專利名稱：具有壽命終結(jié)指示功能的接地故障斷路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
具有壽命終結(jié)指示功能的接地故障斷路器狀艦本實(shí)用新型涉及故障斷路器，具體涉及一種具有壽命終結(jié)指示功能的 接地故障斷路器 肖賊*接地故障斷路器主要用來在設(shè)備發(fā)生相線對(duì)地或者中線對(duì)地發(fā)生高阻 或低阻短路，對(duì)設(shè)備或者人身產(chǎn)生危險(xiǎn)時(shí)，以切斷電源供電的方式進(jìn)行必 要保護(hù)的器件。由于接地故障斷路器具有高靈敏性和動(dòng)作的快速性，這是 其他類型保護(hù)電器，如熔斷器、自動(dòng)開關(guān)等無法比擬的。自動(dòng)開關(guān)或者熔 斷器正常運(yùn)行時(shí)通過復(fù)合電流，其動(dòng)作保護(hù)值要避越正常負(fù)荷電流來整定, 主要作用是切斷系統(tǒng)的相間短路故障或起過載保護(hù)作用。而漏電保護(hù)器是 利用系統(tǒng)的剩余電流反應(yīng)和動(dòng)作，故它的動(dòng)作整定值可以整定得很小(一般為小于5毫安)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生人身觸電或者設(shè)備外殼帶電等接地故障時(shí)， 出現(xiàn)較大的剩余電流，接地故障斷路器通過檢測(cè)和處理這個(gè)剩余電流后可 靠動(dòng)作，切斷電源。接地故障斷路器的基本結(jié)構(gòu)包括故障電流傳感部件(電流傳感線圈、 驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈)、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)比較電路、閾值開關(guān) 電路、動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及其他外圍電路和部件。其中信號(hào)傳感部件是由兩 個(gè)原副邊匝數(shù)比為l: 1000和l: 200的零序電流傳感器組成；信號(hào)調(diào)理電 路由電容組成信號(hào)提取電路；通用信號(hào)放大電路、信號(hào)比較電路則釆用專
用芯片，如國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM1851和仙童公司的RV4145A等實(shí)現(xiàn)；閾 值開關(guān)電路有硅控整流管(SCR)組成；動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)則由脫扣器及相關(guān) 的附件組成；其他的外圍電路和部件還包括動(dòng)靜出頭、檢測(cè)按鈕和復(fù)位按 鈕以及其他一些接線器等。在UL943 —2006未執(zhí)行之前，接地故障斷路器 主要的功能包括(1)當(dāng)相對(duì)地和中線對(duì)地發(fā)生故障，且故障電流大于5毫 安時(shí)，斷開電源；(2)在沒有故障電流或者故障電流未達(dá)到故障臨界值時(shí)， 通過復(fù)位按鈕可以使接地故障斷路器與電源接通(3)通過測(cè)試按鈕能夠 實(shí)現(xiàn)對(duì)接地故障斷路器的功能測(cè)試，通過按下測(cè)試按鈕，達(dá)到切斷電源的 功能；(4)當(dāng)負(fù)載端和電源端發(fā)生反接線故障時(shí)，能夠使接地故障斷路器 無法帶電，達(dá)到保護(hù)的功能。由于接地故障斷路器的動(dòng)作速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，目前在歐美已經(jīng)得到廣泛的使用。根據(jù)UL943—2006之前關(guān)于接地故障斷路器的標(biāo)準(zhǔn)，接地故障斷路器 不具備自動(dòng)壽命判斷功能，接地故障斷路器的是否存在故障或者是否達(dá)到 壽命終結(jié)依靠用戶定期手動(dòng)按壓測(cè)試按鈕實(shí)現(xiàn)，不具有自動(dòng)操作功能。同 時(shí)脫扣器處于常供電狀態(tài)，接地故障斷路器自身功耗大，影響脫扣器的壽 命。接地故障斷路器的工作狀態(tài)無法通過聲光信號(hào)獲知。 