一种带自检接地故障检测方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种带自检接地故障检测方法及其装置，具体涉及一种带自检测功能的具有火线及中线接地故障检测功能和漏电检测保护电路及其方法

背景技术

由于计算机、半导体及电子技术等的飞速发展以及人们生活水平的不断提升，各种电子电器及智能家电产品已经被家庭广泛应用。普通群众对用电设备的安全意识也不断增强，为确保人身生命和财产安全，漏电保护器和包括漏电保护器在内的电气开关装置广泛应用于供电系统线路中，以便能够有效检测到漏电或触电事故，及时切断电源，防止用电安全事故的发生。

然而，当前现有技术中的漏电保护器或漏电检测电路装置功能过于单一，大部分只能简单检测火线或者中线对地AC交流漏电信号，不能同时具有检测火线或者中线对地A型脉动直流漏电信号功能；或者仅能检测火线对地A型漏电信号，不能检测中线对地A型漏电信号；同时，部分所谓能够检测AC交流火线和中线对地漏电产品采用较落后的技术和工艺实现，精度较差、一致性不好，抗干扰能力弱，极易造成误判；再者，前述现有技术和产品中，不包含具有自检测功能，采用传统模式人工定期通过测试按钮进行检测的方式测试产品或者装置的功能是否正常，但在实际应用中很少有用户会定期手动测试，存在极大隐患，且测试方式会切断负载电源，频繁测试将严重影响正常的生产和生活；当发生火线或者中线对地漏电、触电事故情况时，由于无法及时准确检测并切断负载，极易造成供电设施及负载电器设备损毁甚至引发火灾和人身生命安全事故，存在极大的安全隐患。又再者，现有技术中，虽具有中线/火线对地检测和自检测功能，但不具有精确延时设置功能等，无法应用于分级漏电保护的大部分更高级别电网系统中。

专利公开号为CN1818687A的专利中，公开了一种漏电保护装置寿命终止智能检测方法及其设备，其采用MCU的方案控制实现对接地故障的检测和自测试(寿命终止检测)，外围结构复杂，且由于MCU普遍在EMC和ESD方面存在一定的缺陷，因此对MCU的选择上会存在问题，如电磁兼容性差、成本高、抗干扰特性不好等缺点，同时，其专利方案采用电网交流电每周期均产生模拟接地故障进行检测，因此只能检测AC交流接地故障，存在影响正常接地故障检测和保护功能的问题，安全隐患极大。

专利公开号为CN102694364A的专利中，公开了一种接地故障电路中断器监控器及接地故障模拟方法。其专利描述中明确表述了：自测监控器，其被配置为在从AC电源的第一周期的前半周期开始并延伸到所述AC电源的第一周期的后半周期的时段，生产模拟接地故障，并检测对所述模拟接地故障的响应，其中，所述AC电源的第一周期的前半周期先于所述AC电源的第一周期的后半周期。即以上描述表明，其方案实施中，其需要每个交流周期均产生模拟漏电信号，因此，其只能检测AC交流漏电接地故障，不能检测A型接地故障，同样，专利方案无法实现延时功能。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术和漏电保护装置中不具有或者不同时具有带自检功能火线和中线对地A型脉动直流检测功能的问题，提供一种高集成度，多功能、具有高精度、高可靠性带自检火线和中线对地A型漏电检测方法及其电路装置。

本发明公开了一种带自检功能接地故障检测装置，包括：感应线圈coil1、中性线圈coil2、脱口器装置、整流电路单元、电源管理单元、接地故障检测单元、接地故障自检测试单元；

所述接地故障检测单元接收感应线圈和中性线圈获取的接地故障漏电流信号，并在接地故障发生时输出控制信号驱动脱扣器装置切断负载供电；接地故障自检测试单元检测检测脱扣器装置输出端的相电压，周期性产生模拟接地故障漏电流信号并检测接地故障检测单元及脱口器装置对模拟接地故障的响应是否正确。

在一较佳实施例中：所述接地故障检测单元包括：负反馈放大器及其相连接的电阻R2、R3及电容C2；负反馈放大器的输入端与接地故障检测回路中电平移位电路正负输入端相连；电容C2的两端分别接中性线圈coil2次级两端。

在一较佳实施例中：所述接地故障检测单元通过感应线圈coil1次级获取接地故障漏电流信号，并通过连接在感应线圈coil1次级的电阻R4转换成电压差值信号，二极管D5、D6反向对接并联于R4两端限定电压幅值。

