一种漏电保护装置及系统

技术领域

本申请涉及漏电保护技术领域，具体而言，涉及一种漏电保护装置及系统。

背景技术

在低压电网中，电气设备或者电路会由于绝缘受损等原因产生漏电流，漏电可能会导致人体触电等现象，对人身安全造成一定的危险。因此，通常需要在电路上设置漏电保护装置，通过检测、处理异常电流或电压信号，促使执行机构切断线路，以减少人体触电和电气设备的漏电事故。

现有技术中，可通过漏电检测单元和漏电脱扣器实现漏电保护功能，当漏电检测单元检测到异常信号后，漏电脱扣器断开主电路的主触头，但是，该现有技术对应的漏电保护动作的电流一般为30～100mA，保护动作时间为ms级，安全性较差，人体触电后会产生痛感，用户的体验感较差。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种漏电保护装置及系统，以解决现有技术中实现漏电保护功能的漏电保护装置的安全性较差、用户体验感较差的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供一种漏电保护装置，所述漏电保护装置包括：漏电检测单元、控制电路、功率开关；

所述功率开关用于串联连接预设交流电源的火线上；所述控制电路的电源端连接所述预设交流电源的火线和零线；

所述漏电检测单元设置在所述预设交流电源和用电负载之间；所述控制电路的输入端连接所述漏电检测单元；所述控制电路的输出端连接所述功率开关的控制端。

可选地，所述漏电检测单元为零序电流互感器；

所述零序电流互感器的铁磁件套设在所述预设交流电源和用电负载之间的供电连接线上，所述零序电流互感器的线圈连接所述控制电路的输入端。

可选地，所述控制电路包括：模数转换模块、数字锁存模块、逻辑转换模块、驱动模块、控制模块；

所述模数转换模块的模拟端为所述控制电路的输入端；

所述模数转换模块的数字端连接所述数字锁存模块的输入端，所述数字锁存模块的输出端连接所述逻辑转换模块的第一输入端，所述逻辑转换模块的第二输入端连接所述控制模块，所述逻辑转换模块的输出端通过所述驱动模块连接所述功率开关的控制端。

可选地，所述模数转换模块包括：运算放大器、比较器；

所述运算放大器的输入端为所述模数转换模块的模拟端；

所述运算放大器的输出端连接所述比较器的输入端，所述比较器的输出端为所述模数转换模块的数字端。

可选地，所述逻辑转换模块包括：或逻辑门、与逻辑门；

所述或逻辑门的输入端为所述逻辑转换模块的第一输入端，所述或逻辑门的输出端连接所述与逻辑门的第一输入端，所述与逻辑门的第二输入端为所述逻辑转换模块的第二输入端，所述与逻辑门的输出端为所述逻辑转换模块的输出端。

可选地，所述功率开关为至少一组功率开关单元，每组功率开关单元包括源极串联连接的两个功率开关单元。

可选地，所述功率开关为一组功率开关单元时，所述控制电路的第一输出端和第三输出端分别连接所述一组功率开关单元中每个功率开关单元的栅极，所述控制电路的第二输出端连接所述一组功率开关单元中两个功率开关单元的源极连接点。

可选地，所述数字锁存模块为触发器。

可选地，所述驱动模块为光耦隔离驱动。

第二方面，本申请实施例提供一种漏电保护系统，包括：用电负载以及上述第一方面的漏电保护装置；

所述用电负载用于连接预设交流电源的火线和零线，所述漏电保护装置用于连接在所述火线上，并通过所述预设交流电源的火线和零线进行供电。

相对现有技术而言，本申请具有以下有益效果：

本申请提供的一种漏电保护装置及系统，该漏电保护装置包括：漏电检测单元、控制电路、功率开关，功率开关用于串联连接预设交流电源的火线上，控制电路的电源端连接预设交流电源的火线和零线，漏电检测单元设置在预设交流电源和用电负载之间，控制电路的输入端连接漏电检测单元，控制电路的输出端连接功率开关的控制端，以在漏电检测单元检测到漏电流达到预设电流时及时控制功率开关断开，以实现漏电保护，其中，漏电检测单元的工作频率可为1MHz以上，即MHz级及以上，使得电流的采样较快，并且，功率开关为半导体，具有us级时间特性，使得该漏电保护装置具有us级信号处理时间特性，对于漏电流信号的处理较快，因此，漏电保护动作的执行时间较短，使得该漏电保护装置的漏电保护时间较短，在本申请中，从漏电流达到预设电流时到功率开关断开，整个时间可以控制在us级，基于以上特征，可实现人体触电无感功能，以及降低人体触电的安全风险，提升人体安全性，其中，较短的漏电保护时间使得人体触电后的单向单脉冲触电电流的能量较低，以实现人体触电无感，提高用户的体验感。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种漏电保护装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的另一种漏电保护装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种控制电路的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种模数转换模块的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种逻辑转换模块的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种漏电保护装置的结构示意图。