《艦型贈(zèng)本實(shí)用新型的主要目的是提供一種具有壽命終結(jié)指示功能的接地故障 斷路器，滿足UL943-2006中關(guān)于自動(dòng)壽命評(píng)估功能，并且能夠通過發(fā)光二 極管的閃爍頻率不同，指示接地故障斷路器的正常與異常工作狀態(tài)。本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案如下構(gòu)造一種具有壽命終結(jié)指示功能的 接地故障斷路器，包括由電源模塊供電的可編程集成模塊和動(dòng)作機(jī)構(gòu)、以及通過信號(hào)放大電路與可編程集成模塊連接的傳感器和信號(hào)調(diào)整電路、測(cè) 試按鈕、與可編程集成模塊連接的復(fù)位按鈕，還包括與可編程集成模塊連 接的壽命檢測(cè)指示模塊。所述壽命檢測(cè)指示模塊包括開關(guān)管K4和電阻R18，開關(guān)管K4的源極 與地之間串接電阻R18，開關(guān)管K4的漏極接傳感器和信號(hào)調(diào)整電路，開關(guān) 管K4的門極接可編程集成模塊的I/O 口 ，所述壽命檢測(cè)指示模塊還包括受 可編程集成模塊控制的發(fā)光二極管。所述開關(guān)管K4的源漏極耐壓大于60V、導(dǎo)通電阻小于O.l歐姆，電阻 R18的阻值保證當(dāng)開關(guān)管K4源漏極導(dǎo)通后中性線與地線之間的總阻值小 于1歐姆。所述傳感器和信號(hào)調(diào)整電路包括電流傳感線圈和驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈，所述 電流傳感線圈包括原副邊匝數(shù)之比為1:1000的零序電流傳感器和電容C3; 所述驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈包括原副邊匝數(shù)之比為1: 200的零序電流傳感器和電容 C2。所述零序電流傳感器具有環(huán)形微晶材料制備的鐵芯。 所述信號(hào)放大電路采用工業(yè)級(jí)運(yùn)算放大器，所述放大器集成四個(gè)運(yùn)算 放大器，采用單電源供電，4個(gè)運(yùn)算放大器中，兩個(gè)用于射極跟隨器，保 證傳感器與后級(jí)放大器之間的阻抗匹配，另外兩個(gè)運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)放大，設(shè)定這兩級(jí)的放大器的增益均為24dB,兩級(jí)放大總的增益為48dB。所述電源模塊由橋式整流硅堆、濾波電容、穩(wěn)壓管電路等元件組成。 所述動(dòng)作機(jī)構(gòu)包括受可編程集成模塊控制的開關(guān)管，與開關(guān)管連接的脫扣器以及動(dòng)靜觸頭。 本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)由于設(shè)有自動(dòng)壽命檢測(cè)模塊，發(fā)光二極管 可以不同的閃爍頻率指示接地故障斷路器的工作狀態(tài)；當(dāng)發(fā)生負(fù)載端和電 源端的反接線時(shí)，可編程集成模塊和開關(guān)管無法供電，脫扣器無法動(dòng)作， 無法通過復(fù)位按鈕接通電源。IM翻

圖1是本實(shí)用新型具有壽命指示功能的接地故障斷路器的方框圖； 圖2是本實(shí)用新型可編程集成模塊與壽命檢測(cè)指示模塊的電路圖； 圖3是本實(shí)用新型的電路原理圖，參照?qǐng)Dl、圖2、圖3，提供一種具有壽命終結(jié)指示功能的接地故障斷 路器，包括由電源模塊供電的可編程集成模塊和動(dòng)作機(jī)構(gòu)、以及通過信號(hào) 放大電路與可編程集成模塊連接的傳感器和信號(hào)調(diào)整電路、測(cè)試按鈕、與 可編程集成模塊連接的復(fù)位按鈕，還包括與可編程集成模塊連接的壽命檢 測(cè)指示模塊。電源模塊由橋式整流硅堆、濾波電容、穩(wěn)壓管電路等元件組成，是一 個(gè)成熟的電路模塊，為可編程集成模塊和運(yùn)算放大器提供+5伏電源。>(^用 該電路模塊在保證供電電源功率的前提下，模塊體積較小。傳感器和信號(hào)調(diào)理電路由兩個(gè)原副邊匝數(shù)之比分別為1: 1000和1: 200的零序電流傳感器以及由電容組成的信號(hào)。這兩個(gè)匝數(shù)比不同的線圈 分別稱為電流傳感線圈和驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈。采用零序電流傳感器，并且電流 傳感器采用環(huán)形微晶材料制備的鐵芯，可以減小角差對(duì)測(cè)量的影響。信號(hào)放大電路采用工業(yè)級(jí)運(yùn)算放大器，此放大器集成四個(gè)運(yùn)算放大器，