在一较佳实施例中：所述负反馈放大器电路用于放大电压差值信号并输出振荡频率信号对电容C2充放电，中性线圈coil2次级获取到感应电流并当中线对地故障发生时形成正反馈回路，当满足故障电流阈值条件时，输出控制信号驱动可控硅SCR1导通，驱动脱扣器切断负载。

在一较佳实施例中：所述接地故障检测单元还包括：信号放大电、整流器电路、检测电路、延时电路、比较判断电路、逻辑控制电路、输出驱动器；

所述电平移位电路接收感应线圈coil1的感应电流信号，并经电阻R4转换成电压差值信号，将电压差值信号平移至叠加了内部偏置参考电压信号的电平范围内，信号放大电路放大差分电压信号，并经整流器电路产生单端输出电压信号，并经检测电路处理信号后送入延时电路中，然后通过比较判断电路与内部阈值参考值比较，再由逻辑控制电路依据比较判断结果输出控制信号。

在一较佳实施例中：所述接地故障自检测试单元中，相位检测电路用于通过电阻R8串联至火线Load Hot，用于实时检测交流电相位电压值。

在一较佳实施例中：所述接地故障自检测试单元中，SCR回路检测电路用于通过电阻R7检测与可控硅SCR1阳极及脱扣器装置的连通性；SCR回路检测电路还可以通过D8连接可控硅阳极测试可控硅SCR1的功能。

在一较佳实施例中：所述接地故障自检测试单元中，故障模拟输出电路用于通过电阻R9、R10及三极管Q1产生模拟接地故障漏电流信号；故障模拟输出电路还产生用于切换正常漏电检测/自检测模式切换信号。

在一较佳实施例中：所述接地故障自检测试单元中，报警驱动电路接报警装置，用于在自检测试不通过时输出报警信号，所述报警装置为声、光、电器件中的一种。

在一较佳实施例中：所述电源管理单元中，稳压器通过电阻R1连接整流器电路输出的直流电压，并检测并稳定产生输出内部供电系统的直流电压。

在一较佳实施例中：所述电源管理单元中，过压保护电路在检测到异常升高电压时，及时调整并稳定输出电压值。

在一较佳实施例中：所述电源管理单元中，欠压锁定电路在检测到电压值低于低电压阈值时，切断电路正常工作状态。

在一较佳实施例中：所述电源管理单元中，上电复位电路在初次上电后，电压值高于阈值下限时，产生复位信号，使能电路系统正常工作。

在一较佳实施例中：所述电源管理单元中，带隙电压基准电路用于产生参考基准电压；镜像电流源电路用于产生各模块的电流源信号。

在一较佳实施例中：所述整流电路单元将AC电压整流至DC电压，并经电阻R1降压和电容C1滤波。

在一较佳实施例中：所述手动测试单元中，由电阻R11与测试按钮RESET串联，两端分别接穿越于感应线圈coil1和中性线圈coil2的LoadHot和Load Neutral的前端和后端。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提供了带自检功能接地故障检测装置系统在不断开负载交流供电和不影响接地故障检测装置对正常A型、AC型漏电检测和保护工作以及实现延时功能的前提下，通过在线周期性自动模拟接地故障，检测并判断接地故障检测装置漏电保护功能、关键核心器件性能及回路的连通性是否正常工作，并能在检测到异常情况下及时发出声、光、电等报警信号。

附图说明

图1是本发明所述的带自检功能接地故障检测装置电路原理图；

图2是本发明所述的接地故障检测低于阈值电流波形图；

图3是本发明所述的接地故障检测高于阈值电流波形图；

图4是本发明所述的接地故障自检测正常波形图；

图5是本发明所述的接地故障自检测异常波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所述的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参考图1，本实施例提供了一种带自检功能接地故障检测装置，包括：感应线圈coil1、中性线圈coil2、脱口器装置200、手动测试单元100、整流电路单元、电源管理单元300、接地故障检测单元500、接地故障自检测试单元600。

接地故障检测单元500接收感应线圈coil1和中性线圈coil2获取的接地故障漏电流信号，并对有效漏电流信号进行处理、放大、滤波、变换、判断等，控制产生可控硅/脱扣器驱动信号；接地故障自检测试单元600检测相位电压信号，周期性产生模拟接地故障漏电流信号并检测系统漏电检测回路及脱口回路对模拟接地故障的响应是否正确，判断并可输出相应声、光、电报警信号。