图标：漏电检测单元10；控制电路20；功率开关30；用电负载40；模数转换模块21；数字锁存模块22；逻辑转换模块23；驱动模块24；控制模块25；运算放大器211；比较器212；或逻辑门231；与逻辑门232；功率开关单元31。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本发明的描述中，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

漏电保护装置还可以称为漏电开关，如漏电保护断路器，是用于在电路或电器绝缘受损发生对地短路时防止人身触电和电气火灾的保护电器。现有技术中漏电保护装置通过漏电脱扣器断开主电路的主触头，存在安全性较差以及用户体验感较差的问题，为了解决该技术问题，本申请提供一种漏电保护装置及系统，漏电保护装置通过控制功率开关切断线路，以实现漏电保护，其中，功率开关的控制以及执行可以降低现有技术中漏电保护动作的时间，将漏电保护时间控制在us级，以实现人体触电无感，提高人体安全性以及用户的体验感。

如下通过具体示例，先对本申请实施例所提供的一种漏电保护装置进行解释说明。图1为本申请实施例提供的一种漏电保护装置的结构示意图，如图1所示，该漏电保护装置包括：漏电检测单元10、控制电路20、功率开关30。

其中，功率开关30用于串联连接预设交流电源的火线上，以在漏电时执行断开操作，实现漏电保护。在本申请实施例中，功率开关30可以为电子半导体功率开关，还可以称为电子开关，具有us级时间特性，以将漏电保护时间控制在us级。

控制电路20的电源端连接预设交流电源的火线和零线，以通过预设交流电源的火线和零线为控制电路20进行供电。在本申请实施例中，控制电路20可以为印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)，该印刷电路板上设置有具有连接关系的多个元件。

漏电检测单元10设置在预设交流电源和用电负载40之间，以检测预设交流电源和用电负载40之间的火线和零线是否存在漏电现象，在本申请实施例中，漏电检测单元10可以实现火线和零线的漏电流信号的捕捉。其中，火线和零线连接用电负载40，以为用电负载40进行供电。

控制电路20的输入端连接漏电检测单元10，若发生漏电信号，漏电检测单元10可以捕捉到漏电流信号，进而使得控制电路20可以接收到该漏电流信号。

在本申请实施例中，漏电检测单元10为高频漏电检测装置，其检测频率可为1MHz以上，即MHz级及以上，使得电流的采样较快，漏电检测单元10检测到漏电流达到预设电流时，控制电路20可以及时接收到该漏电流信号。

控制电路20的输出端连接功率开关30的控制端，使得控制电路20可以控制功率开关30的连通或者断开。在本申请实施例中，控制电路20接收到漏电流信号后，及时控制功率开关30断开，以实现漏电保护。当然，若未发生漏电现象，则漏电检测单元10未检测到漏电流信号，使得控制电路20也未接收到漏电流信号，则控制电路20控制功率开关30进行连通，保证电路的正常运行，即对用电负载进行正常供电。

本申请提供的一种漏电保护装置，控制电路可以在漏电检测单元检测到漏电流达到预设电流时及时控制功率开关断开，以实现漏电保护，其中，漏电检测单元的检测频率可为1MHz以上，即MHz级及以上，使得电流的采样较快，并且，功率开关为半导体，具有us级时间特性，使得该漏电保护装置具有us级信号处理时间特性，对于漏电流信号的处理较快，因此，漏电保护动作的执行时间较短，使得该漏电保护装置的漏电保护时间较短，在本申请中，从漏电流达到预设电流时到功率开关断开，整个时间可以控制在us级，基于以上特征，可实现人体触电无感功能，以及降低人体触电的安全风险，提升人体安全性，其中，较短的漏电保护时间使得人体触电后的单向单脉冲触电电流的能量较低，以实现人体触电无感，提高用户的体验感。

进一步地，在上述图1所示的一种漏电保护装置的结构示意图的基础上，还对一种漏电检测单元作进一步解释说明，可选地，图2为本申请实施例提供的另一种漏电保护装置的结构示意图，如图2所示，漏电检测单元10为零序电流互感器。

