触电保护器面板上装有发光二极管F₁，工作指示灯F₂，电源开关K，试验按钮T。触电保护器安装接线完毕后，合上电源开关K，F₂（红）灯亮，CJ吸合供电。运行中当线路漏电流I_△超过额保器额定漏电动作电流（I_△n）时，触保器的F₂（红）灯灭，F₁（绿）灯立即亮，CJ释放切断供电，维护电工根据触保器上述反映可确定被保护线路有故障，随即打开K，处理线路故障处理完毕合上K，即可恢复正常运行、供电。当发生触电或按下试验按钮（T）时，F₂灭，CJ释放；立即停止供电，经30秒左右自动重合，F₂亮，恢复供电；若在重合期间触电者未脱离或故障未消失，则重合后由漏电保护作用将迅速再次切断电源，F₂（红）灯灭，F₁（绿）灯亮，此时与漏电动作保护一样，需由维护电工处理后才能恢复供电。

矢量差型触电保护器与现有的保护器相比具有以下特点：

1、触电保护采用矢量差原理触电动作灵敏度高（△I_n取30毫安），任何一相触电电流超过30毫安，触保器即能在0.1秒内（包括CJ释放时间）切断被保护线路电源，具有自动重合闸性能，可减少维护电工的工作量和提高投运率。

2、额定漏电动作电流取得较大（I_△n＝200毫安），可使触保器在配电线路绝缘电阻低漏电流较大的情况下确保正常供电。提高了供电率，这样与高灵敏度的触电保护配合，在主干线或变压器总出线上装一台矢量差触电保护器，可达到目前漏电保护器安装两级保护的效果。

3、正常运行时取J继电器为吸合状态，而不是释放状态。这样当触保器辅助电源或其它电路故障时，J立即释放切断被保护线路供电，告知维护电工及时修复触电保护器，因而提高了保护器的可信度若J采用平时释放状态，则凡一辅助电源或其它故障时，虽不影响供电，但当被保护线路发生触电或漏电流超过动作值时，J不可能吸动从而无法切断电源，保护人身和设备安全，失去了保护器的作用。

Claims (2)

1、一种具有交流接触器CJ、另序电流互感器CT₁触电保护器控制电子元件、线路部分，安装元件的外壳、面板构成的矢量差型触电保护器，其特征是：

矢量差型触电保护器面板上装有漏电动作指示发光二极管F₁、工作指示灯F₂，电源开关K、试验按钮T，触电保护器外壳下端具有电源进线端3、4、输出控制端1、2，外壳上端具有触电信号输入端1′、2′，试验信号的输入端4′、5′；

矢量差型触电保护器控制线路主要由电源部分，信号抗干扰及放大电路、漏电保护的测量与比较电器、矢量差触电保护测量与比较电路、输出控制及自动重合闸部分，一次送电控制电路、触电试验部分构成；

A、电源部分有辅助电源的降压变压器B，初级接至主回路的电源侧，次级连接有电源开关K，桥式整流器D₁～D₄，三端式集成稳压块SW，滤波电容C₁、C₂、C₃、C₄、C₅，分压电阻R₁、R₂，由电阻R₃、R₄运算放大器S₁组成，采用运算放大器的1/2电压分压器；

B、信号抗干扰及放大器有：滤除高频干扰的电阻R₅、电容C₆由电阻R₆、R₇、R₈、R₉电容C₇、C₈、C₉、C₁₀运算放大器S₂构成的滤除高次谐波的有源滤波器，电阻R₁₅、R₁₆、R₁₇，运算放大器S₃构成的放大信号的线性放大器；

C、漏电保护测量与比较电路有：半波整流二极管D₅，由电容C₁₅、C₁₆与电阻R₁₈、R₁₉构成的

型滤波电器；由电阻R₂₅、可调电阻W₁构成比较电压的分压调节器；漏电测量、比较运算放大电路S₄、漏电动作指示灯F₁；

D、矢量差触电保护测量比较电路为：由电阻R₁₀、R₁₁、R₁₂、R₁₃、电容C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄与运算放大器S₅构成选取触电信号的有源滤波器，由电阻R₁₄、R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄整流二极管D₆、D₇电容C₁₇运算放大器S₆、S₇构成的将触电信号变为脉冲信号的全波整流电路，由电容C₁₈电阻R₂₆、R₂₇构成脉冲耦合电路，由电阻R₂₈可调电阻W₂构成的比较电压调节器，触电电流的测量比较放大器S₈组成；

E、输出控制及自动重合闸部分：二极管D₈、电阻R₂₉为漏电控制输入端、二极管D₉、电阻R₃₂、R₃₆为触电控制输入端由电阻R₃₄、R₃₅、电容C₂₀、二极管D₁₀构成重合闸时间控制电路。控制三极管BG₁、BG₂，控制三极管集电极电阻R₃₇输出控制继电器线圈J₁，其接点控制交流接触器CJ₂工作指示灯F₂；

F、一次送电控制电路由电阻R₃₀、电容C₁₉、电阻R₃₁构成时间控制电路，短路三极管BG₃，二极管D₁₁构成。

G、触电试验部分由试验按钮T，试验电阻R₃₉构成。

2、根据权利要求1所述的矢量差型触电保护器，其特征是交流接触器连接在电源电路中，另序电流互感器CT穿入被保护线路中。

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