所述接地故障检测单元500包括：负反馈放大器及其相连接的电阻R2、R3及电容C2；负反馈放大器的差分输入端与接地故障检测回路中电平移位电路正负输入端相连；C2的两端分别接中性线圈coil2次级两端。负反馈放大器的输出端与R3及R2相连，R2另外一端接C2及中性线圈coil2次级一端，中性线圈coil2次级另一端与C2另一端同接地。当负反馈放大器差分输入端接收到A型或者AC型周期接地故障漏电流信号时，负反馈放大器电路放大差分信号，C2及中性线圈coil2次级将产生周期性振荡信号，若此时发生的是中心线对地故障，负反馈电路系统、coil2、中性线和ciol1将形成正反馈回路，若接地故障电流超过设定阈值，检测电路将检测并及时触发可控硅SCR1导通，驱动脱扣器200断开负载供电。

所述接地故障检测单元500还包括：电平移位电路、信号放大电、整流器电路、检测电路、延时电路、比较判断电路、逻辑控制电路、输出驱动器、电阻R4、R5、R6；电容C3、C4、C5、C6、C7、C8；二极管D5、D6、D7；可控硅SCR1。

所述接地故障检测单元500中，通过感应线圈coil1次级获取感应故障电流，并通过R4转换成电压差值，二极管反向对接并联于R4两端限定电压幅值，R5、R6和C8组成低通滤波网络，滤除高频干扰信号，C3、C4、C6、C7为对地滤波电容，其中C7还可以作为延时设置电容。

所述接地故障检测单元500中，负反馈放大器电路用于放大由感应线圈得到的电压差值并输出振荡频率信号对C2充放电，中性线圈次级获取到感应电流并当中线对地故障发生时形成正反馈回路，当满足故障电流阈值条件时，驱动输出器控制驱动可控硅SCR1导通，驱动脱扣器200切断负载。

所述接地故障检测单元500中，电平移位电路接收感应线圈感应电流信号，并经R4电压转换，R5、R6和C8滤波后的小信号，将差分电压平移至叠加了内部偏置参考电压信号的电平范围内，信号放大电路放大差分电压信号，并经整流电路产生单端输出电压信号，并经检测电路处理信号后送入延时电路中，有效滤除干扰信号并产生延时功能，然后通过比较器比较判断电路电压值与内部阈值参考值比较，再由逻辑控制电路依据比较判断结果控制输出驱动器工作。当转换得到的电压值高于阈值电压时，驱动器输出高电平脉冲，触发可控硅SCR1栅极导通。

所述接地故障自检测试单元600包括：SCR回路检测电路、相位检测电路、逻辑控制电路、计时器电路、振荡器电路、漏电/自检模式切换电路、故障模拟输出电路、分频器电路、报警驱动电路、电阻R7、R8、R9、R10；三极管Q1、二极管D8、LED。

所述接地故障自检测试单元600中，相位检测电路用于通过R8串联至火线LoadHot，用于实时检测交流电相位电压值。R8电阻用于限流和降压，后电压送至相位检测电路，通过检测电压值判断相位或者交流信号周期情况，给内部电路提供相位时钟或参考信号。

所述接地故障自检测试单元600中，SCR回路检测电路用于通过R7检测与可控硅SCR1阳极及脱扣器装置200的连通性；SCR回路检测电路还可以通过D8连接可控硅阳极测试可控硅SCR1功能。当在相线电压正半周期内，SCR回路检测电路输入端通过D7及R7降压后获取电压信号，实时检测脱扣器200及可控硅SCR1阳极的连通性；当在相线电压负半周期内，D7截止，SCR回路检测电路通过D8给SCR1提供电压，故障模拟输出电路产生模拟漏电信号，接地故障检测单元500检测到接地故障漏电信号，输出驱动器触发SCR1导通，可控硅SCR1阳极电压降低并被SCR回路检测电路侦测到，检测完成并关断对SCR1阳极的输出电压。若脱扣器阳极回路不正常断开或者发出模拟接地故障电流信号后无法正常检测到并驱动可控硅SCR1脱扣，则SCR回路检测电路将连续多次测试，若检测仍旧失败则判定自检错误，触发报警驱动电路输出报警信号。

所述接地故障自检测试单元600中，故障模拟输出电路用于通过电阻R9、R10及三极管Q1产生模拟接地故障漏电流信号；故障模拟输出电路还产生用于切换正常漏电检测/自检测模式切换信号。R9接故障模拟输出电路输出端和三极管Q1的基极，作为放大电路的驱动信号，Q1的发射极接地，集电极串联降压/限流电阻接LoadNetural中线端，相线正半周期内，Q1集电极端反向截止，相线负半周期内，Q1集电极反偏，当故障模拟输出电路产生驱动信号时，Q1放大驱动电流经过电阻和集电极到地，产生未经过感应线圈coil1和中性线圈coil2的模拟接地故障电流信号。