零序电流互感器的铁磁件套设在预设交流电源和用电负载40之间的供电连接线上，其中，铁磁件为零序电流互感器的铁芯，火线和零线同时穿过该零序电流互感器的铁芯。

零序电流互感器的线圈连接控制电路20的输入端。其中，铁磁件为零序电流互感器的一次侧，线圈为零序电流互感器的二次侧。

正常情况下，即无接地故障以及无线路、电器设备的泄漏电流的情况下，零序电流互感器的一次侧的电流对称，负荷完全平衡，即火线上的电流向量和零线上的电流向量的和为零，此时，铁磁件中不产生磁通，则线圈中不产生电流。

当发生漏电现象时，火线和零线上的负荷不平衡，即火线上的电流向量和零线上的电流向量的和不为零，此时铁磁件中会出现零序磁通，该磁通在二次侧的线圈上感应出电势，产生二次侧电流，即线圈中产生零序电流。因此，控制电路20的输入端可以接收到该零序电流，即漏电流信号，进而控制功率开关进行断开，实现漏电保护。

在本申请实施例中，可以使用超微晶等材料的零序互感器作为漏电检测单元，20KHz的工作频率，检测或者采样漏电流信号的速度较快，使得该漏电保护装置的漏电保护时间较短。当然，漏电检测单元还可以为漏电检测仪等其它的漏电检测设备，在本申请实施例中不作具体限制。

本申请实施例提供的一种漏电保护装置，漏电检测单元为零序电流互感器，零序电流互感器的铁磁件套设在预设交流电源和用电负载之间的供电连接线上，零序电流互感器的线圈连接控制电路的输入端，通过超微晶材料的零序互感器，可以实现漏电流信号的高速采集，使得漏电保护装置的漏电保护时间较短，降低人体触电的安全风险，提高用户的体验感。

进一步地，在上述图1所示的一种漏电保护装置的结构示意图的基础上，还对一种控制电路作进一步解释说明，可选地，图3为本申请实施例提供的一种控制电路的结构示意图，如图3所示，控制电路20包括：模数转换模块21、数字锁存模块22、逻辑转换模块23、驱动模块24、控制模块25。

模数转换模块21的模拟端为控制电路20的输入端，连接漏电检测单元10，以在漏电现象发生时，接收漏电检测单元10输出的漏电流信号，该漏电流信号为模拟信号。模数转换模块21可以将漏电流信号转换为漏电流数字信号。

模数转换模块21的数字端连接数字锁存模块22的输入端，在漏电现象发生时，模数转换模块21的数字端可以将漏电流数字信号传输至数字锁存模块22，使得数字锁存模块22可以锁存漏电流数字信号中的高电平数字信号。在本申请实施例中，数字锁存模块22为触发器。

在本申请实施例中，在漏电现象发生时，若漏电流数字信号是高电平数字信号，则数字锁存模块22的输出端随着数字锁存模块22的输入信号发生变化，此时，数字锁存模块22的输出信号与输入信号相同，均为高电平数字信号；直到漏电流数字信号是低电平数字信号时，数字锁存模块22的输出端会锁存高电平数字信号，输出信号不会随输入信号的变化而变化，此时，数字锁存模块22的输出信号还是高电平数字信号。

数字锁存模块22的输出端连接逻辑转换模块23的第一输入端，以在在漏电现象发生时，将输出的高电平数字信号传输至逻辑转换模块23。逻辑转换模块23的第二输入端连接控制模块25，以接收控制模块25输出的高电平数字信号。

逻辑转换模块23的输出端通过驱动模块24连接功率开关30的控制端，使得驱动模块24根据逻辑转换模块23的输出信号控制功率开关30的连通或者断开。

在正常情况下，即未发生漏电现象时，逻辑转换模块23的第一输入端无电流，逻辑转换模块23的第二输入端接收控制模块25输出的高电平数字信号，即，逻辑转换模块23的第一输入端接收低电平数字信号，第二输入端接收高电平数字信号，此时，逻辑转换模块23的输出端需为高电平数字信号时，可以使得驱动模块24驱动功率开关30进行导通，以对用电负载进行正常供电。

在漏电情况下，逻辑转换模块23的第一输入端接收数字锁存模块22输出的高电平数字信号，逻辑转换模块23的第二输入端接收控制模块25输出的高电平数字信号，即，逻辑转换模块23的第一输入端和第二输入端均接收高电平数字信号，此时，逻辑转换模块23的输出端需为低电平数字信号时，可以使得驱动模块24无驱动能力，进而使得功率开关30断开，以实现漏电保护。