采用單電源供電，4個(gè)運(yùn)算放大器中， -個(gè)用于射極跟隨器，保證傳感器 與后級(jí)放大器之間的阻抗匹配，另外兩個(gè)運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)放大，設(shè)定這兩 級(jí)的放大器的增益均為24犯，兩級(jí)放大總的增益為48dB?？删幊碳赡K采用Microchip公司生產(chǎn)的8位可編程集成模塊。當(dāng) 接通故障斷路器的外部電源后，故障斷路器上的一個(gè)帶電信號(hào)標(biāo)志(發(fā)光 二極管)導(dǎo)通發(fā)光?？删幊碳赡K帶電后自檢。自檢過程中將壽命終結(jié) 用指示發(fā)光二極管的I/O 口以及用以監(jiān)測(cè)復(fù)位按鈕動(dòng)作的I/O 口均置為低電 平。如果復(fù)位按鈕在自檢完成后被按壓，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)復(fù)位鍵的I/O變成高 電平。可編程集成模塊將控制開關(guān)管門極電平的I/O 口置為高電平。開關(guān) 管導(dǎo)通，脫扣器回路閉合，脫扣器動(dòng)作帶動(dòng)動(dòng)觸頭，動(dòng)靜觸頭接通，負(fù)載 接通電源側(cè)。隨后可編程集成模塊開始周期性査詢來自電流傳感線圈并經(jīng) 信號(hào)放大模塊放大后的信號(hào)，査詢時(shí)間lms。査詢信號(hào)與程序設(shè)定值比較， 如果比設(shè)定值大，由可編程集成模塊控制開關(guān)的I/O 口給開關(guān)管門極發(fā)送 一個(gè)高電平，開關(guān)管導(dǎo)通，使脫扣器的第二線圈帶電，脫扣器動(dòng)作，使動(dòng) 靜觸頭斷開，電源與負(fù)載斷開。如果可編程集成模塊檢測(cè)到來自電流傳感 線圈的信號(hào)不超過設(shè)定值，可編程集成模塊執(zhí)行自動(dòng)壽命檢測(cè)功能(由壽 命檢測(cè)指示模塊詳細(xì)描述)?？删幊碳赡K完成自動(dòng)壽命檢測(cè)功能后，繼 續(xù)進(jìn)行電流傳感線圈的接地故障電流檢測(cè)。如果始終沒有檢測(cè)到接地故障 電流超過設(shè)定值，則可編程集成模塊重復(fù)執(zhí)行接地故障電流和自動(dòng)壽命檢 測(cè)動(dòng)作。壽命檢測(cè)指示模塊是根據(jù)UL中關(guān)于中性線接地故障檢測(cè)功能的要求， 在中性線與地線之間串接一個(gè)1歐姆的電阻，檢測(cè)在通過1歐姆電阻下的
中性線與地線的接地故障電流時(shí)是否發(fā)生動(dòng)作。有鑒于與此，通過在中性線與地線間串接一只開關(guān)管(此開關(guān)管的源漏極耐壓大于60V，導(dǎo)通電阻 小于O.l歐姆)，在源極與地之間串接一個(gè)電阻，這個(gè)電阻保證當(dāng)源漏極導(dǎo) 通后中性線與地線之間的總的串聯(lián)電阻小于1歐姆。通過可編程集成模塊 中的可編程控制模塊的一個(gè)1/0 口以每分鐘1次的頻率給開關(guān)管的門極置 高電平，導(dǎo)致開關(guān)管導(dǎo)通。通過驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈和電流傳感線圈之間的電路 和磁路的耦合，在電流傳感線圈的副邊感應(yīng)一個(gè)電流。此電流通過信號(hào)放 大模塊放大后輸入可編程集成模塊?？删幊碳赡K將此信號(hào)與模塊內(nèi)預(yù) 設(shè)的值進(jìn)行比較。如果二者相等，表明電源模塊到可編程集成模塊工作正 常。由可編程集成模塊的表示壽命終結(jié)的I/O為壽命終結(jié)指示發(fā)光二極管 置低電平。壽命終結(jié)指示發(fā)光二極管處于緩慢閃爍狀態(tài)(每IO秒閃爍1次)。 如果模塊給出獲得電流信號(hào)大于預(yù)設(shè)值，則由可編程集成模塊中的可編程 控制模塊表示壽命終結(jié)的I/O 口給出一個(gè)急速閃爍用的低電平。