所述接地故障自检测试单元600中，所述报警驱动电路接LED阳极，用于在自检测试不通过时驱动输出报警信号，也可驱动其他声、光、电器件。

所述电源管理单元400，包括稳压器、过压保护电路、欠压锁定电路、上电复位电路、带隙电压基准电路、镜像电流源电路。

所述电源管理单元400中，稳压器通过电阻R1连接整流器电路输出的直流电压，并检测并稳定产生输出内部供电系统的直流电压。

所述电源管理单元400中，过压保护电路在检测到异常升高电压时，及时调整并稳定输出电压值。过压保护电路用于实时监测外部输入电压值，当高于设定阈值电压时，提供泄放通道或者保护报警功能；

所述电源管理单元400中，欠压锁定电路在检测到电压值低于低电压阈值时，及时切断电路正常工作状态，预防逻辑判断错误或者错误驱动输出。

所述电源管理单元400中，上电复位电路在初次上电后，电压值高于阈值下限时，产生复位信号，使能电路系统正常工作。

所述电源管理单元400中，带隙电压基准电路用于产生高精确稳定的参考基准电压；镜像电流源电路用于产生各模块的精确电流源信号。

所述整流电路单元300，由D1、D2、D3、D4组成桥式整流电路，将AC电压整流至DC电压，并经R1降压和C1滤波，产生稳定的DC电压源，提供给系统内其他电路使用。

所述手动测试单元100中，由电阻R11与测试按钮RESET串联，两端分别接穿越于感应线圈与中性线圈的Load Hot和Neutral Line的前端和后端，以产生有效的接地故障信号。电阻R11限制电流，测试按钮RESET按下则产生手动的模拟接地故障漏电，用于检测接地故障检测电路是否正常工作。

如图示2中，正常接地故障检测中，在相电压正半周或者负半周期内，检测到接地故障电流，若经判定接地故障电流值低于设定的有效阈值，则输出驱动电压为低电平，即无有效驱动输出信号产生，不会触发可控硅导通及脱扣器装置脱扣切断负载电源。

如图示3中，正常接地故障检测中，在相电压正半周或者负半周期内，检测到接地故障电流，若经判定接地故障电流值高于设定的有效阈值，则输出驱动电压为高电平，即有效驱动输出信号产生，使能触发可控硅导通及脱扣器装置脱扣切断负载电源。

如图示4中，在自检测周期内，当相电压进入负半周期，接地故障自检测试单元600中的SCR检测端口二极管反向截止，接地故障自检测试单元600通过内部输出供电给SCR1可控硅阳极端，即此时SCR检测端口为高电平输出，同时，模拟接地故障漏电输出有效高电平，产生模拟漏电信号，接地故障检测单元500检测到有效模拟漏电信号并由输出驱动器发出信号，触发可控硅SCR1导通，SCR1阳极，即SCR回路检测电路端口电压下降并被内部电路检测到，证明模拟漏电产生、接地故障检测单元及可控硅回路功能正常，模拟接地故障漏电输出停止，接地故障自检测试单元600通过内部也关断输出供电给SCR1可控硅阳极端，报警输出端口无高电平或脉冲信号输出，周期自检结束并等待下一个自检周期开始。

如图示5中，在自检测周期内，当相电压进入负半周期，接地故障自检测试单元600中的SCR检测端口二极管反向截止，接地故障自检测试单元600通过内部输出供电给SCR1可控硅阳极端，即此时SCR检测端口为高电平输出，同时，模拟接地故障漏电输出有效高电平，产生模拟漏电信号，若接地故障检测单元500无法检测到有效模拟漏电信号，或者没有及时由输出驱动器发出信号，又或者不能触发可控硅SCR1导通，即SCR回路检测电路端口没有被内部电路检测到在自检相电压负半周期内，模拟漏电信号发出后电压被可控硅触发下降，模拟接地故障漏电输出将连续几个相电压负半周期输出模拟漏电信号，接地故障自检测试单元600通过内部也连续几个周期输出供电给SCR1可控硅阳极端，若SCR1可控硅阳极端电压仍旧没有被触发拉低并被内部监测到，则证明模拟漏电产生回路、接地故障检测单元及可控硅回路功能不正常，无法实现接地故障保护功能，报警输出端口输出高电平或产生脉冲信号输出，周期自检结束。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。