可选地，控制模块可以为微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)，还可以为其他控制单元，在本申请实施例中不作具体限制。

本申请实施例提供的一种控制电路，包括：模数转换模块、数字锁存模块、逻辑转换模块、驱动模块、控制模块，模数转换模块的模拟端为控制电路的输入端，模数转换模块的数字端连接数字锁存模块的输入端，数字锁存模块的输出端连接逻辑转换模块的第一输入端，逻辑转换模块的第二输入端连接控制模块，逻辑转换模块的输出端通过驱动模块连接功率开关的控制端，以实现对漏电流信号到数字信号的快速转换，同时，实现了正常情况下的驱动功率开关连通和漏电情况下的功率开关断开。

进一步地，在上述图3所示的一种控制电路的结构示意图的基础上，还对一种模数转换模块作进一步解释说明，可选地，图4为本申请实施例提供的一种模数转换模块的结构示意图，如图4所示，模数转换模块21包括：运算放大器211、比较器212。

运算放大器211的输入端为模数转换模块21的模拟端，以连接漏电检测单元10。在漏电现象发生时，运算放大器211可以接收漏电检测单元10输出的漏电流信号，并对该漏电流信号进行放大处理，具体地，该放大处理为漏电流信号的电压放大。

在本申请实施例中，漏电检测单元10为零序电流互感器时，零序电流互感器的线圈的两个输出线分别连接运算放大器211的两个输入端。

运算放大器211的输出端连接比较器212的输入端，以将放大后的信号传输至比较器212，通过运算放大器211将漏电流模拟信号转换为漏电流数字信号。

在本申请实施例中，比较器212的输入端包含两个输入端，其中一个输入端连接运算放大器211的输出端，以在漏电现象发生时接收放大后的漏电流模拟信号，另一个输入端用于连接一个参考电压源，通过将漏电流模拟信号与参考电压源产生的参考电压信号进行比较，以将漏电流模拟信号转换为漏电流数字信号。

比较器212的输出端为模数转换模块21的数字端，用于连接数字锁存模块22的输入端，以在漏电现象发生时将漏电流数字信号传输至数字锁存模块22进行高电平锁存。

可选地，模数转换模块21还可以为其他的具备放大功能的将模拟信号转换为数字信号的设备，在本申请实施例中不作具体限制。

本申请实施例提供的一种模数转换模块，包括：运算放大器、比较器，运算放大器的输入端为模数转换模块的模拟端，运算放大器的输出端连接比较器的输入端，比较器的输出端为模数转换模块的数字端，通过高速运放、比较实现了漏电流信号到数字信号的快速、直接转换，可以降低信号处理的延时，提高信号的处理速度，使得漏电保护装置的漏电保护时间较短。

进一步地，在上述图3所示的一种控制电路的结构示意图的基础上，还对一种逻辑转换模块作进一步解释说明，可选地，图5为本申请实施例提供的一种逻辑转换模块的结构示意图，如图5所示，逻辑转换模块23包括：或逻辑门231、与逻辑门232。

或逻辑门231的输入端为逻辑转换模块23的第一输入端，用于连接数字锁存模块22的输出端，以在漏电现象发生时，接收数字锁存模块22输出的高电平数字信号，或逻辑门231接收到高电平数字信号之后进行或操作，可以将高电平数字信号转换为低电平数字信号。

或逻辑门231的输出端连接与逻辑门232的第一输入端，以在漏电现象发生时，将低电平数字信号输入至与逻辑门232的第一输入端。

与逻辑门232的第二输入端为逻辑转换模块23的第二输入端，以接收控制模块25输出的高电平数字信号，在漏电现象发生时，与逻辑门232可以将第一输入端接收的低电平数字信号与第二输入端接收的高电平信号进行与操作，得到低电平数字信号。

在正常情况下，即未发生漏电现象时，或逻辑门231的输入端接收的是低电平数字信号，进行或操作之后，可以将低电平数字信号转换为高电平数字信号。此时，与逻辑门232的第一输入端接收的是高电平数字信号，第二输入端接收的也是高电平数字信号，进行与操作之后，可以得到高电平数字信号。