壽命終結(jié) 指示發(fā)光二極管急速閃爍(每1秒1次)。同時(shí)可編程控制模塊通過給控制 脫扣器的第二線圈的開關(guān)管的門極一個(gè)高電平，開關(guān)管導(dǎo)通，脫扣器動(dòng)作， 切斷電源與負(fù)載。如果由于開關(guān)管或者脫扣器發(fā)生故障，切斷電源的動(dòng)作 沒有得到執(zhí)行，由壽命終結(jié)發(fā)光二極管的急速閃爍可以給出指示，接地故 障斷路器達(dá)到壽命終結(jié)。在此模塊的開關(guān)管的源漏極上并聯(lián)一個(gè)瞬態(tài)抑制 管，瞬態(tài)抑制管的擊穿電壓60V。 一方面可以保證開關(guān)管在正常使用時(shí)不 會(huì)由于中性線與地線間異常高電位差導(dǎo)致?lián)舸?。另一方面，?dāng)發(fā)生相線和 中性線的錯(cuò)接線時(shí)，由于中性線與地線之間的開關(guān)管并聯(lián)的瞬態(tài)抑制管的 擊穿電壓(60V)遠(yuǎn)低于相線與中線之間的工作電壓，瞬態(tài)抑制管導(dǎo)通，保護(hù) 了開關(guān)管，同時(shí)在中線與地線間產(chǎn)生一個(gè)大的剩余電流。由傳感器和信號(hào) 調(diào)整電路獲得此大電流信號(hào)，經(jīng)可編程集成模塊和動(dòng)作機(jī)構(gòu)共同作用，斷 開負(fù)載和電源側(cè)的電氣連接。除非錯(cuò)接線的故障排除，復(fù)位按鈕的動(dòng)作不 能使脫扣器的第一線圈帶電，銜鐵不動(dòng)作，無法實(shí)現(xiàn)抱鎖裝置的抱鎖動(dòng)作 而實(shí)現(xiàn)電源側(cè)和負(fù)載側(cè)的電氣連接。動(dòng)作機(jī)構(gòu)包括開關(guān)管、脫扣器以及動(dòng)靜觸頭等。開關(guān)管受可編程集成 模塊的控制，當(dāng)接地故障電流超過預(yù)設(shè)值時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，脫扣器第二線 圈帶電后動(dòng)作，銜鐵帶動(dòng)抱鎖裝置，抱鎖裝置在彈簧力的作用下，帶動(dòng)動(dòng) 觸頭脫離靜觸頭，實(shí)現(xiàn)負(fù)載與電源電氣連接斷開。故障斷路器其他附件的功能，包括復(fù)位按鈕、測(cè)試按鈕等。復(fù)位按鈕按下后，給模塊四中監(jiān)測(cè)復(fù)位按鈕狀態(tài)的I/O —個(gè)髙電平，表明復(fù)位按鈕動(dòng)作過，可編程集成模塊檢測(cè)一切正常后，給動(dòng)作機(jī)構(gòu)中的開關(guān)管一個(gè)高 電平觸發(fā)，觸發(fā)脫扣器的第一線圈動(dòng)作，銜鐵在第一線圈電磁力的作用下， 擠壓抱鎖機(jī)構(gòu)，抱鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抱鎖，動(dòng)靜觸頭在彈簧力的作用下，實(shí)現(xiàn)負(fù) 載和電源的可靠電氣連接。測(cè)試按鈕接通相線與負(fù)載側(cè)的中性線，這個(gè)電路連接是通過串接一個(gè)22K的電阻實(shí)現(xiàn)。在傳感器和信號(hào)調(diào)整電路的電流 傳感線圈的原邊產(chǎn)生一個(gè)5毫安電流，通過信號(hào)放大模塊放大，經(jīng)可編程 集成模塊檢測(cè)比較，發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，開關(guān)管導(dǎo)通，脫扣器的第二線圈 帶電，在銜鐵的作用下，來開抱鎖裝置，動(dòng)靜觸頭在彈簧力的作用下，實(shí) 現(xiàn)觸頭分離，斷開電源和負(fù)載的電氣連接。
權(quán)利要求1、一種具有壽命終結(jié)指示功能的接地故障斷路器，包括由電源模塊供電的可編程集成模塊和動(dòng)作機(jī)構(gòu)、以及通過信號(hào)放大電路與可編程集成模塊連接的傳感器和信號(hào)調(diào)整電路、測(cè)試按鈕、與可編程集成模塊連接的復(fù)位按鈕，其特征在于，還包括與可編程集成模塊連接的壽命檢測(cè)指示模塊。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有壽命終結(jié)指示功能的接地故障斷路器， 其特征在于，所述壽命檢測(cè)指示模塊包括開關(guān)管K4和電阻R18，開關(guān)管 K4的源極與地之間串接電阻R18，開關(guān)管K4的漏極接傳感器和信號(hào)調(diào)整 電路，開關(guān)管K4的門極接可編程集成模塊的I/0口，所述壽命檢測(cè)指示模 塊還包括受可編程集成模塊控制的發(fā)光二極管。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有壽命終結(jié)指示功能的接地故障斷路器， 其特征在于，所述開關(guān)管K4的源漏極耐壓大于60V、導(dǎo)通電阻小于O.l歐 姆，電阻R18的阻值保證當(dāng)開關(guān)管K4源漏極導(dǎo)通后中性線與地線之間的 總阻值小于1歐姆。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有壽命終結(jié)指示功能的接地故障斷路器， 其特征在于，所述傳感器和信號(hào)調(diào)整電路包括電流傳感線圈和驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線 圈，所述電流傳感線圈包括原副邊匝數(shù)之比為1: 1000的零序電流傳感器 和電容C3;所述驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈包括原副邊匝數(shù)之比為1: 200的零序電流 傳感器和電容C2。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有壽命終結(jié)指示功能的接地故障斷路器， 其特征在于，所述零序電流傳感器具有環(huán)形微晶材料制備的鐵芯。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有壽命終結(jié)指示功能的接地故障斷路器， 其特征在于，所述信號(hào)放大電路采用工業(yè)級(jí)運(yùn)算放大器，所述放大器集成 四個(gè)運(yùn)算放大器，采用單電源供電，4個(gè)運(yùn)算放大器中，兩個(gè)用于射極跟 隨器，保證傳感器與后級(jí)放大器之間的阻抗匹配，另外兩個(gè)運(yùn)算放大器級(jí) 聯(lián)放大，設(shè)定這兩級(jí)的放大器的增益均為24dB，兩級(jí)放大總的增益為48dB。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有壽命終結(jié)指示功能的接地故障斷路器， 其特征在于，所述電源模塊由橋式整流硅堆、濾波電容、穩(wěn)壓管電路等元 件組成。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有壽命終結(jié)指示功能的接地故障斷路器， 其特征在于，所述動(dòng)作機(jī)構(gòu)包括受可編程集成模塊控制的開關(guān)管，與開關(guān) 管連接的脫扣器以及動(dòng)靜觸頭。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種具有壽命終結(jié)指示功能的接地故障斷路器。包括由電源模塊供電的可編程集成模塊和動(dòng)作機(jī)構(gòu)、以及通過信號(hào)放大電路與可編程集成模塊連接的傳感器和信號(hào)調(diào)整電路、測(cè)試按鈕、與可編程集成模塊連接的復(fù)位按鈕，還包括與可編程集成模塊連接的壽命檢測(cè)指示模塊。本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)由于設(shè)有自動(dòng)壽命檢測(cè)模塊，發(fā)光二極管可以不同的閃爍頻率指示接地故障斷路器的工作狀態(tài)；當(dāng)發(fā)生負(fù)載端和電源端的反接線時(shí)，可編程集成模塊和開關(guān)管無法供電，脫扣器無法動(dòng)作，無法通過復(fù)位按鈕接通電源。
文檔編號(hào)H02H3/16GK201054493SQ20072011943
公開日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2007年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月10日
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