与逻辑门232的输出端为逻辑转换模块23的输出端，以通过驱动模块24连接功率开关30的控制端。

在漏电现象发生时，与逻辑门232可以将得到的低电平数字信号传输至驱动模块24，此时，驱动模块24无驱动能力，使得功率开关30断开，以实现漏电保护。

在正常情况下，与逻辑门232可以将得到的高电平数字信号传输至驱动模块24，此时，驱动模块24可以产生驱动能力以导通功率开关30，实现对用电负载进行正常供电。

本申请实施例提供的一种逻辑转换模块，包括：或逻辑门、与逻辑门，或逻辑门的输入端为逻辑转换模块的第一输入端，或逻辑门的输出端连接与逻辑门的第一输入端，与逻辑门的第二输入端为逻辑转换模块的第二输入端，与逻辑门的输出端为逻辑转换模块的输出端，以通过逻辑转换模块输入的数字信号控制驱动模块，进而控制功率开关的连通或断开。

进一步地，在上述图1所示的一种漏电保护装置的结构示意图的基础上，还对一种功率开关进一步解释说明，可选地，功率开关30为至少一组功率开关单元，每组功率开关单元包括源极串联连接的两个功率开关单元31。其中，功率开关单元可以为功率开关管。

由于预设交流电源的供电为交流电，因此，需要至少两个功率开关单元31才可实现预设交流电源的火线的彻底断开。

功率开关30为一组功率开关单元31时，即功率开关为两个功率开关单元31时，可选地，图6为本申请实施例提供的另一种漏电保护装置的结构示意图，如图6所示，控制电路20的第一输出端和第三输出端分别连接一组功率开关单元中每个功率开关单元31的栅极，控制电路20的第二输出端连接一组功率开关单元中两个功率开关单元31的源极连接点。

在本申请实施例中，可通过控制电路20中的驱动模块24连接功率开关30的控制端，因此，功率开关30为一组功率开关单元31时，驱动模块24存在三个输出端，第一输出端和第三输出端分别连接每个功率开关单元31的栅极，第二输出端连接两个功率开关单元31的源极连接点。

其中，控制电路20或者控制电路20中的驱动模块24对一组功率开关单元中两个功率开关单元31的栅极的控制信号相同。

在本申请实施例中，驱动模块24可为光耦隔离驱动。其中，光耦隔离驱动的左侧为一个电-光二极管，右侧为一个光-电二极管和一个驱动单元。电-光二极管的阳极连接数字锁存模块22的输出端，电-光二极管的阴极通过电阻接地。

在漏电情况下，数字锁存模块22输出高电平数字信号，使得光耦隔离驱动左侧的电-光二极管将电平信号转换为光信号，促使电-光二极管发光，进而使得光耦隔离驱动右侧的光-电二极管接收到光信号，将光信号转换为电平信号，进而使得驱动单元接收到电平信号之后控制功率开关30。

具体地，驱动模块24存在三个输出端，则驱动单元存在第一输出端、第二输出端和第三输出端，第一输出端和第三输出端分别连接每个功率开关单元31的栅极，以在不漏电情况下发送高电平信号或者在漏电情况下发送低电平信号，第二输出端连接两个功率开关单元31的源极连接点，该第二输出端为接地信号。

本申请实施例提供的一种漏电保护装置，功率开关为至少一组功率开关单元，每组功率开关单元包括源极串联连接的两个功率开关单元，功率开关为一组功率开关单元时，控制电路的第一输出端和第三输出端分别连接一组功率开关单元中每个功率开关单元的栅极，控制电路的第二输出端连接一组功率开关单元中两个功率开关单元的源极连接点，以通过控制功率开关单元的通断实现对功率开关的通断控制。

在上述图1～图6所示的漏电保护装置的结构示意图的基础上，本申请还提供了一种漏电保护系统。可选地，该漏电保护系统包括：用电负载40以及漏电保护装置。

用电负载40用于连接预设交流电源的火线和零线，以通过火线和零线为用电负载40进行正常供电。

漏电保护装置用于连接在火线上，具体地，漏电保护装置中的功率开关30连接在火线上，当功率开关30断开时以实现漏电保护，当功率开关30连通时以实现用电负载40的正常供电。

漏电保护装置通过预设交流电源的火线和零线进行供电，以为漏电保护装置中的各个电子元件进行供电使其处于工作状态。

在本申请中，利用半导体功率器件执行漏电保护动作，通过实验数据可得，整个漏电保护从漏电信号捕获到保护动作完成不超过2us，实现了us级保护动作延时，并且，对于漏电流30-100mA，保护动作时间为2us的漏电保护装置，人体触电后电流波形为单向单脉冲电流，可将单向单脉冲触电电流能量降低到2ⅹ10

上仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。